全細(xì)胞催化制備阿拉伯糖丙酸單酯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全細(xì)胞催化和合成領(lǐng)域，具體涉及一種在叔戊醇/ 二甲基亞砜雙溶劑體系中用施氏假單胞菌催化合阿拉伯糖丙酸單酯。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，以糖基作為骨架或者側(cè)鏈的聚合物被稱為“(含)糖聚合物”，其研宄非常活躍，特別是對于可控合成以及精確制備的具有不同結(jié)構(gòu)(比如線型、星狀、超枝化以及樹枝狀)的糖聚合物已經(jīng)成為研宄熱點，但目前其研宄范圍主要集中在生物醫(yī)學(xué)和生物材料領(lǐng)域。盡管如此，由于合成的難度和性能的復(fù)雜，導(dǎo)致了對新穎的生物降解性聚合物/糖聚合物雜化材料的合成與性能研宄仍然不足，特別是基于半纖維素糖高分子聚合物在水處理和造紙功能化學(xué)品的應(yīng)用方面的研宄則少見報導(dǎo)。目前，化學(xué)法合成含糖高分子聚合物的過程中單體的合成路徑往往較復(fù)雜，試劑多，副產(chǎn)物多。不僅如此，化學(xué)法合成還有諸如反應(yīng)條件苛刻、環(huán)境不友好等不足。這在一定程度上限制了含糖高分子聚合物的發(fā)展。
[0003]非水相溶劑體系中脂肪酶催化反應(yīng)除了具有高度的區(qū)域選擇性和立體選擇性，不需要基團(tuán)保護(hù)等傳統(tǒng)水解酶的優(yōu)點外，還可以催化酯交換、酯化、氨解等合成反應(yīng)，可進(jìn)行水不溶性物質(zhì)的催化轉(zhuǎn)化，大大拓展了酶的作用底物范圍，不僅如此，它還有利于酶的回收和重復(fù)利用、降低分離過程的能耗，提高了酶的熱穩(wěn)定性以及減少和防止水引起的副反應(yīng)和微生物污染，可以通過控制不同的反應(yīng)條件，可以在糖的特定羥基上進(jìn)行反應(yīng)，制備結(jié)構(gòu)確定的含糖的不飽和單體。自Klibanov首次報道非水相中的酶催化性能以來，非水酶學(xué)在最近20多年里取得了長足的發(fā)展。就目前而言，國際上對非水相條件下糖酯單體合成的研宄較少，研宄領(lǐng)域也僅限于生物醫(yī)藥，Dordick等在非水相條件下利用酶催化丙烯酸乙烯酯與甲基半乳糖苷、a -D-吡喃葡萄糖苷以及蔗糖等進(jìn)行酯交換反應(yīng)，制備了結(jié)構(gòu)確定的含糖的不飽和單體。并且利用所得單體制備了生物相容水凝膠等聚合物。國內(nèi)僅有魏遠(yuǎn)安和劉榮莉等報道了采用脂肪酶在非水相條件下合成了蔗糖基聚合物用于水果保鮮劑的研宄。并且糖類化合物在有機(jī)溶劑中的溶解性很差，這在一定程度上阻礙了非水相中酶促催化糖酯單體合成的發(fā)展。
[0004]全細(xì)胞催化是指利用完整的生物有機(jī)體(即全細(xì)胞、組織甚至個體)作為催化劑進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)是利用細(xì)胞內(nèi)的酶進(jìn)行催化。該法是介于發(fā)酵法和提取酶催化法之間的一種生物催化技術(shù)。細(xì)胞內(nèi)完整的多酶體系可以實現(xiàn)酶的級聯(lián)反應(yīng)，從而彌補(bǔ)酶法催化中級聯(lián)催化過程不易實現(xiàn)的不足，提高了催化效率，同時，又省去了繁瑣的酶純化過程，制備更加簡單，生產(chǎn)成本更低。相比發(fā)酵法，全細(xì)胞催化克服了發(fā)酵法生長周期長、代謝產(chǎn)物復(fù)雜、底物轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)物分離提取困難以及能耗高等缺點。相比提取酶催化反應(yīng)，全細(xì)胞中的酶系保持原有生活細(xì)胞所處的狀態(tài)和特定位置，酶穩(wěn)定性更好，半衰期更長，適應(yīng)性更強(qiáng)，更易實現(xiàn)能量和輔酶的原位再生。
