CN104711248A - 一种消除底物毒性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用固定化载体对有毒底物进行固定化，然后用固定化底物替代传统的游离底物进行反应可有效消除底物对催化剂的毒害作用，大幅度提高目的产物产量的方法。它包括固定化载体的选择，固定化底物的制备，反应条件优化，产物分离纯化和固定化载体的回收及循环使用等工艺步骤。采用本发明可有效消除底物对生物催化剂的毒害作用，提高了催化剂对有毒底物的耐受度，延长了催化剂的使用寿命，简化了后续产物分离纯化工艺，并减少了生产过程中有毒废水的排放；具有产量高、生产工艺简单、催化剂使用寿命长、环境友好等优点，大大降低了目的产物生产成本，为实现底物对生物催化剂具有毒害作用的目的产物的大规模低成本生产奠定了基础。

Description

一种消除底物毒性的方法

 

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及利用固定化载体对有毒底物进行固定化，然后用固定化底物替代传统的游离底物进行反应可有效消除底物对催化剂的毒害作用，大幅度提高目的产物产量的方法。

 

背景技术

在生物催化反应中，经常要用到对催化剂有毒的化合物作为底物，这些底物的存在会影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降甚至使催化剂丧失催化作用。因此，如何消除底物对催化剂的毒害作用成为生物催化工业的一个瓶颈，严重阻碍了生物催化工业的发展。

固定化(immobilized)技术是用化学或物理手段将物体定位于限定空间区域的一门新兴技术，主要包括固定化酶技术与固定化微生物技术，在化工、发酵、能源、医药等行业应用广泛。然而，固定化酶或固定化微生物技术在增强生物催化剂的稳定性方面具有一定的作用，但在消除底物对生物催化剂毒性方面并没有任何作用。

化合物对生物催化剂的毒性主要通过降低细胞内巯基水平及升高活性氧水平改变细胞内氧化还原状态或与细胞原浆中的蛋白质发生化学反应使细胞变性而导致细胞衰退或死亡。通过底物固定化使得反应体系中游离的底物浓度基本为零，酶或微生物的新陈代谢将不受任何影响，可以更好地催化合成目的产物；此外，把有毒底物固定在载体上，可以大大提高催化剂对有毒底物的耐受度，从而大大提高目的产物的产量；再者，待反应结束后，未反应的有毒底物依然固定在载体上，可以用于下一批次的反应，有效减少了有毒底物废水的排放，对环境的污染基本没有。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，利用固定化底物提高生物催化剂对有毒底物的耐受度，进而提高目的产物的产量。其中固定化载体采用壳聚糖及其改性，纤维素及其衍生物，有机合成聚合物，凝胶材料，磁性微粒，无机材料，丝素或甲壳素；底物固定化采用吸附法，共价结合法，交联法或包埋法，然后用固定化底物替代传统的游离底物在最佳反应条件下进行催化反应生产目的产物。该方法具有提高生物催化剂对有害底物的耐受度，大幅度提高目的产物产量，简化产物后续分离纯化工艺及减少有毒废水排放等优点，大大降低了目的产物生产成本低，为大规模低成本生产目的产物奠定了基础。

本发明的整体技术构思是：利用固定化载体固定化有毒底物，然后用固定化底物替代传统的游离底物进行催化反应，该方法由下列工艺步骤组成：

（1）固定化底物的制备，其中包括固定化载体的选择和底物的固定化；

（2）加入固定化底物进行催化反应；

（3）产物的分离纯化；

（4）固定化载体的重复使用。

 

本发明的具体工艺步骤及工艺条件是：

步骤（1）中固定化底物的制备：

根据有毒底物的理化性质选择该底物最适的固定化载体，然后对固定化过程中涉及的固定化温度、底物溶液pH、搅拌转速、底物浓度及固定化时间等条件进行优化，确定最佳的固定化条件。

