JP2014160024A - Enzyme modified electrode, manufacturing method of enzyme modified electrode, electrochemical reaction device using the same, and manufacturing method of chemical substance using the same - Google Patents

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良友 柏木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an enzyme modified electrode capable of reproducing coenzyme by a simple method and easily purifying a specified substance, and to provide a novel substance measurement sensor capable of performing a quantitative measurement of a target substance at high sensitivity.SOLUTION: An enzyme modified electrode is formed by fixing enzyme, coenzyme, and an electron transport mediator which mediates an electron transport between a conductor and the coenzyme on the conductor by covalent bonding respectively through a high molecular compound having an amino group and a high molecular compound having a carboxy group. The content per unit area of the electron transport mediator is 10 nmol/cmor higher. An oxidation-reduction reaction of a chemical substance is executed using the enzyme modified electrode.

Description

本発明は酵素修飾電極、該酵素修飾電極の製造方法、およびこれを用いた電気化学反応装置、並びに該電気化学反応装置を使用した化学物質の製造方法に関し、特に前記酵素修飾電極を用いた電気化学反応装置によって光学活性を有する化学物質を製造する方法に関する。   The present invention relates to an enzyme-modified electrode, a method for producing the enzyme-modified electrode, an electrochemical reaction device using the same, and a method for producing a chemical substance using the electrochemical reaction device. The present invention relates to a method for producing a chemical substance having optical activity by a chemical reaction apparatus.

種々の光学活性を有する化学物質が医薬品や農薬などの原料として使用されている。酵素は立体特異的に酸化還元反応を触媒することから光学活性を有する化学物質の合成には非常に適した生体触媒である。いくつかの重要な光学活性医薬中間体が酵素反応を利用して製造されている。酵素により触媒される酸化還元反応には基質との間で直接電子や水素イオンの授受を行う補酵素と呼ばれる化学物質が必要である。反応を持続させるためには基質量に見合った量の補酵素が必要であるが、一般的に補酵素は高価であるため目的物質を大量に製造する際にはコスト的に不利である。この課題を解決するために、目的の反応と同時に補酵素の再生反応が進行するように全体の反応が設計される(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。   Chemical substances having various optical activities are used as raw materials for pharmaceuticals and agricultural chemicals. Enzymes are highly suitable biocatalysts for the synthesis of optically active chemical substances because they catalyze redox reactions stereospecifically. Several important optically active pharmaceutical intermediates are produced using enzymatic reactions. A redox reaction catalyzed by an enzyme requires a chemical substance called a coenzyme that directly transfers electrons and hydrogen ions to and from a substrate. In order to maintain the reaction, an amount of coenzyme corresponding to the base mass is necessary. However, since the coenzyme is generally expensive, it is disadvantageous in cost when producing a large amount of the target substance. In order to solve this problem, the entire reaction is designed so that the coenzyme regeneration reaction proceeds simultaneously with the target reaction (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

すなわち、目的物質の還元(酸化)によって酸化(還元)された補酵素は、同じ反応系中に組み込まれた別の酸化還元酵素によって酸化(還元)反応に使用されることにより元の状態に再生される。酵素による還元反応の場合、補酵素再生反応にはグルコースオキシダーゼによりグルコースを酸化してグルクロン酸を生成する反応、またはギ酸デヒドロゲナーゼによりギ酸を酸化してホルムアルデヒドを生成する反応が利用される。これらの反応の際、酸化型補酵素は、グルコース、またはギ酸から電子とプロトンを受け取り還元型補酵素に還元される。しかしながらこの方法では目的の反応に必要とされる酵素の他に補酵素再生に必要とされる酵素および基質を投入する必要があるため反応系が複雑になる、コストが嵩むという欠点がある。また、酵素活性の不安定性や再利用ができないためにコストが嵩むという課題も残る。さらに反応終了後の系内には目的物質の他に目的の反応に使用された酵素、補酵素、補酵素再生に使用された酵素、基質、補酵素再生反応によって生成した生成物が混在するため目的物質の精製の点からも不利である。   That is, a coenzyme oxidized (reduced) by reduction (oxidation) of the target substance is regenerated to its original state by being used for the oxidation (reduction) reaction by another oxidoreductase incorporated in the same reaction system. Is done. In the case of an enzyme reduction reaction, a coenzyme regeneration reaction uses a reaction in which glucose is oxidized with glucose oxidase to produce glucuronic acid, or a reaction in which formic acid is oxidized with formate dehydrogenase to formaldehyde. In these reactions, the oxidized coenzyme receives electrons and protons from glucose or formic acid and is reduced to a reduced coenzyme. However, this method has the disadvantages that the reaction system becomes complicated and the cost increases because it is necessary to introduce the enzyme and substrate required for coenzyme regeneration in addition to the enzyme required for the target reaction. In addition, there remains a problem that the cost is increased because the instability of enzyme activity and the inability to reuse the enzyme activity. Furthermore, in the system after the completion of the reaction, the enzyme used for the target reaction, the coenzyme, the enzyme used for the coenzyme regeneration, the substrate, and the products produced by the coenzyme regeneration reaction are mixed in addition to the target substance. It is also disadvantageous in terms of purification of the target substance.

一方、目的の反応を触媒する酵素遺伝子と補酵素再生反応に必要とされる酵素遺伝子とを菌体に組み込み、その菌体を用いた反応により目的物質を製造する方法がある(例えば特許文献3参照。)。この方法では目的物質の精製の点からは上記酵素反応よりも有利であるが補酵素再生系の基質と生成物が反応系中に目的物質と混在する点は変わらない。また、菌体反応全般の課題であるが、反応基質および目的生成物の菌体膜透過性の問題や菌体内にもともと存在する酵素による好ましくない反応で生じる副生物の生成を抑制する必要が生じるという問題がある。   On the other hand, there is a method in which an enzyme gene that catalyzes a target reaction and an enzyme gene required for a coenzyme regeneration reaction are incorporated into a microbial cell and a target substance is produced by a reaction using the microbial cell (for example, Patent Document 3). reference.). This method is more advantageous than the above enzyme reaction from the viewpoint of purification of the target substance, but the coenzyme regeneration system substrate and product are not mixed with the target substance in the reaction system. In addition, although it is a general issue of bacterial cell reaction, it is necessary to suppress the problem of cell membrane permeability of the reaction substrate and target product and the generation of by-products caused by undesired reactions due to enzymes originally present in the bacterial cell. There is a problem.

また、酵素を用いた酸化還元反応による化合物製造において、電極と補酵素間での電子の授受を触媒する化学物質を用いて間接的電気化学反応により補酵素の再生を行う方法も開示されている(例えば特許文献4参照。)。この場合、目的の反応によって生成した酸化型補酵素は触媒を介して電極から電子を受け取ることによって元の還元状態の補酵素に再生される。そのためこの方法によれば補酵素再生に必要とされる酵素と基質が必要ないので反応系が単純化される。しかしながらここで開示された方法では目的の反応に使用された酵素、補酵素および補酵素再生のための触媒が反応溶液中に混在するため生成物の精製の点について課題が残る。   Also disclosed is a method of regenerating a coenzyme by an indirect electrochemical reaction using a chemical substance that catalyzes the transfer of electrons between the electrode and the coenzyme in the production of a compound by an oxidation-reduction reaction using an enzyme. (For example, refer to Patent Document 4). In this case, the oxidized coenzyme produced by the target reaction is regenerated to the original reduced coenzyme by receiving electrons from the electrode via the catalyst. Therefore, according to this method, the enzyme and the substrate required for coenzyme regeneration are not required, so that the reaction system is simplified. However, in the method disclosed here, since the enzyme used for the target reaction, the coenzyme, and the catalyst for coenzyme regeneration are mixed in the reaction solution, there remains a problem in terms of purification of the product.

特許文献5では補酵素再生を目的として、電解重合によりアミノ基を有する重合物層を炭素板上に形成し、そのアミノ基を介して電子伝達メディエーターを固定した電極、および前記電子伝達メディエーターが固定された電極にさらに補酵素および/または補酵素を再生するための酸化還元酵素を固定した電極が開示されている。これらの電極はもっぱら補酵素再生反応に特化した電極であるため、光学活性を有する化学物質を合成する場合には別途反応系中に目的の反応を触媒する酵素を添加しなければならない。そのためこの手法では目的酵素の再利用、活性の安定性、目的物質の精製について課題が残る。   In Patent Document 5, for the purpose of coenzyme regeneration, a polymer layer having an amino group is formed on a carbon plate by electrolytic polymerization, and an electron transfer mediator is fixed via the amino group, and the electron transfer mediator is fixed. An electrode is further disclosed in which a coenzyme and / or an oxidoreductase for regenerating the coenzyme is immobilized on the formed electrode. Since these electrodes are exclusively electrodes for the coenzyme regeneration reaction, when synthesizing a chemical substance having optical activity, an enzyme that catalyzes the target reaction must be separately added to the reaction system. For this reason, this technique still has problems regarding reuse of the target enzyme, stability of activity, and purification of the target substance.

特許第4426437号公報Japanese Patent No. 4426437 特開2002−233395号公報JP 2002-233395 A 特開2004−159587号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-1559587 特表2003−533208号公報Special table 2003-533208 gazette 特開平06−153904号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-153904

酵素を用いた化学物質の合成反応は基質特異的、部位特異的、立体特異的であるため非常に有用であるものの補酵素が高価であるため、化学物質を大量に生産する場合にはコスト的に不利である。この問題を解決するために、目的の反応と補酵素再生反応とを組み合わせる方法や、目的酵素遺伝子と、補酵素再生反応を触媒する遺伝子を組み込んだ微生物を用いる方法が開発されている。これらの方法は補酵素を再生しながら目的の反応を行うことができるため経済的であるが、補酵素再生反応に必要な基質が必要である、目的物質の精製が煩雑になる、副生物が生成するなどの問題がある。そのため補酵素を単純な方法で再生し、且つ目的物質を容易に精製できる方法の確立が望まれる。   Chemical synthesis reactions using enzymes are very useful because they are substrate-specific, site-specific, and stereospecific. However, coenzymes are expensive, so they are expensive when producing large quantities of chemicals. Disadvantageous. In order to solve this problem, a method of combining a target reaction and a coenzyme regeneration reaction and a method using a microorganism incorporating a target enzyme gene and a gene that catalyzes the coenzyme regeneration reaction have been developed. These methods are economical because the target reaction can be performed while regenerating the coenzyme, but the substrate necessary for the coenzyme regeneration reaction is necessary, the purification of the target substance becomes complicated, and the by-product is There are problems such as generating. Therefore, it is desired to establish a method for regenerating the coenzyme by a simple method and easily purifying the target substance.