[0005]阿拉伯糖是一種單糖。又稱果膠糖。廣泛存在于植物中，通常與其他單糖結(jié)合，以雜多糖的形式存在于膠、半纖維素、果膠酸、細(xì)菌多糖及某些糖苷中。在許多松柏科(如紅杉)樹的心材中含有游離狀態(tài)的L-阿拉伯糖。L-阿拉伯糖是從含在玉米皮里的半纖維素的阿拉伯木糖分離、精制而成的。砂糖是通過存在于小腸黏膜砂糖分解酵素，被葡萄糖和果糖分解吸收的。如果在砂糖中配用3%的阿拉伯糖就可以抑制60%的砂糖的吸收。為此與只是攝取砂糖情況相比較，可以抑制血糖值增高和胰島素的分泌。另外，沒有被分解的砂糖到達(dá)大腸，與阿拉伯糖一起可以起到抑制乳酸桿菌的作用。進(jìn)一步通過阻礙對果糖吸收的抑制和產(chǎn)生腸內(nèi)細(xì)菌的短鎖脂肪酸的中性脂肪合成，達(dá)到抑制脂肪堆積的效果。阿拉伯糖有類似砂糖的甜味，但甜度只有其一半左右、其溶解度低于砂糖；酸、熱度穩(wěn)定。溶解漿是在制漿過程中除去了木素和半纖維素，只保留纖維素的高純度精制化學(xué)漿，主要用于生產(chǎn)粘膠人造絲、硝化纖維、醋酸纖維、玻璃紙、羧甲基纖維素(CMC)等產(chǎn)品。在生產(chǎn)溶解漿過程中所提取出來的大量半纖維素類糖為溶解漿副產(chǎn)物，對這些副產(chǎn)物的充分利用已成為當(dāng)今的熱門話題。本研宄旨在對阿拉伯糖進(jìn)行回收利用并制成阿拉伯糖丙酸單酯為今后食品添加劑以及表面活性劑添加新的合成思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種環(huán)境友好、生產(chǎn)成本低、反應(yīng)過程簡單可控、產(chǎn)物易分離的叔戊醇/ 二甲基亞砜雙溶劑體系中生物催化制備阿拉伯糖單酯的新方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
全細(xì)胞催化制備阿拉伯糖丙酸單酯的方法，包括以下步驟:
(1)在蒸餾水中加入5~35g/L的酵母浸膏，5~20g/L的硫酸銨，l~10g/L的磷酸氫二鉀，0.2~2g/L的結(jié)晶硫酸鎂以及5~50g/L的誘導(dǎo)劑作為培養(yǎng)基，誘導(dǎo)培養(yǎng)施氏假單胞菌，培養(yǎng)后離心收集，并冷凍干燥制的全細(xì)胞催化劑；
(2)在反應(yīng)器中按叔戊醇與二甲基亞砜的體積比為2:1?10:1的比例配成叔戊醇/二甲基亞砜雙溶劑反應(yīng)介質(zhì)，按阿拉伯糖與反應(yīng)介質(zhì)的用量之比為5?30 mg/ml加入阿拉伯糖，按生物催化劑與阿拉伯糖的重量比為1:1?10:1的比例加入全細(xì)胞催化劑，按?；w與阿拉伯糖的摩爾比為1:1?100:1加入丙酸乙烯酯，在常壓下反應(yīng)后，合成了阿拉伯糖丙酸單酯。
[0008]上述方法中，所述全細(xì)胞的培養(yǎng)與應(yīng)用，其中包括全細(xì)胞種類的選取以及其培養(yǎng)方法的優(yōu)化，并最終運用于催化合成阿拉伯糖丙酸單酯。
[0009]上述方法中，所生成的阿拉伯糖丙酸單酯與溶劑的分離與其結(jié)構(gòu)的鑒定。
[0010]上述方法中，步驟(I)中所述誘導(dǎo)劑為無水葡萄糖、吐溫80或大豆油。
[0011]上述方法中，步驟(I)中所述培養(yǎng)的時間為48~60 h。
[0012]上述方法中，所述反應(yīng)的溫度為30?60 0C ;所述反應(yīng)的振蕩速度為100?300rpm ο
[0013]上述方法中，所述反應(yīng)的時間為24?72 h?