固定化载体为壳聚糖及其改性，纤维素及其衍生物，有机合成聚合物包括大孔吸附树脂、离子交换树脂、接枝聚合物和β-环糊精聚合，凝胶材料包括卡拉胶、聚乙烯醇、海藻酸钙凝胶、烯丙基葡聚糖树脂凝胶、微乳液凝胶和明胶，磁性微粒，无机材料包括硅胶，硅藻土，活性炭，CaCO₃粉末，蛋壳，二氧化钛，陶瓷拉西环和膨润土基多孔粘土材料，丝素或甲壳素。

固定化方法为吸附法，共价结合法，交联法或包埋法。

步骤（2）中催化反应：

取一定量的酶或微生物细胞加入到含有一定体积反应液的反应体系中，通过考察反应温度、体系pH、搅拌转速、装液量及反应时间等反应条件，确定最佳的反应条件。

催化反应为酶催化反应，细胞催化反应或有机催化反应。

步骤（3）中的产物分离纯化：

采用固定化底物替代传统的游离底物进行催化反应，反应结束后根据产物理化性质及状态采用洗脱、萃取、离交或蒸馏的方式进行产物分离纯化。

步骤（4）中固定化载体的回收及循环使用：

    在固定化底物催化反应结束后，利用过滤或离心的方法即可把固定化载体进行回收，回收的载体进入步骤（1）进行底物固定化，并再次作为底物投入催化反应体系中进行反应；如此重复循环，固定化载体的使用寿命可达50-300个周期。

 

本发明所取得的技术进步在于：

本发明是通过以固定化底物替代传统的游离底物作为反应物，解决了直接用游离底物作为反应物所存在的对催化剂的毒害作用，导致目的产物产量无法提高，产物后续分离工艺复杂，含有毒底物废水导致的环境污染等问题。利用本发明生产目的产物的方法具有如下优点：

（1）利用固定化底物提高生物催化剂对有毒底物的耐受度，提高单位体积反应液中底物浓度，进而提高目的产物的产率，降低目的产物的生产成本，使大规模生产目的产物成为了可能；

（2）通过采用固定化底物替代传统的游离底物，消除了底物对生物催化剂的毒性，避免了生物催化剂酶活的下降并延长其使用寿命；

（3）在反应结束后，未反应的有毒底物依然固定在载体上，反应液中没有有毒底物的存在，从而减少有毒废水的排放，对环境不造成任何污染。

采用本发明进行催化反应具有目的产量高，工艺步骤简单，生产成本低，环境友好等优点，具有重大工业化意义。

 

本发明的方法涉及的固定化载体既可用公知的方法合成也可以是市场销售产品，固定化方法即可用现有的固定化方法也可根据经验采用的改良的方法。下面所列举的实施例只是为了更详细地说明本发明，但本发明不受它们的任何限定。

具体实施方式

以生物转化法催化固定化底物合成4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷为例进行说明。

（1）固定化底物的制备：

在4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷催化合成过程中，底物对苯二酚对菌体细胞具有杀菌作用，因此采用本发明方法进行底物固定化以消除底物的毒害作用，具体操作步骤如下：

根据底物对苯二酚含有两个酚羟基的理化性质，选择大孔吸附树脂作为固定化载体。首先制得质量百分比浓度为10％的对苯二酚水溶液；然后往每100 ml对苯二酚水溶液加入10 g预处理好的大孔吸附树脂如NKA-9、NKA-II、S-8、AB-8、D201、D3520、D4006、D4020、H1020、H103、H107、X-5、NKA-II、X-5、YWD01B、HPD100、HPD450、HPD600或HPD700在温度为10-40 ℃转速为100-150 r/min的摇床上固定化1-5 h；最后把吸附好的树脂用滤纸过滤，并用去离子水清洗树脂表面1-3次以洗净残留在树脂表面的对苯二酚溶液，即制得吸附量为0.1-1 g对苯二酚/g树脂的固定化底物对苯二酚。

