CN110423793B - 一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法 - Google Patents

一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物转化技术领域，具体公开一种2‑羟基‑3‑甲基‑3‑甲酰基丁酸的生物合成方法，其是以乙醛酸和异丁醛为原料，在产醛缩酶的复合微生物的催化下进行反应，制得2‑羟基‑3‑甲基‑3‑甲酰基丁酸，所述复合微生物为假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌的复合菌。本发明方法对乙醛酸和异丁醛的羟醛缩合反应具有较高的选择性，2‑羟基‑3‑甲基‑3‑甲酰基丁酸的产率可达75％以上。

Description

一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法
技术领域
本发明涉及生物转化领域，尤其涉及一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法。
背景技术
2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸是一种重要的医药化工原料，是制备酮基泛解酸内酯的关键中间体，同时还可以用作合成泛酸、泛酸钙的原料。目前2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸主要是由乙醛酸和异丁醛在有机碱的催化下进行羟醛缩合进行制备。该方法在碱性条件下反应，容易产生醛醛缩合等副反应，且过程中使用的有机碱用量大，约为原料异丁醛质量的1-8％，需要在后处理过程中进行回收，操作过程繁琐，成本较高，且属于危化品，不利于工业化的生产。另有文献报道采用L-脯氨酸可以催化丙酮和异丁醛的羟醛缩合反应，获得较高的收率和ee值，但应用于其他酮与醛后收率和选择性都显著降低。近年来研究趋向于通过醛缩酶来催化羟醛缩合，但是不同来源的醛缩酶所催化的具体缩合反应也有较大区别，目前尚未见催化异丁醛和乙醛酸羟醛缩合的醛缩酶的相关报导。
发明内容
针对现有技术中的以上问题，本发明提供一种高收率和高选择性的2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法。
为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法，其是以乙醛酸和异丁醛为原料，在产醛缩酶的复合微生物的催化下进行反应，制得2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸；所述复合微生物为假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌的复合菌。
本发明通过对产醛缩酶的微生物进行筛选，发现假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌组成的复合菌对乙醛酸和异丁醛的羟醛缩合反应具有较高的选择性，2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的产率可达75％以上。有研究认为，枯草芽孢杆菌中醛缩酶的含量并不高，本发明却意外发现，将其和假黄单胞菌、植物乳杆菌复合后，对乙醛酸和异丁醛缩合反应的催化能力大大提高。
优选地，所述复合微生物中假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌的活菌数比为1:0.5-1:0.1-0.2。该菌数比对乙醛酸和异丁醛的缩合反应具有更优的催化效果。
具体地，本发明2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法的步骤如下：在乙醛酸水溶液中，加入所述复合微生物，然后加入异丁醛进行缩合反应，反应结束后过滤除去所述复合微生物，得到2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸溶液。该方法在水体系中进行反应，减少有机溶剂的污染，反应结束后复合微生物催化剂通过过滤即可除去，操作简单，易于工业化应用。
优选地，所述乙醛酸水溶液中乙醛酸的浓度为50-650g/L，更优选的浓度为300-520g/L。优选的浓度既能够保证反应的充分进行，又能最大程度地提高生产效率。
优选地，所述复合微生物的用量为8-15g/L乙醛酸水溶液。本发明在较低的复合微生物用量下即可达到较高的产率。
优选地，所述缩合反应的条件为pH 1.5-8.5，15-40℃。该条件下有利于提高微生物的活性和反应速率。
优选地，所述乙醛酸与异丁醛的摩尔比为1:1-1.2。优选的原料比例在节约成本的前提下使反应充分进行。
优选地，所述异丁醛滴加至所述水溶液中，滴加时间为5-8h。异丁醛在水中的溶解性不高，采用滴加的方式既能使其与乙醛酸充分接触进行反应，又能减少副反应的发生，进一步保证目标产物的产率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例的复合微生物由假黄单胞菌CICC NO.22101、植物乳杆菌CGMCCNO.19087和枯草芽孢杆菌CICC NO.24434组成，上述三菌株的活菌数之比为1:1:0.2。将650g/L(8.8mol)的乙醛酸水溶液1L用碳酸钠溶液调节pH在7.5，升温至37-40℃，加入10g复合微生物，搅拌均匀后，缓慢滴加异丁醛639g(8.9mol)，过程控制物料pH在1.5-2.0之间，当pH降低时补加碳酸钠水溶液，当pH升高时补加10％稀硫酸，异丁醛在8h内滴加结束，然后反应2h，反应结束后过滤除去菌体，滤液中2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的含量为985g，产率76.7％。
实施例2