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、目的の化学物質の製造に必要な酵素、前記酵素に対応する補酵素、補酵素再生に必要となる酵素、および電子伝達メディエーターがそれぞれ導電体に固定された酵素修飾電極であって、電子伝達メディエーターが一定量以上含有された酵素修飾電極とすることで、低過電圧で高選択性の反応を触媒可能な電極が作製可能となり、さらに酵素、補酵素、電子伝達メディエーターの有効利用、電極外への漏出防止、および電極の連続使用・長期使用が可能になることを見出し、本願発明を完成させた。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, an enzyme-modified electrode in which an enzyme necessary for producing a target chemical substance, a coenzyme corresponding to the enzyme, an enzyme necessary for coenzyme regeneration, and an electron transfer mediator are fixed to a conductor, By using an enzyme-modified electrode containing a certain amount or more of an electron transfer mediator, it becomes possible to produce an electrode that can catalyze a highly selective reaction with a low overvoltage. In addition, effective use of enzymes, coenzymes, electron transfer mediators, and electrodes The present invention has been completed by finding out that leakage to the outside can be prevented and that the electrode can be used continuously and for a long time.

即ち、本発明は下記の構成を有する。
[1]アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1、酵素2および導電体を含む酵素修飾電極であって、前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、前記電子伝達メディエーターが共有結合により固定された前記アミノ基を有する高分子化合物が、前記導電体の表面の少なくとも一部を被覆して、第1の被覆層を形成しており、前記カルボキシ基を有する高分子化合物が、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部を被覆して、第2の被覆層を形成しており、前記カルボキシ基を有する高分子化合物に、前記酵素1、前記補酵素および前記酵素2が共有結合により固定されており、前記電子伝達メディエーターの単位面積当たりの含有量が、10nmol/cm以上である、酵素修飾電極。
[2]前記酵素1および前記酵素2のうちの少なくとも1つの酵素が、前記第1の被覆層の表面または前記第2の被覆層の層内に共有結合により固定されている、前記[1]に記載の酵素修飾電極。
[3]前記酵素2が酸化還元反応を触媒する酵素である前記[1]または[2]に記載の酵素修飾電極。
[4]前記アミノ基を有する高分子化合物が、ポリアリルアミンであり、前記カルボキシ基を有する高分子化合物が、ポリアクリル酸であり、前記電子伝達メディエーターが、ピロロキノリンキノンであり、前記補酵素が、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸であり、前記酵素1が、ジアホラーゼであり、前記酵素2が、ギ酸デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼまたはアルデヒドデヒドロゲナーゼのうち少なくとも一種を含む酵素であり、前記導電体が、グラファイトフェルトである前記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の酵素修飾電極。
[5]導電体に、アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1および酵素2を固定してなる酵素修飾電極の製造方法であって、前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、前記電子伝達メディエーターと縮合剤との反応液に前記アミノ基を有する高分子化合物を混合させた溶液に前記導電体を浸漬して、前記導電体の表面の少なくとも一部に第1の被覆層を形成する工程、次いで、前記カルボキシ基を有する高分子化合物を含有する溶液に浸漬して、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部に第2の被覆層を形成する工程、前記第2の被覆層に、前記酵素1、前記補酵素および前記酵素2を順次固定する工程を含む、酵素修飾電極の製造方法。
[6]導電体に、アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1および酵素2を固定してなる酵素修飾電極の製造方法であって、前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、前記電子伝達メディエーターと縮合剤との反応液に前記アミノ基を有する高分子化合物を混合させた溶液に前記導電体を浸漬して、前記導電体の表面の少なくとも一部に第1の被覆層を形成する工程、前記第1の被覆層に前記酵素1を固定する工程、前記カルボキシ基を有する高分子化合物を含有する溶液に、前記酵素1が固定した前記第1の被覆層が形成された導電体を浸漬して、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部に第2の被覆層を形成する工程、前記第2の被覆層に、前記補酵素および前記酵素2を順次固定する工程を含む、酵素修飾電極の製造方法。
[7]前記補酵素で修飾された前記酵素2を、前記第2の被覆層に固定する、前記[5]または[6]に記載の酵素修飾電極の製造方法。
[8]酸化還元酵素を触媒とする電気的酵素反応を連続的または非連続的に行うための電気化学反応装置であり、反応槽内に、少なくとも一方が前記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の酵素修飾電極である一対の電極と、電解質を含む溶媒と、基質とを含む電気化学反応装置。
[9]前記[8]に記載の電気化学反応装置を用いて、酸化反応または還元反応によって化学物質を製造する製造方法。
That is, the present invention has the following configuration.
[1] A polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, an enzyme 1, an enzyme 2, and an enzyme-modified electrode comprising a conductor, wherein the enzyme 1 is the electron transfer An enzyme that catalyzes electron transfer between a mediator and the coenzyme, wherein the enzyme 2 is an enzyme or enzyme group that catalyzes a target reaction, and the coenzyme is a coenzyme for the enzyme 2, The polymer compound having the amino group to which the electron transfer mediator is fixed by a covalent bond covers at least a part of the surface of the conductor to form a first coating layer, and has the carboxy group A polymer compound coats at least a part of the surface of the first coating layer to form a second coating layer, and the polymer compound having a carboxy group includes Enzyme 1, wherein the coenzyme and the enzyme 2 is fixed by a covalent bond, the content per unit area of the electron transfer mediator is 10 nmol / cm 2 or more, the enzyme modified electrode.
[2] At least one of the enzyme 1 and the enzyme 2 is covalently fixed on the surface of the first coating layer or in the layer of the second coating layer, [1] The enzyme-modified electrode according to 1.
[3] The enzyme-modified electrode according to [1] or [2], wherein the enzyme 2 is an enzyme that catalyzes a redox reaction.
[4] The polymer compound having an amino group is polyallylamine, the polymer compound having a carboxy group is polyacrylic acid, the electron transfer mediator is pyrroloquinoline quinone, and the coenzyme is Nicotinamide adenine dinucleotide or nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, the enzyme 1 is diaphorase, the enzyme 2 is an enzyme containing at least one of formate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase or aldehyde dehydrogenase, The enzyme-modified electrode according to any one of [1] to [3], wherein the conductor is graphite felt.
[5] A method for producing an enzyme-modified electrode in which a polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, enzyme 1 and enzyme 2 are immobilized on a conductor, The enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between the electron transfer mediator and the coenzyme, the enzyme 2 is an enzyme or a group of enzymes that catalyzes a target reaction, and the coenzyme is the enzyme 2 The conductor is immersed in a solution obtained by mixing the polymer compound having the amino group in a reaction solution of the electron transfer mediator and the condensing agent, and is applied to at least a part of the surface of the conductor. Forming a first coating layer, and then dipping in a solution containing the polymer compound having a carboxy group to form a second coating on at least a part of the surface of the first coating layer Forming, said the second coating layer, wherein the enzyme 1, comprising the step of sequentially securing the coenzyme and the enzyme 2, the manufacturing method of the enzyme modified electrode.
[6] A method for producing an enzyme-modified electrode in which a polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, enzyme 1 and enzyme 2 are immobilized on a conductor, The enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between the electron transfer mediator and the coenzyme, the enzyme 2 is an enzyme or a group of enzymes that catalyzes a target reaction, and the coenzyme is the enzyme 2 The conductor is immersed in a solution obtained by mixing the polymer compound having the amino group in a reaction solution of the electron transfer mediator and the condensing agent, and is applied to at least a part of the surface of the conductor. A step of forming a first coating layer, a step of fixing the enzyme 1 to the first coating layer, before the enzyme 1 is fixed in a solution containing the polymer compound having a carboxy group A step of immersing the conductor on which the first coating layer is formed to form a second coating layer on at least a part of the surface of the first coating layer; and the coenzyme in the second coating layer And a method for producing an enzyme-modified electrode, comprising the step of sequentially fixing the enzyme 2.
[7] The method for producing an enzyme-modified electrode according to [5] or [6], wherein the enzyme 2 modified with the coenzyme is fixed to the second coating layer.
[8] An electrochemical reaction apparatus for continuously or discontinuously performing an electroenzymatic reaction using an oxidoreductase as a catalyst, and at least one of the above-described [1] to [4] An electrochemical reaction device comprising a pair of electrodes that are enzyme-modified electrodes according to claim 1, a solvent containing an electrolyte, and a substrate.
[9] A production method for producing a chemical substance by an oxidation reaction or a reduction reaction using the electrochemical reaction device according to [8].

本発明の酵素修飾電極を用いることで、従来の酵素的手法を用いて化学物質を製造する場合に比べて、単純な反応系で、かつ低コストで反応させることができ、さらに、その反応速度をより速め、かつより高い電流効率で反応させることができる。また、反応に係る成分がすべて電極に固定されているため反応系からの目的物質の精製が容易となる。特に、生体触媒を用いたケトン類の不斉還元反応が単純な反応系で、かつ低コストで行うことができる。   By using the enzyme-modified electrode of the present invention, the reaction can be carried out with a simple reaction system and at a low cost as compared with the case where a chemical substance is produced using a conventional enzymatic method. Can be made to react more quickly and with higher current efficiency. Moreover, since all the components related to the reaction are fixed to the electrode, the target substance from the reaction system can be easily purified. In particular, the asymmetric reduction reaction of ketones using a biocatalyst can be performed with a simple reaction system and at low cost.

