生物-化学法合成黑色素前体5,6二羟基吲哚的研究

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5,6-二羟基吲哚(5,6-dihydroxyindole,DHI)作为一种绿色染料可有效替代传统染料中有致癌风险的成分对苯二胺,作用机理一样且染色明显。目前关于DHI的合成大多采用化学方法,反应条件苛刻且环境污染严重。本研究级联重组酪氨酸酶菌株Saccharomyces cerevisiae BY4741/p YX212-TYR催化L-DOPA合成多巴色素(Dopachrome,DC)的生物氧化步骤和DC转化形成DHI的化学还原步骤,构建了DHI的生物-化学合成途径。优化了重组酪氨酸酶菌株S.cerevisiae BY4741/p YX212-TYR的培养条件使其具有最大活力,考察了生物氧化反应中的影响因素,考察了化学环境及化学助剂对DC向DHI转化的影响。由于体系中DHI不可避免会发生聚合,进一步考察了防聚剂对DHI的防聚合作用,为实现DHI的绿色制备奠定了基础。具体研究内容如下:(1)通过使用优化后的米曲霉(Aspergillus oryzae)酪氨酸酶基因、宿主菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae BY4741)、穿梭质粒p YX212构建了酪氨酸酶异源表达菌株S.cerevisiae BY4741/p YX212-TYR。发现培养时间对重组菌株活力具有较大影响。通过培养条件优化,重组酪氨酸酶菌株活力达到8.02 U·mg-1细胞。(2)考察了重组酪氨酸酶菌株S.cerevisiae BY4741/p YX212-TYR催化L-DOPA氧化合成DC的影响因素,如催化剂浓度、反应温度、反应p H值、底物L-DOPA浓度及溶解氧浓度等,优化后的最适反应条件为:50 g·L-1重组酪氨酸酶菌株S.cerevisiae BY4741/p YX212-TYR、35℃、p H 6.0、在底物L-DOPA浓度为3 mmol·L-1条件下通入氧气可以获得最大的转化效率。经上述条件优化后L-DOPA的转化率达到94.75%,DHI产率为47.09%,较优化前底物转化率提高6.3倍,产率提高16倍。(3)考察了化学环境及化学助剂对DC化学还原生成DHI的影响,在20℃及p H 3.0条件下可以最大程度积累DHI;在此基础上0.5 mmol·L-1 Al3+可将DHI产率提升至60.06%、50%乙醇可将DHI的产率提升至75.3%、3.0%抗坏血酸钠可将DHI产率提高至79.4%、50%乙醇与3%抗坏血酸钠组合处理可进一步将产率提升至90.03%。(4)产物LC/MS鉴定表明,反应体系中存在DHI可溶性低聚物,且低聚物含量不断上升,主要为二聚体及四聚体。聚乙烯醇(PVA)及二甲基亚砜(DMSO)可以有效缓解DHI的聚合。1.25%PVA及15%DMSO具有最好的防聚合效果,分别将反应体系中DHI产率从90.03%提升至93.41%和91.98%。
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