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生物法降解植物甾醇侧链是留体转化领域中的关键环节,其产物雄烯二酮(AD)作为中间体可用于合成上百种甾体激素类药物。由于过程复杂,机理不甚清楚,迄今为止该反应只能在全细胞中进行,存在着底物水溶性低和疏水性产物抑制这两个难题,是甾体药物合成的研究热点。离子液体作为21世纪的新型绿色溶剂逐渐进入人们的视野,近年来已有研究者尝试将离子液体用于甾体生物转化以通过溶剂工程实现过程强化,但是相关研究刚刚起步,且主要集中在甾体的羟化和C1位脱氢反应。本文构建含离子液体的生物转化溶剂体系,用于分枝杆菌Mycobacterium sp.MB 3683降解植物甾醇侧链生产AD的过程,并设计合成生物相容性和溶解性能优越的新型离子液体,以提高过程效率,推动离子液体绿色过程工艺的发展。首先,从商业化离子液体中选取13种具有代表性的亲水性/疏水性离子液体,系统评价其用于植物甾醇生物转化的溶剂特性,并建立离子液体结构与其理化性质、溶解性能和生物相容性之间的关系。发现随着离子液体阳离子烷基链的延长,其密度降低,黏度增加。离子液体疏水性参数logP>-2即能与水形成两相体系,其值随阳离子烷基链的延长而增大,随阳离子类型的变化顺序为:季鏻/铵类>二烷基吡咯烷类>二烷基咪唑类,随阴离子类型的变化顺序为:[NTf2]>[PF6]>[BF4]>[Lac]-。离子液体/水平衡相组成(离子液体与水互溶度)总是与logPP呈负相关。离子液体对植物甾醇的溶解度与水相比均有不同程度的提高,且与其氢键碱性β值呈正相关;AD的溶解度提高近1000倍,且分配系数log D>2,可以实现产物的原位萃取(ISPR),且其值随着阳离子烷基链的延长而增大。分枝杆菌细胞膜完整性与离子液体浓度和阴离子疏水性呈负相关,而葡萄糖代谢活性与阴离子疏水性呈正相关。系统的溶剂特性评价为离子液体的应用提供了基础数据。其次,将9种疏水性离子液体构建两相体系用于分枝杆菌发酵降解植物甾醇侧链过程,其中离子液体[PrMIM][PF6]呈现出较好的性能。研究了两相萃取发酵过程操作参数对AD生产的影响,在12 vol.%接种量,48 h种龄,84 h时添加离子液体,相比1:20(离子液体/水,v/v),底物投料浓度5 gL-1的200 mL发酵体系中,转化5天,AD产量为2.23g L-1,远高于单水相体系,且在高底物浓度下优势更明显。探讨了两相转化过程传质机理,明确了离子液体对ISPR所起的关键作用。进一步将11种水不溶性离子液体和2种水溶性离子液体用于分枝杆菌静息细胞催化过程。考察了细胞培养条件,发现在发酵培养基中添加8 gL-1葡萄糖和1 gL-1由tween80水溶液分散的植物留醇做诱导剂,培养至对数生长后期(60 h),细胞催化活性较高。在0.1MTris-HC1缓冲液(pHH7.5)与离子液体构成的两相体系或共溶剂体系中,优化后添加50 g L-1湿细胞和3 g L-1底物转化12 h,[PrMIM][PF6]仍然表现出了较好的性能,分析原因其合适的细胞膜通透性(MI≈40%)有利于底物和产物的透过从而提高转化效果。转化结束后,用乙醇萃取法提取产物AD并实现了离子液体的多批次重复利用。此外,通过电镜观察和催化转化实验,确定丝瓜络吸附法为较合适的分枝杆菌固定化方法。最后,针对商业化离子液体对甾醇溶解性和分枝杆菌生物相容性的不足,以生物相容性好、氢键碱性强的生物分子乳酸和长链脂肪酸为阴离子供体,生物相容性和溶解性能均较好的季铵盐和季鏻盐为阳离子供体合成了 24种新型离子液体。核磁1H谱和13C谱表征了离子液体的结构和纯度。对合成离子液体的各项溶剂特性进行了分析,发现他们均具有较弱的极性和极强的氢键碱性,因而对植物甾醇表现出优越的溶解性能(是普通离子液体的近百倍)。将8种水不溶性离子液体构建两相体系用于分枝杆菌静息细胞催化植物甾醇侧链降解,当离子液体添加量为0.1 vol.%时,[P6,6,6,14][C12]和[N10,10,10,10][Lac]均将AD产率提高40%以上。但是当离子液体量超过1vol.%时,生物转化反应由于离子液体、底物和细胞的黏附聚集作用而表现不佳。相对应地,将另外16种水溶性离子液体构建共溶剂体系,由于具有类似于表面活性剂的两亲特性,其低浓度水溶液对底物和产物的溶解能力远优于有机溶剂和表面活性剂参与的体系,且黏度不超过1.6 cP,细胞和底物分散状况良好,细胞膜完整性几乎不受离子液体的影响。由于葡萄糖代谢活性与离子液体种类和浓度密切相关,详细考察了不同离子液体种类和浓度对生物转化效果的影响,在低至0.1 vol.%的离子液体浓度下,含[N4,4,4,4][C10]体系的AD时空产率为136 mg L-1h-1,相比初始体系提高1倍以上。离子液体/水两相体系可应用于植物甾醇侧链降解过程,并辅以离子液体的回收利用;开发的新型离子液体共溶剂体系,离子液体用量极少,节约了生产成本,也省却了离子液体回收的步骤。将离子液体与生物催化转化相结合,符合绿色可持续过程工程,具有广阔的应用前景。