本発明の酵素修飾電極によれば、酵素による触媒作用と電源から供給される電子によって化学物質が酸化または還元される。この反応は酵素反応であるため穏和な条件で進行し、目的反応、および補酵素再生反応に必要な全ての物質が電極に固定されているため電流効率が高い。すなわち投入された電子のほとんどが、補酵素の再生を介して化学物質を酸化又は還元して生成物を生成する反応に消費される。   According to the enzyme-modified electrode of the present invention, the chemical substance is oxidized or reduced by the catalytic action of the enzyme and the electrons supplied from the power source. Since this reaction is an enzyme reaction, it proceeds under mild conditions, and since all substances necessary for the target reaction and the coenzyme regeneration reaction are immobilized on the electrode, the current efficiency is high. That is, most of the input electrons are consumed in a reaction that generates a product by oxidizing or reducing a chemical substance through regeneration of the coenzyme.

本発明の酵素修飾電極と、それを用いた電気化学反応装置によれば、カルボン酸類から対応するアルデヒド類またはアルコール類を、アルデヒド類および/またはケトン類から対応するアルコール類を穏和な条件で効率的に製造することができる。また、アルコール類からは対応するアルデヒド類またはカルボン酸類を、アルデヒド類からは対応するカルボン酸類を穏和な条件で効率的に製造することができる。さらに、この方法で製造されるアルコール類および/またはアルデヒド類は、酵素を触媒としているため、立体特異性を有した状態で製造することができる。同様に本発明の酵素修飾電極と、それを用いた電気化学反応装置によれば、二酸化炭素を還元してメタノールのみならず、ホルムアルデヒド、またはギ酸の製造が、メタノールを酸化してホルムアミド、またはギ酸、または二酸化炭素を、ホルムアルデヒドを酸化してギ酸、または二酸化炭素を、ギ酸を酸化して二酸化炭素を製造することが可能である。   According to the enzyme-modified electrode of the present invention and the electrochemical reaction apparatus using the same, the corresponding aldehydes or alcohols from the carboxylic acids and the corresponding alcohols from the aldehydes and / or ketones are efficient under mild conditions. Can be manufactured automatically. Moreover, the corresponding aldehydes or carboxylic acids can be efficiently produced from the alcohols, and the corresponding carboxylic acids can be efficiently produced from the aldehydes under mild conditions. Furthermore, the alcohols and / or aldehydes produced by this method can be produced in a state having stereospecificity because they use enzymes as catalysts. Similarly, according to the enzyme-modified electrode of the present invention and the electrochemical reaction device using the same, not only methanol but also formaldehyde or formic acid can be produced by reducing carbon dioxide, and formamide or formic acid can be obtained by oxidizing methanol. Alternatively, carbon dioxide, formaldehyde can be oxidized to formic acid or carbon dioxide, and formic acid can be oxidized to produce carbon dioxide.

比較例1のピロロキノリンキノン修飾グラファイトフェルト電極1のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result by the cyclic voltammetry of the pyrroloquinoline quinone modification graphite felt electrode 1 of the comparative example 1. 実施例1のピロロキノリンキノン修飾グラファイトフェルト電極2のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result by the cyclic voltammetry of the pyrroloquinoline quinone modification graphite felt electrode 2 of Example 1. FIG. 実施例2、3および比較例2の電極を用いたメタノール生産におけるガスクロマトグラフィーおよび高速液体クロマトグラフィーの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the gas chromatography and the high performance liquid chromatography in methanol production using the electrode of Examples 2, 3 and Comparative Example 2. 種々の基質濃度における実施例3の電極のサイクリックボルタンメトリーによる測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result by the cyclic voltammetry of the electrode of Example 3 in various substrate concentration. 実施例3、4の電極を用いたメタノール生産におけるガスクロマトグラフィーおよび高速液体クロマトグラフィーの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the gas chromatography in a methanol production using the electrode of Example 3, 4 and a high performance liquid chromatography. 比較例3の電極を用いたメタノール生産におけるガスクロマトグラフィーおよび高速液体クロマトグラフィーの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the gas chromatography in a methanol production using the electrode of the comparative example 3, and a high performance liquid chromatography. 実施例5の電極を用いたメタノール生産におけるガスクロマトグラフィーおよび高速液体クロマトグラフィーの測定結果を示す図である。6 is a diagram showing measurement results of gas chromatography and high performance liquid chromatography in methanol production using the electrode of Example 5. FIG. 実施例6の電極を用いたメタノール生産におけるガスクロマトグラフィーおよび高速液体クロマトグラフィーの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the gas chromatography in a methanol production using the electrode of Example 6, and a high performance liquid chromatography.

(酵素修飾電極)
本発明の酵素修飾電極は、アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1、酵素2が、導電体に固定されている。アミノ基を有する高分子化合物およびカルボキシ基を有する高分子化合物は、電荷を有する高分子化合物である。電子伝達メディエーターは、導電体と補酵素との間の電子伝達を仲介する機能を有する化合物である。酵素1は電子伝達メディエーターと補酵素との電子伝達を触媒する酵素である。酵素2は目的の反応を触媒する酵素、または酵素群である。導電体は、繊維状の導電性物質からなるフェルトであり、アミノ基を有する高分子化合物が、導電体の表面の少なくとも一部を被覆して、第1の被覆層を形成しており、第1の被覆層上に電子伝達メディエーターが、共有結合により固定されており、さらにカルボキシ基を有する高分子化合物が、電子伝達メディエーターおよび第1の被覆層の表面の少なくとも一部を被覆して、第2の被覆層を形成しており、第2の被覆層上に補酵素および酵素が、共有結合により固定されてなる。
(Enzyme modified electrode)
In the enzyme-modified electrode of the present invention, a polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, an enzyme 1, and an enzyme 2 are fixed to a conductor. The polymer compound having an amino group and the polymer compound having a carboxy group are charged polymer compounds. An electron transfer mediator is a compound having a function of mediating electron transfer between a conductor and a coenzyme. Enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between an electron transfer mediator and a coenzyme. Enzyme 2 is an enzyme or enzyme group that catalyzes the target reaction. The conductor is a felt made of a fibrous conductive material, and a polymer compound having an amino group covers at least a part of the surface of the conductor to form a first coating layer, An electron transfer mediator is fixed on one coating layer by a covalent bond, and a polymer compound having a carboxy group covers at least a part of the surfaces of the electron transfer mediator and the first coating layer, Two coating layers are formed, and a coenzyme and an enzyme are immobilized on the second coating layer by a covalent bond.

本発明の酵素修飾電極は、電子伝達メディエーターの単位面積当たりの含有量が、10nmol/cm以上である。酵素修飾電極における電子伝達メディエーターの単位面積当たりの含有量は、10〜50nmol/cmであることが好ましく、15〜30nmol/cmであることがより好ましい。電子伝達メディエーターの含有量が20nmol/cm以上であれば、電子の移動が可逆的に進行するため好ましい。 In the enzyme-modified electrode of the present invention, the content per unit area of the electron transfer mediator is 10 nmol / cm 2 or more. Content per unit area of the electron transfer mediator in the enzyme modified electrode is preferably 10~50nmol / cm 2, more preferably 15~30nmol / cm 2. If the content of the electron transfer mediator is 20 nmol / cm 2 or more, it is preferable because electron transfer proceeds reversibly.

また、本発明の酵素修飾電極は、サイクリックボルタンメトリー(CV)で測定した際の電極反応挙動について、還元電位と、還元反応を起こした後に再度酸化させた際の電位(以下、「再酸化電位」という。)との差が0.04〜0.2Vであることが好ましい。還元電位と再酸化電位との差は酵素修飾電極の抵抗の大きさを表し、その差が小さければ小さいほど電子移動速度が速いということがわかる。還元電位と再酸化電位との差が0.2V以下であれば、準可逆的に電子移動が進行するため好ましく、0.059V以下であれば、可逆的に電子移動が進行するためより好ましい。そして、還元電位と再酸化電位との差が0.04V以上であると、多層構造的な固定様式であることが示されることとなるため好ましい。また、還元電位と再酸化電位との差は、0.04〜0.1Vがより好ましく、0.05〜0.07Vがさらに好ましく、0.05〜0.059Vが最も好ましい。   In addition, the enzyme-modified electrode of the present invention has a reduction potential and a potential when it is oxidized again after the reduction reaction (hereinafter referred to as “reoxidation potential”) in terms of electrode reaction behavior when measured by cyclic voltammetry (CV). It is preferable that it is 0.04-0.2V. The difference between the reduction potential and the reoxidation potential represents the magnitude of the resistance of the enzyme-modified electrode. It can be seen that the smaller the difference, the faster the electron transfer rate. If the difference between the reduction potential and the reoxidation potential is 0.2 V or less, it is preferable because electron transfer proceeds quasi-reversibly, and if it is 0.059 V or less, it is more preferable because electron transfer proceeds reversibly. And it is preferable for the difference between the reduction potential and the reoxidation potential to be 0.04 V or more, since this indicates that the multi-layer structure is fixed. The difference between the reduction potential and the reoxidation potential is more preferably 0.04 to 0.1 V, further preferably 0.05 to 0.07 V, and most preferably 0.05 to 0.059 V.

(導電体)
本発明で用いられる導電体は、導電性物質からなるフェルトである。導電体は、酵素修飾電極の使用に際して、外部回路と電気的に接続されることにより、電子の授受をするものであればいずれの材料でもよく、例えば、グラッシーカーボン等が挙げられる。特に、比表面積の大きさの観点から、グラファイトからなるフェルト(以下、グラファイトフェルトということがある。)が好ましい。
(conductor)
The conductor used in the present invention is a felt made of a conductive material. The conductor may be any material as long as it is capable of transferring electrons by being electrically connected to an external circuit when the enzyme-modified electrode is used. Examples thereof include glassy carbon. In particular, from the viewpoint of the size of the specific surface area, a felt made of graphite (hereinafter sometimes referred to as graphite felt) is preferable.

