立体选择性腈水解酶催化外消旋扁桃腈合成R-(-)-扁桃酸的研究

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腈化合物的水解反应广泛应用于羧酸、酰胺及其衍生物的合成,相对于传统的化学水解,腈化合物的酶法水解具有反应条件温和、转化率高、环境友好等优点,符合绿色化学和节能减排的要求。利用腈水解酶的立体选择性、区域选择性和化学选择性可以得到一些化学反应无法合成的物质。本论文的目标产物R-(-)-扁桃酸是一种重要的医药中间体,目前主要通过拆分扁桃酸外消旋体得到,也有报道以产立体选择性腈水解酶的微生物作为催化剂,选择性水解外消旋扁桃腈,直接得到R-(-)-扁桃酸。本文旨在筛选高活性的产腈水解酶菌株,应用于扁桃腈的选择性水解。对所筛选到的菌株进行诱变选育、培养条件和转化条件优化等研究,为工业化应用奠定理论基础。论文首先建立了以苯乙腈作为碳氮源进行富集培养,采用显色法定性筛选产腈水解酶菌株的筛选模型。通过该模型筛选结合HPLC分析获得了编号为WT10的菌株,其酶活力和立体选择性都相对较高,通过形态学、生理生化以及16S rDNA鉴定及系统发育分析,该菌株被鉴定为Alcaligenesfaecalis。通过诱变选育,得到一株遗传稳定的突变株Alcaligenes faecalisZJUTB10,酶活力由53 U/g提高到260 U/g。通过单因素和响应面法对A.faecalis ZJUTB10产腈水解酶的培养基组成进行了优化。确定较适宜的培养基组成为(g/l):醋酸铵12.14,酵母膏7.79,正丁腈3.29,磷酸氢二钾5,氯化钠1,硫酸镁0.2。较适宜的生长与产酶条件为:温度30℃,初始pH 7.5,接种量6%(v/v),装液量为20%。在上述条件下培养20 h后,生物量为2.94g/l,腈水解酶的活力达到1197 U/l。在151发酵罐中装液量81,其余条件与摇瓶培养相同,培养20 h后,生物量为2.64g/l,酶活力为997 U/l。通过对摇瓶发酵过程的菌体生长以及产酶的研究,建立了菌体生长以及产酶的动力学模型。以Logistic方程来拟合菌体的生长,得到菌体生长的动力学方程为:Cx=(?),以菌体生长和产酶的相关模型来拟合产酶情况,得到菌体的产酶动力学方程为:论文考察了静息细胞催化外消旋扁桃腈过程中转化条件对酶活力的影响。结果表明,较适宜的转化条件为:pH 8.0-8.4磷酸盐缓冲液,转化温度35℃,细胞浓度1 mg/ml,底物浓度20 mM,上述条件下反应1.5 h后转化率达到95%,e.e.达到99%。在50 mM的底物浓度下不产生底物抑制,但是产物浓度大于10 mM时即存在产物抑制。通过对酶促反应动力学研究得到Km、Vm和kip分别为0.342 mmol·l-1、1.288 mmol·l-1·min-1和20.61mmol·l-1。该腈水解酶的热稳定性和pH稳定性都较好,30℃、38℃、45℃、53℃和60℃下的半衰期分别为14 d、11 d、1.5 d、240 min和55 min。pH稳定性实验发现A. faecalis ZJUTB10在中性和碱性条件下的稳定性比在酸性条件下的好。
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