[0014]本發(fā)明的原理:采用叔戊醇/ 二甲基亞砜雙溶劑體系，以全細(xì)胞作為催化劑，催化阿拉伯糖和丙酸乙烯酯進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到阿拉伯糖單酯。
[0015]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
(I)采用高效、高穩(wěn)定性的全細(xì)胞催化劑來催化阿拉伯糖合成阿拉伯糖酯，克服了現(xiàn)有技術(shù)中酶容易失活，反應(yīng)效率低的缺點；反應(yīng)過程簡單可控、產(chǎn)物易分離；
(2)反應(yīng)終止采用過濾除菌體的方法，簡便迅速，克服了現(xiàn)有技術(shù)中高溫滅酶能耗大、酶蛋白易殘留等缺點；且全細(xì)胞催化劑可反復(fù)使用，操作穩(wěn)定性高，降低生產(chǎn)成本；
(3)利用了非水相酶催化的新技術(shù)，采用叔戊醇/二甲基亞砜雙溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，未反應(yīng)的丙酸乙烯酯可用有機(jī)溶劑萃取，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去，簡化了產(chǎn)物分離步驟，得到的產(chǎn)品雜質(zhì)少；經(jīng)蒸發(fā)除去的有機(jī)溶劑可以回收重復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本；
(4)反應(yīng)條件溫和，無含堿廢液排放，環(huán)境友好；
(5)反應(yīng)所需的全細(xì)胞催化劑生產(chǎn)簡單，便宜。省略了以往酶法催化中酶的提取步驟，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為阿拉伯糖與丙酸乙烯酯反應(yīng)前的液相色譜，圖中2.Smin出現(xiàn)的是阿拉伯糖峰。
[0017]圖2為阿拉伯糖與丙酸乙烯酯反應(yīng)后的液相色譜，圖中2.Smin出現(xiàn)的是阿拉伯糖峰，5.6min出現(xiàn)的是阿拉伯糖丙酸單醋峰。
【具體實施方式】
[0018]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0019]實施例1
在IL蒸餾水中加入5g/L的酵母浸膏，5g/L的硫酸銨，I /L的磷酸氫二鉀，0.2g/L的結(jié)晶硫酸鎂以及5g/L的無水葡萄糖為培養(yǎng)基誘導(dǎo)培養(yǎng)施氏假單胞菌(購于廣東微生物研宄所，貨號:GM1.446)，培養(yǎng)48h后離心收集，并冷凍干燥制的全細(xì)胞催化劑；把60 mg阿拉伯糖、0.06 g (阿拉伯糖比全細(xì)胞催化劑的質(zhì)量比為1:1)施氏假單胞菌全細(xì)胞催化劑、20 mmoL (阿拉伯糖與?；w的摩爾比為1:50)丙酸乙烯酯和2 ml叔戊醇/ 二甲基亞砜(體積比為5:1)雙溶劑介質(zhì)放入具塞三角瓶中，置于30 0C,150 rpm的氣浴恒溫振蕩器內(nèi)振蕩，反應(yīng)48 h后，有12.4%的阿拉伯糖發(fā)生轉(zhuǎn)化，經(jīng)結(jié)構(gòu)鑒定產(chǎn)物為阿拉伯糖丙酸單酯。
[0020]實施例2
在IL蒸餾水中加入5g/L的酵母浸膏，5g /L的硫酸銨，lg/L的磷酸氫二鉀，0.2g/L的結(jié)晶硫酸鎂以及5g/L的無水葡萄糖為培養(yǎng)基誘導(dǎo)培養(yǎng)施氏假單胞菌，培養(yǎng)48 h后離心收集，并冷凍干燥制的全細(xì)胞催化劑；把60 mg阿拉伯糖、0.06 g (阿拉伯糖比全細(xì)胞催化劑的質(zhì)量比為1:1)施氏假單胞菌全細(xì)胞催化劑、40 mmoL (阿拉伯糖與?；w的摩爾比為1:100)丙酸乙烯酯和2 ml叔戊醇/ 二甲基亞砜(體積比為10:1)雙溶劑介質(zhì)放入具塞三角瓶中，置于50 0C ,150 rpm的氣浴恒溫振蕩器內(nèi)振蕩，反應(yīng)48 h后，有56.9%的阿拉伯糖糖發(fā)生轉(zhuǎn)化，經(jīng)結(jié)構(gòu)鑒定產(chǎn)物為阿拉伯