(酵素および補酵素)
本発明で用いられる酵素1は電子伝達メディエーターと補酵素の間の酸化還元反応を触媒する酵素であり、酵素2は、酸化還元反応を触媒する酵素であり、補酵素は、前記酸化還元反応を触媒する酵素2に対応するものであればよく、製造を目的とする化学物質の反応系により、適宜選択することができる。例えば、酵素1としてジアホラーゼ等を挙げることができ、酵素2としてギ酸デヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ等の酵素番号(EC)第1群に分類される酵素を挙げることができ、補酵素としてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、フラビンアデニンジヌクレオチド、フラビンモノヌクレオチド、チアミン二リン酸、ビタミンB6類、パントテン酸、ビオチン、葉酸、ビタミンB12類、ピロロキノリンキノン、トパキノン、トリプトファン−トリプトフィルキノン、リシンチロシルキノン、システニル−トリプトファンキノン等の補酵素を挙げることができ、製造する目的の化合物に応じてこれらを適宜組み合わせて用いることができる。
(Enzymes and coenzymes)
The enzyme 1 used in the present invention is an enzyme that catalyzes the redox reaction between the electron transfer mediator and the coenzyme, the enzyme 2 is an enzyme that catalyzes the redox reaction, and the coenzyme performs the redox reaction. Any substance may be used as long as it corresponds to the enzyme 2 to be catalyzed, and can be appropriately selected depending on the reaction system of the chemical substance to be produced. For example, enzyme 1 can include diaphorase and the like, enzyme 2 can include enzymes classified in enzyme number (EC) group 1 such as formate dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, alcohol dehydrogenase and the like, and nicotinamide as a coenzyme Adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, flavin adenine dinucleotide, flavin mononucleotide, thiamine diphosphate, vitamin B6, pantothenic acid, biotin, folic acid, vitamin B12, pyrroloquinoline quinone, topaquinone, tryptophan-triple Examples include coenzymes such as tofil quinone, lysine tyrosyl quinone, cystenyl-tryptophan quinone and the like, and these can be used in appropriate combination depending on the intended compound to be produced.

(電子伝達メディエーター)
本発明で用いられる電子伝達メディエーターは、導電体と補酵素との間の電子伝達を仲介するものであればいずれでもよく、例えば、フェロセン、フェリシアン化カリウム、フェリシアン化リチウム、フェリシアン化ナトリウム、フェナジンメトサルフェート、p−ベンゾキノン、2,6−ジクロロフェノールインドフェノール、メチレンブルー、β−ナフトキノン−4−スルホン酸カリウム、フェナジンエトサルフェート、ビタミンK、ビオローゲン、ピロロキノリンキノン等を挙げることができる。
(Electronic transfer mediator)
The electron transfer mediator used in the present invention may be any as long as it mediates electron transfer between the conductor and the coenzyme. For example, ferrocene, potassium ferricyanide, lithium ferricyanide, sodium ferricyanide, phenazine Examples include methosulfate, p-benzoquinone, 2,6-dichlorophenolindophenol, methylene blue, potassium β-naphthoquinone-4-sulfonate, phenazine etsulfate, vitamin K, viologen, pyrroloquinoline quinone, and the like.

(アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物)
アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物としては、それぞれポリアリルアミン、ポリアクリル酸等が挙げられる。高分子化合物として電荷を有しない高分子化合物を使用した場合、アミノ基を有する高分子化合物およびカルボキシ基を有する高分子化合物に、電子伝達メディエーター、酵素、補酵素を共有結合で固定することができない。そのため、アミノ基を有する高分子化合物およびカルボキシ基を有する高分子化合物は、電荷を有する高分子化合物を用いる必要がある。この場合、カルボキシ基を有する高分子化合物として、水中においてアミノ基を有する高分子化合物と同じ電荷を有する高分子化合物、または水中においてアミノ基を有する高分子化合物と対の電荷を有する高分子化合物を使用することができる。カルボキシ基を有する高分子化合物として、水中においてアミノ基を有する高分子化合物と同じ電荷を有する高分子化合物を使用する場合に比べ、水中においてアミノ基を有する高分子化合物と対の電荷を有する高分子化合物を使用する方が、両高分子化合物間に働く静電相互作用により、カルボキシ基を有する高分子化合物がアミノ基を有する高分子化合物の表面により安定的に被覆されるため好ましい。
(Polymer compound having amino group, polymer compound having carboxy group)
Examples of the polymer compound having an amino group and the polymer compound having a carboxy group include polyallylamine and polyacrylic acid. When a polymer compound having no charge is used as the polymer compound, the electron transfer mediator, enzyme, and coenzyme cannot be covalently immobilized to the polymer compound having an amino group and the polymer compound having a carboxy group. . Therefore, it is necessary to use a polymer compound having a charge as the polymer compound having an amino group and the polymer compound having a carboxy group. In this case, as the polymer compound having a carboxy group, a polymer compound having the same charge as the polymer compound having an amino group in water, or a polymer compound having a charge paired with the polymer compound having an amino group in water is used. Can be used. Compared to the case where a polymer compound having the same charge as a polymer compound having an amino group in water is used as the polymer compound having a carboxy group, the polymer having a charge paired with the polymer compound having an amino group in water It is preferable to use a compound because the polymer compound having a carboxy group is stably coated on the surface of the polymer compound having an amino group by electrostatic interaction between the two polymer compounds.

酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターと、これらのアミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物が有する反応性官能基とを共有結合させるには、例えば、アミノ基とカルボキシ基を脱水縮合するための縮合剤(例えば、水溶性カルボジイミド等)等を用いることが好ましい。   In order to covalently bond an enzyme, a coenzyme and an electron transfer mediator to a reactive functional group of a polymer compound having an amino group or a polymer compound having a carboxy group, for example, the amino group and the carboxy group are dehydrated. It is preferable to use a condensing agent for condensation (for example, water-soluble carbodiimide).

酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターをそれぞれ共有結合によりアミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物を介して導電体に固定させる方法としては、特に限定的ではないが、例えば、導電体を、酵素、補酵素、電子伝達メディエーター、上記官能基を有する高分子化合物及び縮合剤を含有する溶液に浸漬させて、あるいは、該溶液を導電体に塗布、スプレー等した後、乾燥させることにより、酵素、補酵素及び導電体が共有結合した高分子化合物により被覆された導電体を得ることができる。上記の酵素、補酵素及び電子伝達メディエーターの固定は、一段階で行ってもよいし、二段階以上に分けて、例えば、アミノ基を有する高分子化合物を介して、導電体に電子伝達メディエーターを固定した後、該被覆したアミノ基を有する高分子化合物上に酵素1及び補酵素、酵素2を固定させてもよいが、アミノ基を有する高分子化合物を介して電子伝達メディエーターと酵素1を固定した後、カルボキシ基を有する高分子化合物で前記電子伝達メディエーターおよび酵素1を固定した電極を被覆し、その後に補酵素及び酵素2を、それぞれ逐次的に、または同時に固定させることがより好ましい。   The method of immobilizing the enzyme, the coenzyme and the electron transfer mediator to the conductor via a covalently bonded polymer compound having an amino group or a polymer compound having a carboxy group is not particularly limited. The body is immersed in a solution containing an enzyme, a coenzyme, an electron transfer mediator, a polymer compound having the above functional group, and a condensing agent, or the solution is applied to a conductor, sprayed, and then dried. Thus, a conductor coated with a polymer compound in which an enzyme, a coenzyme and a conductor are covalently bonded can be obtained. The above-mentioned enzyme, coenzyme and electron transfer mediator may be fixed in one step, or divided into two or more steps, for example, an electron transfer mediator is attached to a conductor via a polymer compound having an amino group. After fixing, enzyme 1, coenzyme and enzyme 2 may be fixed on the coated polymer compound having amino group, but the electron transfer mediator and enzyme 1 are fixed through the polymer compound having amino group. After that, it is more preferable to coat the electrode on which the electron transfer mediator and the enzyme 1 are fixed with a polymer compound having a carboxy group, and then fix the coenzyme and the enzyme 2 sequentially or simultaneously.