本实施例的复合微生物由假黄单胞菌CICC NO.22101、植物乳杆菌CGMCCNO.19087和枯草芽孢杆菌CICC NO.24434组成，上述三菌株的活菌数之比为1:0.5:0.1。将50g/L(0.68mol)的乙醛酸水溶液1L用碳酸钠溶液调节pH在7.5，升温至30-33℃，加入8g复合微生物，搅拌均匀后，缓慢滴加异丁醛49.5g(0.69mol)，过程控制物料pH在7.5-8.5之间，当pH降低时补加碳酸钠水溶液，当pH升高时补加10％稀硫酸，异丁醛在5h内滴加结束，然后反应1h，反应结束后过滤除去菌体，滤液中2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的含量为74.5g，产率75.0％。
实施例3
本实施例的复合微生物由假黄单胞菌CICC NO.22101、植物乳杆菌CGMCCNO.19087和枯草芽孢杆菌CICC NO.24434组成，上述三菌株的活菌数之比为1:1:0.1。将390g/L(5.3mol)的乙醛酸水溶液1L用碳酸钠溶液调节pH在6.5，升温至37-40℃，加入15g复合微生物，搅拌均匀后，缓慢滴加异丁醛383.5g(5.3mol)，过程控制物料pH在6.5-7.0之间，当pH降低时补加碳酸钠水溶液，当pH升高时补加10％稀硫酸，异丁醛在8h内滴加结束，然后反应1h，反应结束后过滤除去菌体，滤液中2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的含量为626g，产率80.9％。
实施例4
本实施例的复合微生物由假黄单胞菌CICC NO.22101、植物乳杆菌CGMCCNO.19087和枯草芽孢杆菌CICC NO.24434组成，上述三菌株的活菌数之比为1:1:0.1。将300g/L(4.1mol)的乙醛酸水溶液1L用碳酸钠溶液调节pH在6.5，升温至37-40℃，加入15g复合微生物，搅拌均匀后，缓慢滴加异丁醛295.2g(4.1mol)，过程控制物料pH在6.5-7.0之间，当pH降低时补加碳酸钠水溶液，当pH升高时补加10％稀硫酸，异丁醛在8h内滴加结束，然后反应1h，反应结束后过滤除去菌体，滤液中2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的含量为626g，产率82.3％。
实施例5
本实施例的复合微生物由假黄单胞菌CICC NO.22101、植物乳杆菌CGMCCNO.19087和枯草芽孢杆菌CICC NO.24434组成，上述三菌株的活菌数之比为1:1:0.1。将520g/L(7.0mol)的乙醛酸水溶液1L用碳酸钠溶液调节pH在6.5，升温至37-40℃，加入15g复合微生物，搅拌均匀后，缓慢滴加异丁醛504g(7.0mol)，过程控制物料pH在6.5-7.0之间，当pH降低时补加碳酸钠水溶液，当pH升高时补加10％稀硫酸，异丁醛在8h内滴加结束，然后反应1h，反应结束后过滤除去菌体，滤液中2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的含量为626g，产率81.5％。
实施例6
本实施例采用的复合微生物由假黄单胞菌CGMCC NO.110978、植物乳杆菌CGMCCNO.112974和枯草芽孢杆菌CGMCC NO.112939组成，上述三菌株的活菌数之比为1:1:0.1。其余条件与实施例3相同，2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的产率为77.3％。
对比例1
将实施例3中枯草芽孢杆菌省略，其余与实施例3相同，2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的产率为38.6％。
对比例2
将实施例3中的假黄单胞菌CGMCC NO.110978替换为黄杆菌CICC NO.10651，其余与实施例3相同，2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的产率为59.2％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸的生物合成方法，其特征在于，以乙醛酸和异丁醛为原料，在产醛缩酶的复合微生物的催化下进行反应，制得2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸；所述复合微生物为假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌的复合菌，其中所述假黄单胞菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌的活菌数比为1:0.5-1:0.1-0.2。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其步骤如下：在乙醛酸水溶液中，加入所述复合微生物，然后加入异丁醛进行缩合反应，反应结束后过滤除去所述复合微生物，得到2-羟基-3-甲基-3-甲酰基丁酸溶液。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述乙醛酸水溶液中乙醛酸的浓度为50-650g/L。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述乙醛酸水溶液中乙醛酸的浓度为300-520g/L。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合微生物的用量为每升乙醛酸水溶液中加8-15g。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述缩合反应的条件为pH 1.5-8.5，15-40℃。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述乙醛酸与异丁醛的摩尔比为1:1-1.2。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述异丁醛滴加至所述水溶液中，滴加时间为5-8h。
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