（2）4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷的催化反应：

① 生物催化剂的制备

在4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷合成反应中，使用的菌种为野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）CGMCC NO.1243；挑取1环斜面保存的野油菜黄单胞菌，加入到体积为250 ml的液体培养基中，在温度为20-30 ℃，转速为100-200 r/min摇床中培养10-20 h后即制得菌体发酵液。

种子液及发酵罐培养基由下列重量份组分组成：

蔗糖 20-40份，蛋白胨 2-5份，酵母粉 2-5份，硫酸镁 0.5-1份，磷酸氢二钾 1-2份，氯化钠 1-2份和水 1000份。

② 催化合成反应

往250 ml锥形瓶中加入固定了对苯二酚的大孔吸附树脂和蔗糖，其中树脂的质量浓度为10-50 g树脂/l发酵液，蔗糖物质量浓度为200-1000 mmol/l；在反应温度为20-40 ℃，转速为120-180 r/min条件下反应48-72 h。在此反应条件下，固定化底物对苯二酚转化为α-熊果苷的转化率达90-95％，4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷的产量为20-100 g/l。

（3）4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷的分离纯化：

① 催化反应结束后，用滤纸过滤即可把大孔吸附树脂分离出来，然后用去离子水清洗树脂2-3次，洗净树脂表面残留的发酵液；

② 把经过①步骤的大孔吸附树脂用体积百分比浓度为1-90%的酒精进行洗脱，收集洗脱液； 

③ 把经过②步骤的洗脱液进行真空浓缩，在浓缩到产品处于饱和状态时，放入温度为0-4℃条件下进行结晶，晶体经干燥后得到纯度为99.5％以上的4-羟苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷产品；真空浓缩温度为40-60℃，结晶时间为5-12 h。

（4）固定化载体的回收及循环使用：

在经过步骤（3）的大孔吸附树脂用去离子水洗涤2-3次，洗净树脂上残留的酒精，然后再次用于底物对苯二酚的固定化，并再次作为底物投入催化反应体系中进行反应；如此重复循环，树脂的使用寿命可达50-300个周期。

Claims (8)

1.一种消除底物毒性的方法,其特征在于:用固定化载体对有毒底物进行固定化，然后用固定化底物替代传统的游离底物进行反应可有效消除底物对催化剂的毒害作用，大幅度提高产物产量，该方法由下列工艺步骤组成：

（1）固定化底物的制备，其中包括固定化载体的选择和底物的固定化；

（2）加入固定化底物进行催化反应；

（3）产物的分离纯化；

（4）固定化载体的重复使用。

2.根据权利要求1所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的（1）步骤中固定化载体为壳聚糖及其改性，纤维素及其衍生物，有机合成聚合物，凝胶材料，磁性微粒，无机材料，丝素或甲壳素。

3.根据权利要求1所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的（1）步骤中底物的固定化方法为吸附法，共价结合法，交联法或包埋法。

4.据权利要求1或2所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的有机合成聚合物为大孔吸附树脂，离子交换树脂，接枝聚合物或β-环糊精聚合；凝胶材料为卡拉胶，聚乙烯醇，海藻酸钙凝胶，烯丙基葡聚糖树脂凝胶，微乳液凝胶或明胶；无机材料为硅胶，硅藻土，活性炭，CaCO₃粉末，蛋壳，二氧化钛，陶瓷拉西环或膨润土基多孔粘土材料。

5.根据权利要求1所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的（2）步骤中催化反应为酶催化反应，细胞催化反应或有机催化反应。

6.根据权利要求1所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的（3）步骤中产物为固定在载体上或在反应体系中，产物分离纯化可以采用洗脱、萃取、离交或蒸馏。

7.根据权利要求1或6所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的催化体系为无机催化体系如水溶液或有机催化体系如正己烷。

8.根据权利要求1所述的一种消除底物毒性的方法，其特征在于：所述的（4）步骤中的固定化载体的使用寿命为50-300个周期。