(酵素修飾電極の作製)
酵素修飾電極の作製は特に限定されないが、例えば次のように行うことができる。例えばピロロキノリンキノン(電子伝達メディエーター)と、該ピロロキノリンキノンとアミノ基とカルボキシル基とを脱水縮合するための縮合剤(例えば水溶性カルボジイミド)とを反応させたメタノール水溶液に、アミノ基を有する高分子化合物(例えばポリアリルアミン)を混合したメタノール水溶液にグラファイトフェルトを浸漬後、減圧乾燥することで前記ピロロキノリンキノンが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを得ることができる。次に例えばジアホラーゼ(酵素1)と、アミノ基とカルボキシル基とを脱水縮合するための縮合剤(例えば水溶性カルボジイミド)とを含むメタノール水溶液に、前記ピロロキノリンキノンが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬後、減圧乾燥することで前記ピロロキノリンキノンと前記ジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを得ることができる。さらに、カルボキシ基を有する高分子化合物(例えばポリアクリル酸)を含むメタノール水溶液に前記ピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬後、減圧乾燥することでポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを得ることができる。さらに、アルコールデヒドロゲナーゼ(酵素2)と、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(補酵素)と、水溶性カルボジイミドとを含むメタノール水溶液に前記ポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬後、減圧乾燥することで、ピロロキノリンキノンと、ジアホラーゼと、アルコールデヒドロゲナーゼと、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとが共有結合で固定された高分子化合物で被覆されたグラファイトフェルトからなる酵素修飾電極が作製できる。
(Production of enzyme-modified electrode)
The production of the enzyme-modified electrode is not particularly limited, but can be performed, for example, as follows. For example, a pyrroloquinoline quinone (electron transfer mediator) and a methanol aqueous solution obtained by reacting the pyrroloquinoline quinone with a condensing agent (for example, water-soluble carbodiimide) for dehydration condensation of an amino group and a carboxyl group have an amino group. A graphite felt coated with polyallylamine covalently bonded to pyrroloquinolinequinone can be obtained by immersing graphite felt in an aqueous methanol solution mixed with a molecular compound (for example, polyallylamine) and then drying under reduced pressure. Next, an aqueous methanol solution containing, for example, diaphorase (enzyme 1) and a condensing agent (for example, water-soluble carbodiimide) for dehydration condensation of an amino group and a carboxyl group is coated with polyallylamine in which the pyrroloquinoline quinone is covalently bonded. The graphite felt covered with the polyallylamine in which the pyrroloquinoline quinone and the diaphorase are covalently bonded can be obtained by immersing the graphite felt and drying under reduced pressure. Further, after immersing the graphite felt coated with polyallylamine in which the pyrroloquinoline quinone and diaphorase are covalently bonded to an aqueous methanol solution containing a polymer compound having a carboxy group (for example, polyacrylic acid), polyacrylic acid is dried under reduced pressure. Thus, it is possible to obtain a graphite felt coated with polyallylamine in which pyrroloquinoline quinone and diaphorase are covalently bonded. Furthermore, polyallylamine in which pyrroloquinoline quinone coated with polyacrylic acid and diaphorase are covalently bonded to an aqueous methanol solution containing alcohol dehydrogenase (enzyme 2), nicotinamide adenine dinucleotide (coenzyme), and water-soluble carbodiimide. After immersing the coated graphite felt and drying under reduced pressure, the graphite felt coated with a polymer compound in which pyrroloquinoline quinone, diaphorase, alcohol dehydrogenase, and nicotinamide adenine dinucleotide are covalently fixed is used. An enzyme-modified electrode can be produced.

本発明において、上記作製方法では、ピロロキノリンキノンが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトのピロロキノリンキノンと未反応であったポリアリルアミンのアミノ基にジアホラーゼを共有結合させた後にポリアクリル酸で被覆したが、カルボキシ基を有する高分子化合物(例えばポリアクリル酸)を含むメタノール水溶液にピロロキノリンキノンが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬し、減圧乾燥することでポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを得た後で、ジアホラーゼと、アミノ基とカルボキシル基とを脱水縮合するための縮合剤(例えば水溶性カルボジイミド)とを含むメタノール水溶液に浸漬、減圧乾燥して、ポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを得てもよい。   In the present invention, in the above preparation method, polyacrylic acid is bonded after diaphorase is covalently bonded to the amino group of polyallylamine which has not been reacted with pyrroloquinoline quinone of graphite felt coated with polyallylamine covalently bonded to pyrroloquinoline quinone. The graphite felt coated with polyallylamine covalently bonded with pyrroloquinolinequinone is immersed in an aqueous methanol solution containing a polymer compound having a carboxy group (for example, polyacrylic acid) and dried under reduced pressure. After obtaining graphite felt coated with polyallylamine covalently bonded with pyrroloquinoline quinone coated with diaphorase, a condensing agent (for example, water-soluble carbodiimide) for dehydration condensation of amino group and carboxyl group Immersed in an aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure, pyrroloquinoline quinone and diaphorase coated with polyacrylic acid may be obtained graphite felt coated with polyallylamine covalently bound.

また、上記作製方法では、アルコールデヒドロゲナーゼと、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドと、水溶性カルボジイミドとを含むメタノール水溶液、すなわち酵素2と補酵素を先に縮合剤で活性化させた水溶液に、ポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬したが、まず先に、補酵素と縮合剤を含む水溶液にポリアクリル酸で被覆されたピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンにより被覆されたグラファイトフェルトを浸漬した後、酵素2と縮合剤を含む水溶液に浸漬してもよい。   In the above production method, a polyacrylic acid is added to an aqueous methanol solution containing alcohol dehydrogenase, nicotinamide adenine dinucleotide, and water-soluble carbodiimide, that is, an aqueous solution in which enzyme 2 and coenzyme are first activated with a condensing agent. A graphite felt coated with polyallylamine covalently bonded to pyrroloquinoline quinone and diaphorase was immersed in the coating, but first, pyrroloquinoline quinone and diaphorase coated with polyacrylic acid in an aqueous solution containing a coenzyme and a condensing agent. After immersing the graphite felt coated with polyallylamine covalently bound to, it may be immersed in an aqueous solution containing enzyme 2 and a condensing agent.

(電気化学反応装置)
前記酵素修飾電極を用いた化学物質の製造は、下記の構成の電気化学反応装置で行うことができる。電気化学反応装置は少なくとも、電力源に接続された安定化電源、前記安定化電源にそれぞれ接続された前記酵素修飾電極、対となる電極、参照電極、窒素ガス等を通気するための管、排気のための管および温調用のウォータージャケットを有する蓋付の水槽から構成される。ここで前記3つの電極は、溶液を入れた際に溶液中に浸るように設置され、さらに窒素ガス等が排出される側の管の先端が、溶液を入れた際に溶液の表面下になるように水槽に設置されている。また、水槽内は蓋を閉じることによって外気から遮断される。安定化電源が接続される電力源は一般的な家庭用のコンセントでよいが、燃料電池、太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電などの自然エネルギー由来の電力源でもよい。
(Electrochemical reactor)
The production of the chemical substance using the enzyme-modified electrode can be performed with an electrochemical reaction device having the following configuration. The electrochemical reaction apparatus includes at least a stabilized power source connected to a power source, the enzyme-modified electrode respectively connected to the stabilized power source, a pair of electrodes, a reference electrode, a tube for ventilating nitrogen gas, etc., exhaust And a water tank with a lid having a water jacket for temperature control and a water jacket for temperature control. Here, the three electrodes are installed so as to be immersed in the solution when the solution is added, and the tip of the tube on the side where nitrogen gas or the like is discharged is below the surface of the solution when the solution is added. So that it is installed in the aquarium. Further, the inside of the water tank is blocked from the outside air by closing the lid. The power source to which the stabilized power source is connected may be a general household outlet, but may also be a natural energy-derived power source such as a fuel cell, solar power generation, hydroelectric power generation, wind power generation, or geothermal power generation.

上記構成の電気化学反応装置で化学物質の還元反応を行う場合、水槽に基質となる化学物質と電解液、例えばリン酸緩衝液を満たした後、安定化電源で参照電極と酵素修飾電極間との電位を−0.6±0.1Vに保てばよい。また、ウォータージャケットに温度制御した溶媒を流すことで、水槽内の電解質の温度を適当な温度に保つことができる。通電中、溶液と電極の界面において、基質となる化学物質は酵素の作用により、補酵素から電子と水素イオンを受け取り還元される。基質となる化学物質に電子と水素イオンを渡すことで酸化型となった補酵素はジアホラーゼの作用によってピロロキノリンキノンから電子と水素イオンを受け取り、再び還元型の補酵素となる。さらに、酸化型の補酵素に電子と水素イオンを渡すことで酸化型となったピロロキノリンキノンは酵素修飾電極を構成する導電体を介して電源由来の電子と、電解液中に存在する水素イオンを受け取り、再び還元型ピロロキノリンキノンとなる。以上の一連の反応により、基質となる化学物質は酵素の触媒作用によって還元され、この反応で消費された電子、および水素イオンはそれぞれ、電力源、および電解液から供給される。酸化反応の場合は上記一連の反応が逆方向に進行する。   When a chemical substance reduction reaction is performed in the electrochemical reaction device having the above-described configuration, after filling a water tank with a chemical substance serving as a substrate and an electrolytic solution, for example, a phosphate buffer solution, a stabilized power source is used between the reference electrode and the enzyme-modified electrode. Is kept at −0.6 ± 0.1V. Moreover, the temperature of the electrolyte in the water tank can be maintained at an appropriate temperature by flowing a temperature-controlled solvent through the water jacket. During energization, the chemical substance serving as a substrate is reduced by receiving electrons and hydrogen ions from the coenzyme by the action of the enzyme at the interface between the solution and the electrode. The coenzyme that is oxidized by passing electrons and hydrogen ions to the chemical substance that is the substrate receives electrons and hydrogen ions from pyrroloquinoline quinone by the action of diaphorase, and becomes a reduced coenzyme again. Furthermore, pyrroloquinoline quinone, which has been oxidized by passing electrons and hydrogen ions to the oxidized coenzyme, has electrons derived from the power source and hydrogen ions present in the electrolyte via the conductors that make up the enzyme-modified electrode. And becomes reduced pyrroloquinoline quinone again. Through the above series of reactions, the chemical substance serving as the substrate is reduced by the catalytic action of the enzyme, and the electrons and hydrogen ions consumed in this reaction are supplied from the power source and the electrolyte, respectively. In the case of an oxidation reaction, the above series of reactions proceeds in the reverse direction.

(L−フェニルアラニノール製造用の酵素修飾電極)
以下、ラセミ体のフェニルアラニンを還元してL−フェニルアラニノールを生成する場合を例にして説明する。
その場合には、第1の被覆層として、電子伝達メディエーターであるピロロキノリンキノンとジアホラーゼが共有結合したポリアリルアミンで被覆され、次いで、第2の被覆層として、アルコールデヒドロゲナーゼ、前記アルコールデヒドロゲナーゼの補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとが共有結合したポリアクリル酸で被覆されたグラファイトフェルトである酵素修飾電極を用いることができる。
(Enzyme modified electrode for producing L-phenylalaninol)
Hereinafter, the case where racemic phenylalanine is reduced to produce L-phenylalaninol will be described as an example.
In that case, the first coating layer is coated with polyallylamine in which pyrroloquinoline quinone, which is an electron transfer mediator, and diaphorase are covalently bonded, and then, as the second coating layer, alcohol dehydrogenase, a coenzyme of the alcohol dehydrogenase, is coated. An enzyme-modified electrode that is a graphite felt coated with polyacrylic acid covalently bonded to nicotinamide adenine dinucleotide can be used.

ここで使用されるアルコールデヒドロゲナーゼはその由来によらず、EC1.1.1.1、またはEC1.1.1.2、またはEC1.1.1.71で規定される活性を有するものであればよく、ジアホラーゼはその由来によらず、EC1.8.1.4で規定される活性を有する酵素であればよい。   The alcohol dehydrogenase used here is not limited to its origin, so long as it has an activity defined by EC 1.1.1.1, EC 1.1.1.2, or EC 1.1.1.71. The diaphorase may be an enzyme having an activity defined by EC1.8.1.4 regardless of its origin.

また、ここで使用されるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドは、その由来によらず、酸化型でも還元型でもよく、その遊離酸でも塩でもよく、どの状態のものを固定してもよいが、還元型のナトリウム塩がより好ましい。さらに、ここで使用されるピロロキノリンキノンは、その由来によらず、酸化型でも還元型でもよく、その遊離酸でも塩でもよく、どの状態のものを固定してもよいが、還元型の遊離酸がより好ましい。   Further, the nicotinamide adenine dinucleotide used here may be oxidized or reduced, regardless of its origin, may be its free acid or salt, and may be fixed in any state. The sodium salt is more preferred. Furthermore, the pyrroloquinoline quinone used here may be oxidized or reduced, regardless of its origin, may be its free acid or salt, and may be fixed in any state. Acid is more preferred.

(L−フェニルアラニノールの製造法)
前記酵素修飾電極を用いたラセミ体のフェニルアラニンの還元によるL−フェニルアラニノールの製造は下記の構成の電気化学反応装置で行うことができる。電気化学反応装置は、電力源に接続された安定化電源、前記安定化電源にそれぞれ接続された前記酵素修飾電極、対となる電極、参照電極および温調用のウォータージャケットを有する蓋付の水槽から構成される。ここで前記3つの電極は、溶液を入れた際に溶液中に浸るように設置されている。また、水槽内は蓋を閉じることによって外気から遮断される。安定化電源が接続される電力源は一般的な家庭用のコンセントでよいが、燃料電池、太陽光発電、水力発電、風力発電、地熱発電などの自然エネルギー由来の電力源でもよい。
(Method for producing L-phenylalaninol)
Production of L-phenylalaninol by reduction of racemic phenylalanine using the enzyme-modified electrode can be carried out in an electrochemical reaction apparatus having the following constitution. The electrochemical reaction apparatus includes a stabilized water source connected to a power source, the enzyme-modified electrode connected to the stabilized power source, a pair of electrodes, a reference electrode, and a water tank with a lid having a water jacket for temperature control. Composed. Here, the three electrodes are installed so as to be immersed in the solution when the solution is added. Further, the inside of the water tank is blocked from the outside air by closing the lid. The power source to which the stabilized power source is connected may be a general household outlet, but may also be a natural energy-derived power source such as a fuel cell, solar power generation, hydroelectric power generation, wind power generation, or geothermal power generation.

ラセミ体のフェニルアラニンの還元によるL−フェニルアラニノール生産を行う場合は、前記水槽に電解液、例えばリン酸緩衝液を含むラセミ体のフェニルアラニンを満たし、前記電解液を含むラセミ体のフェニルアラニンに窒素ガスを通気することで、溶液中に存在する酸素を除去した後、安定化電源で参照電極と酵素修飾電極間との電位を−0.5±0.1Vに保つことが好ましい。また、ウォータージャケットに温度制御した溶媒を流すことで、水槽内の電解質の温度を適当な温度に保つことができる。通電中、溶液と電極の界面において、L−フェニルアラニンのみがアルコールデヒドロゲナーゼの作用により、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドから電子と水素イオンを受け取りL−フェニルアラニノールに還元される。ところで、L−フェニルアラニンに電子と水素イオンを渡すことで酸化型となったニコチンアミドアデニンジヌクレオチドはジアホラーゼの作用によってピロロキノリンキノンから電子と水素イオンを受け取り、再び還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとなる。さらに、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに電子と水素イオンを渡すことで酸化型となったピロロキノリンキノンは酵素修飾電極を構成する導電体を介して電源由来の電子と、電解液中に存在する水素イオンを受け取り、再び還元型ピロロキノリンキノンとなる。   When producing L-phenylalaninol by reduction of racemic phenylalanine, the water tank is filled with an electrolyte, for example, racemic phenylalanine containing a phosphate buffer, and nitrogen gas is added to the racemic phenylalanine containing the electrolyte. It is preferable to keep the potential between the reference electrode and the enzyme-modified electrode at -0.5 ± 0.1 V with a stabilized power supply after removing oxygen present in the solution by aeration. Moreover, the temperature of the electrolyte in the water tank can be maintained at an appropriate temperature by flowing a temperature-controlled solvent through the water jacket. During energization, only L-phenylalanine receives electrons and hydrogen ions from nicotinamide adenine dinucleotide and is reduced to L-phenylalaninol by the action of alcohol dehydrogenase at the interface between the solution and the electrode. By the way, nicotinamide adenine dinucleotide that has been oxidized by passing electrons and hydrogen ions to L-phenylalanine receives electrons and hydrogen ions from pyrroloquinoline quinone by the action of diaphorase, and becomes reduced nicotinamide adenine dinucleotide again. . In addition, pyrroloquinoline quinone, which has been oxidized by passing electrons and hydrogen ions to oxidized nicotinamide adenine dinucleotide, is present in the electrolyte and the electrons derived from the power source via the conductor constituting the enzyme-modified electrode. It receives hydrogen ions and becomes reduced pyrroloquinoline quinone again.

以上の一連の反応により、L−フェニルアラニンは酵素の触媒作用によってL−フェニルアラニノールに還元され、この反応で消費された電子および水素イオンは、それぞれ電力源および電解液から供給される。この還元反応は、電力源からの電子の供給が遮断されない限り、または電解液中のL−フェニルアラニンがなくなるまで進行し、電解液中にL−フェニルアラニノールが蓄積する。また、L−フェニルアラニンを供給し続けることで連続的にL−フェニルアラニノールを生成することが可能である。   Through the above series of reactions, L-phenylalanine is reduced to L-phenylalaninol by the catalytic action of the enzyme, and electrons and hydrogen ions consumed in this reaction are supplied from a power source and an electrolyte, respectively. This reduction reaction proceeds unless the supply of electrons from the power source is interrupted or until there is no L-phenylalanine in the electrolyte, and L-phenylalaninol accumulates in the electrolyte. Moreover, it is possible to produce | generate L-phenylalaninol continuously by continuing supplying L-phenylalanine.

本発明を以下の実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in detail by the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

本発明の略号の定義は次のとおりである。   The definitions of the abbreviations of the present invention are as follows.

GF:グラファイトフェルト(比表面積:0.7m/g)、PAA:ポリアリルアミン、PAAc:ポリアクリル酸、PQQ:ピロロキノリンキノン、NADH:ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、FDH:ギ酸デヒドロゲナーゼ、ADH:アルコールデヒドロゲナーゼ、Dp:ジアホラーゼ、WSC:水溶性カルボジイミド、SCE:飽和カロメロ電極、Ag/AgCl:銀/塩化銀電極
・ポリアクリル酸(和光純薬工業社製 重量平均分子量1,400,000)
・ポリアリルアミン(日東紡績社製 重量平均分子量70,000)
GF: graphite felt (specific surface area: 0.7 m 2 / g), PAA: polyallylamine, PAAc: polyacrylic acid, PQQ: pyrroloquinoline quinone, NADH: nicotinamide adenine dinucleotide, FDH: formate dehydrogenase, ADH: alcohol dehydrogenase , Dp: diaphorase, WSC: water-soluble carbodiimide, SCE: saturated calomel electrode, Ag / AgCl: silver / silver chloride electrode, polyacrylic acid (weight average molecular weight 1,400,000 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ Polyallylamine (weight average molecular weight 70,000 made by Nittobo)

〔サイクリックボルタンメトリー(CV)による測定〕
ビー・ビー・エス社製「電気化学QCMアナライザー(ALSモデル420A)」を用いた。
測定条件は、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに作用極として評価対象の電極、対極として白金線、参照電極としてSCE、またはAg/AgClを浸した。酸素を除去するため10分間窒素ガスを通気した後、50mV/秒の掃引速度で参照電極に対してある範囲の内で電圧を連続的に変化させ、その際に流れる電流をグラフテック社製のX−Yレコーダー(WX1200)を用いて記録した。
[Measurement by cyclic voltammetry (CV)]
An “electrochemical QCM analyzer (ALS model 420A)” manufactured by BBS was used.
Measurement conditions were as follows: an electrode to be evaluated as a working electrode, a platinum wire as a counter electrode, SCE as a reference electrode, or Ag / AgCl in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7). After removing nitrogen gas for 10 minutes to remove oxygen, the voltage was continuously changed within a certain range with respect to the reference electrode at a sweep rate of 50 mV / sec. Recording was performed using a Y recorder (WX1200).

〔ガスクロマトグラフィーによる測定〕
日本電子製「質量分析計JMS−MS700V」を用いた。
測定条件はInertCap 1内径0.25mm、長さ30mのガラスキャピラリーカラムにジメチルポリシロキサンを充填し、カラム温度、100℃、試料入口温度300℃、検出器温度250℃、アルゴンガス3.0kg/cm(294.2KPa)とした。メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、アミノ酸類、2−アミノアルコール類のいずれも標準物質との保持時間により定性、既知濃度の標準物質試料を作製し、検量線を引き定量を行った。
[Measurement by gas chromatography]
“Mass spectrometer JMS-MS700V” manufactured by JEOL Ltd. was used.
Measurement conditions were: InertCap 1 0.25 mm inner diameter, 30 m long glass capillary column packed with dimethylpolysiloxane, column temperature, 100 ° C., sample inlet temperature 300 ° C., detector temperature 250 ° C., argon gas 3.0 kg / cm 2. (294.2 KPa). For all of methanol, formic acid, formaldehyde, amino acids, and 2-amino alcohols, a standard material sample having a qualitative and known concentration was prepared based on the retention time with the standard material, and a calibration curve was drawn for quantification.

〔高速液体クロマトグラフィーによる測定〕
日本分光製「UV−2075」、「PU−2080」、「CO−2065」を用いた。
測定条件は、ギ酸、ホルムアルデヒドについては内径4.6mm、長さ15cmのODS−120ステンレスカラム(東ソー社製)、移動相は0.9質量%リン酸水溶液(水を2回蒸留したものを使用)、流速0.5mL/min。カラム温度30℃。アミノ酸類、および2−アミノアルコール類については内径4.6mm、長さ25cmのCHIROBIOTIC Tステンレスカラム(シグマ−アルドリッチ社製)、移動相は15mMのギ酸アンモニウムを含むメタノール、流速1mL/min。ギ酸、ホルムアルデヒド、アミノ酸類、2−アミノアルコール類のいずれも標準物質との保持時間により定性、既知濃度の標準物質試料を作製し、検量線を引き定量を行った。
[Measurement by high performance liquid chromatography]
“UV-2075”, “PU-2080”, and “CO-2065” manufactured by JASCO Corporation were used.
The measurement conditions are for formic acid and formaldehyde, an ODS-120 stainless steel column (made by Tosoh Corporation) with an inner diameter of 4.6 mm and a length of 15 cm, and a mobile phase of 0.9 mass% phosphoric acid aqueous solution (water distilled twice) ), Flow rate 0.5 mL / min. Column temperature 30 ° C. For amino acids and 2-amino alcohols, CHIROBIOTIC T stainless steel column (manufactured by Sigma-Aldrich) having an inner diameter of 4.6 mm and a length of 25 cm, the mobile phase was methanol containing 15 mM ammonium formate, and the flow rate was 1 mL / min. Formic acid, formaldehyde, amino acids, and 2-aminoalcohols were each qualitatively prepared with a standard substance sample having a known concentration based on the retention time with the standard substance, and a calibration curve was drawn for quantification.

本発明で使用した水は、日本ミリポア社製純水製造装置(Elix−UV3、60Lタンク、Milli−Q Academic、ASM)で作られた導電率18MΩcmの精製水である。   The water used in the present invention is purified water having a conductivity of 18 MΩcm made by a pure water production apparatus (Elix-UV3, 60 L tank, Milli-Q Academic, ASM) manufactured by Nihon Millipore.

比較例1
(PQQ修飾GF電極の作製1)
60(v/v)%メタノール水溶液5mlにPAA(日東紡績社製 重量平均分子量70,000)100μlと、PQQ5μmolとWSC6μmolを溶解した。この溶液にGF(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。このようにして得られた電極をPQQ修飾GF電極1とした。
Comparative Example 1
(Preparation of PQQ-modified GF electrode 1)
In 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution, 100 μl of PAA (manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd., weight average molecular weight 70,000), PQQ 5 μmol and WSC 6 μmol were dissolved. GF (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was immersed in this solution at room temperature for 72 hours to be reacted. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as PQQ-modified GF electrode 1.

実施例1
(PQQ修飾GF電極の作製2)
PQQ5μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解し、WSC6μmolを加えて2分間混合した後、PAA100μlを添加した。この溶液にGF(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。このようにして得られた電極をPQQ修飾GF電極2とした。
Example 1
(Preparation of PQQ-modified GF electrode 2)
5 μmol of PQQ was dissolved in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution, 6 μmol of WSC was added and mixed for 2 minutes, and then 100 μl of PAA was added. GF (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was immersed in this solution at room temperature for 72 hours to be reacted. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as PQQ-modified GF electrode 2.

試験例1
(製法の異なるPQQ修飾GF電極のCVによる評価)
PQQ修飾GF電極1とPQQ修飾GF電極2の電極反応挙動をCVによって評価した。0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに作用極としてPQQ修飾GF電極1(1cm×1cm×0.5cm)、またはPQQ修飾GF電極2(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金線、参照電極として、PQQ修飾GF電極1の場合はSCEを、PQQ修飾GF電極2の場合はAg/AgClを浸した。酸素を除去するため10分間窒素ガスを通気した後、PQQ修飾GF電極1の場合はSCEに対して−1.0Vから0.4Vの間を、PQQ修飾GF電極2の場合はAg/AgClに対して−1.0Vから0.6Vの間を50mV/秒の掃引速度で電圧を連続的に変化させた。PQQ修飾GF電極1の結果を図1に、PQQ修飾GF電極2の結果を図2に示した。
Test example 1
(Evaluation by CV of PQQ-modified GF electrodes with different production methods)
The electrode reaction behavior of the PQQ modified GF electrode 1 and the PQQ modified GF electrode 2 was evaluated by CV. PQQ-modified GF electrode 1 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) or PQQ-modified GF electrode 2 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7), platinum as counter electrode As the wire and reference electrode, SCE was immersed in the case of the PQQ-modified GF electrode 1, and Ag / AgCl was immersed in the case of the PQQ-modified GF electrode 2. After removing nitrogen gas for 10 minutes to remove oxygen, the PQQ-modified GF electrode 1 is set to −1.0 V to 0.4 V with respect to the SCE, and the PQQ-modified GF electrode 2 is set to Ag / AgCl. On the other hand, the voltage was continuously changed between -1.0 V and 0.6 V at a sweep rate of 50 mV / sec. The result of the PQQ modified GF electrode 1 is shown in FIG. 1, and the result of the PQQ modified GF electrode 2 is shown in FIG.

PQQ修飾GF電極2においてPQQ修飾GF電極1よりも大幅なピーク電流の増加が確認された。また、PQQ修飾GF電極1の還元電位はSCEに対して−0.3Vであり、再酸化電位はSCEに対して−0.1Vであり、それらの差は0.2Vであった。一方、PQQ修飾GF電極2の還元電位はAg/AgClに対して−0.15Vであり、再酸化電位はAg/AgClに対して−0.09Vであり、それらの差は0.06Vであった。PQQ修飾GF電極2の還元電位と再酸化電位の差がPQQ修飾GF電極1の還元電位と再酸化電位の差よりも小さいことから、電子移動速度はPQQ修飾GF電極2の方がPQQ修飾GF電極1よりも速いということが明らかとなった。更に、可逆的な電子移動が行われている場合における還元電位と再酸化電位の差は一般的に0.059Vと言われており、PQQ修飾GF電極2では可逆的に電子移動が行われていることが明らかとなった。還元波の面積よりPQQの固定量はPQQ修飾GF電極1で0.2nmol/cm、PQQ修飾GF電極2で20nmol/cmと算出された。以上の結果から、PQQ修飾GF電極2はPQQ修飾GF電極1に比べてPQQの固定量が100倍増えており、その結果として性能が著しく向上していた。ここにおいて実施例1で作成したPQQ修飾GF電極の有用性が示された。 A significant increase in peak current was confirmed in the PQQ-modified GF electrode 2 than in the PQQ-modified GF electrode 1. Moreover, the reduction potential of the PQQ-modified GF electrode 1 was −0.3 V with respect to SCE, the reoxidation potential was −0.1 V with respect to SCE, and the difference between them was 0.2 V. On the other hand, the reduction potential of the PQQ-modified GF electrode 2 was −0.15V with respect to Ag / AgCl, the reoxidation potential was −0.09V with respect to Ag / AgCl, and the difference between them was 0.06V. It was. Since the difference between the reduction potential and the reoxidation potential of the PQQ modified GF electrode 2 is smaller than the difference between the reduction potential and the reoxidation potential of the PQQ modified GF electrode 1, the electron transfer rate is higher for the PQQ modified GF electrode 2 than for the PQQ modified GF electrode 2. It became clear that it was faster than the electrode 1. Further, the difference between the reduction potential and the reoxidation potential when reversible electron transfer is performed is generally said to be 0.059 V, and reversible electron transfer is performed at the PQQ-modified GF electrode 2. It became clear that A fixed amount of PQQ than the area of the reduction wave was calculated to be 20 nmol / cm 2 in PQQ-modified GF electrode 1 at 0.2 nmol / cm 2, PQQ modified GF electrode 2. From the above results, the PQQ-modified GF electrode 2 has a fixed amount of PQQ increased by 100 times compared to the PQQ-modified GF electrode 1, and as a result, the performance has been remarkably improved. Here, the usefulness of the PQQ-modified GF electrode prepared in Example 1 was shown.

比較例2
(酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製1)
0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに比較例1で作製したPQQ修飾GF電極1(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し放置した後、減圧乾燥することでPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を作製した。この電極を5mMNADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記NADHが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を、20μMのDpとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記DpとNADHが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を、2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。このようにして得られた電極を酵素固定化PQQ修飾GF電極1とした。
Comparative Example 2
(Preparation of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1)
PQQ-modified GF electrode prepared in Comparative Example 1 in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000) 1 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was soaked at room temperature for 2 hours and allowed to stand, and then dried under reduced pressure to prepare a PQQ-modified GF electrode 1 coated with PAAc. This electrode was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 5 mM NADH and 6 μmol WSC for 72 hours at room temperature. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 1 covered with the NAAc-immobilized PAAc was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 20 μM Dp and 6 μmol WSC at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 1 coated with PAAc on which Dp and NADH are fixed is immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of ADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. It was. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1.

実施例2
(酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製2)
0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに実施例1で作製したPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し放置した後、減圧乾燥することでPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を作製した。この電極を20μMのDpとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記Dpが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を、5mMNADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記NADHとDpが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を、2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。このようにして得られた電極を酵素固定化PQQ修飾GF電極2とした。
Example 2
(Preparation of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2)
PQQ-modified GF electrode prepared in Example 1 in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000) 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was soaked at room temperature for 2 hours and allowed to stand, and then dried under reduced pressure to prepare a PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc. This electrode was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 20 μM Dp and WSC 6 μmol for 72 hours at room temperature. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc to which Dp was immobilized was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 5 mM NADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc on which NADH and Dp are fixed is immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of ADH and WSC 6 μmol at room temperature for 72 hours. It was. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2.

実施例3
(酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製3)
Dp20μMとWSC6μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解し2分間混合した後、実施例1で作製したPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlにDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いでNADH5mM、WSC6μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解した後、PAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解し2分間混合した後、NADHが固定されたPAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。このようにして得られた電極を酵素固定化PQQ修飾GF電極3とした。
Example 3
(Preparation of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3)
Dp20 μM and WSC 6 μmol were dissolved in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution and mixed for 2 minutes, and then the PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) prepared in Example 1 was immersed for 72 hours at room temperature. I let you. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, a PQQ-modified GF electrode in which Dp is fixed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000). 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was reacted at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, after dissolving NADH 5 mM and WSC 6 μmol in 60 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution, PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) fixed with PAAc-coated Dp was soaked at room temperature for 72 hours. Reacted. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, 2.5 enzyme units of ADH and 6 μmol of WSC were dissolved in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution and mixed for 2 minutes, and then PQQ-modified GF electrode 2 on which Dp coated with PAAc on which NADH was immobilized was immobilized. (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was immersed and reacted at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3.

試験例2
(電位が酵素固定化PQQ修飾GF電極を用いた電解反応へ及ぼす影響)
10mMのD,L−フェニルアラニンを含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例2で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.50V、または−0.55V、または−0.60V、または−0.65V、または−0.70Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(L−フェニルアラニノール)の定性、および定量を行った。表1に結果を示した。
Test example 2
(Effect of electric potential on electrolytic reaction using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode)
The electrode prepared in Example 2 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as a working electrode and a platinum plate (2 cm as a counter electrode) in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM D, L-phenylalanine × 2 cm × 0.1 cm), and Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then −0.50 V, or −0.55 V, or −0.60 V, or −0 with respect to Ag / AgCl under a nitrogen gas atmosphere. An electric potential was applied so as to be .65V or −0.70V, and the current was applied. A part of the reaction solution was withdrawn at regular intervals, and the product (L-phenylalaninol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. Table 1 shows the results.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表1の結果より、設定したいずれの電位を印加した場合でもL−フェニルアラニンが選択的に還元されL−フェニルアラニノールが生成することがわかった。またD−フェニルアラニンは未反応のまま回収された。設定電位を高くするに従い、電解時間は短くなるものの、D−フェニルアラニンの回収率が悪くなるとともに電流効率が低下するが、L−フェニルアラニノールはほぼ100%eeに近い収率で生成することができた。   From the results shown in Table 1, it was found that L-phenylalanine was selectively reduced to produce L-phenylalaninol when any set potential was applied. D-phenylalanine was recovered unreacted. Although the electrolysis time is shortened as the set potential is increased, the recovery rate of D-phenylalanine is deteriorated and the current efficiency is lowered. However, L-phenylalaninol may be produced in a yield of almost 100% ee. did it.

試験例3
(酵素固定化PQQ修飾GF電極1〜3を用いたギ酸の電解還元によるメタノール生産性の比較)
10mMのギ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例2、3または比較例2で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(メタノール)の定性、および定量を行った。図3に結果を示した。
Test example 3
(Comparison of methanol productivity by electrolytic reduction of formic acid using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrodes 1 to 3)
An electrode (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) prepared in Example 2, 3 or Comparative Example 2 as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM formic acid, and a platinum plate as a counter electrode (2 cm × 2 cm × 0.1 cm), Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was extracted at regular intervals, and the product (methanol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The results are shown in FIG.

反応開始後、酵素固定化PQQ修飾GF電極1(比較例2)では7時間で、酵素固定化PQQ修飾GF電極2(実施例2)では45分で、酵素固定化PQQ修飾GF電極3(実施例3)では40分で反応が終了した。また、単位時間、単位容量当たりの生産量はそれぞれ0.05、0.4、0.5g/L/hであり、比較した中では酵素固定PQQ修飾電極3が最も高い生産性を示した。   After the start of the reaction, the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1 (Comparative Example 2) is 7 hours, and the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2 (Example 2) is 45 minutes. In Example 3), the reaction was completed in 40 minutes. In addition, the production amounts per unit time and unit capacity were 0.05, 0.4, and 0.5 g / L / h, respectively, and the enzyme-immobilized PQQ modified electrode 3 showed the highest productivity among the comparisons.

試験例4
(基質濃度が酵素固定化PQQ修飾GF電極の電子移動に及ぼす影響)
10mM、または20mM、または30mM、または40mMのギ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例3で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、Ag/AgClに対して−1.0Vから0.6Vの間を50mV/秒の掃引速度で電圧を連続的に変化させた。結果を図4に示した。
Test example 4
(Effect of substrate concentration on electron transfer of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode)
The electrode (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) prepared in Example 3 as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM, 20 mM, 30 mM, or 40 mM formic acid, counter electrode As a platinum plate (2 cm × 2 cm × 0.1 cm) and Ag / AgCl as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then the voltage was continuously changed at a sweep rate of 50 mV / sec between -1.0 V and 0.6 V with respect to Ag / AgCl. It was. The results are shown in FIG.

ギ酸濃度が高くなるにつれて大きな還元電流が流れたが、40mMギ酸では30mMギ酸の場合と比べて還元電流の大きな増加は起こらなかった。還元電流が増加するということは反応速度が増加することを示しており、ここで用いた電解条件では30mMのギ酸濃度で反応速度が最も早くなることが明らかとなった。   As the formic acid concentration increased, a large reduction current flowed, but 40 mM formic acid did not cause a significant increase in reduction current compared to 30 mM formic acid. An increase in the reduction current indicates an increase in the reaction rate, and it has been clarified that the reaction rate becomes the fastest at a formic acid concentration of 30 mM under the electrolysis conditions used here.

実施例4
(酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製4)
Dp20μMとWSC6μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解し2分間混合した後、実施例1で作製したPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlにDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで前記PAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)をWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに5分間浸した後、25μmolのNADHを添加し、室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで2.5酵素単位のADHを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlにWSC6μmolを添加して2分間撹拌した。この溶液に前記NADHが固定されたPAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を浸し、室温で72時間反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。このようにして得られた電極を酵素固定化PQQ修飾GF電極4とした。
Example 4
(Preparation of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 4)
Dp20 μM and WSC 6 μmol were dissolved in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution and mixed for 2 minutes, and then the PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) prepared in Example 1 was immersed for 72 hours at room temperature. I let you. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, a PQQ-modified GF electrode in which Dp is fixed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000). 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was reacted at room temperature for 2 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) on which Dp coated with PAAc was fixed was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 6 μmol of WSC for 5 minutes, and then 25 μmol of NADH. Was added and allowed to react for 72 hours at room temperature. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, 6 μmol of WSC was added to 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 2.5 enzyme units of ADH and stirred for 2 minutes. The solution was immersed in the PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) on which Dp was coated with PAAc on which NADH was immobilized, and reacted at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 4.

試験例5
(酵素固定化PQQ修飾GF電極3および4を用いたギ酸の電解還元によるメタノール生産性の比較)
30mMのギ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例3または4で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(メタノール)の定性、および定量を行った。図5に結果を示した。
Test Example 5
(Comparison of methanol productivity by electroreduction of formic acid using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrodes 3 and 4)
The electrode produced in Example 3 or 4 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as a working electrode and a platinum plate (2 cm × 2 cm) as a counter electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 30 mM formic acid × 0.1 cm), Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was extracted at regular intervals, and the product (methanol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The results are shown in FIG.

反応開始後、酵素固定化PQQ修飾GF電極3(実施例3)では約2.5時間で、酵素固定化PQQ修飾GF電極4(実施例4)では約1時間で反応が終了した。また、単位時間、単位容量当たりの生産量はそれぞれ0.72、1.8g/L/hであり酵素固定PQQ修飾電極4の方が酵素固定PQQ修飾電極3よりも高い生産性を示した。   After the start of the reaction, the reaction was completed in about 2.5 hours with the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 (Example 3) and about 1 hour with the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 4 (Example 4). The production amounts per unit time and unit volume were 0.72 and 1.8 g / L / h, respectively, and the enzyme-immobilized PQQ modified electrode 4 showed higher productivity than the enzyme-immobilized PQQ modified electrode 3.

試験例3と試験例5の結果から実施例4で示した酵素固定PQQ修飾GF電極の作製法が最も優れていることが示された。   From the results of Test Example 3 and Test Example 5, it was shown that the method for producing the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode shown in Example 4 was the most excellent.

試験例6
(酵素固定化PQQ修飾GF電極3の再利用性)
10mMのギ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例3で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(メタノール)の定性、および定量を行った。同じ電極を用いて同様の操作を5回繰り返した。表2に結果を示した。
Test Example 6
(Reusability of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3)
The electrode prepared in Example 3 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as a working electrode and a platinum plate (2 cm × 2 cm × 0) as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM formic acid. 0.1 cm), Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was extracted at regular intervals, and the product (methanol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The same operation was repeated 5 times using the same electrode. Table 2 shows the results.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表2の結果より、電極を繰り返し使用するにつれて、電解時間、および通電量が増加し、電流効率が低下するため、GFに固定した酵素、補酵素、電子伝達メディエーターが脱落していく可能性、または酵素が失活していく可能性があるが、酵素固定化PQQ修飾GF電極3を繰り返し使用してもメタノールを100%の収率で得ることができることがわかった。   From the results of Table 2, as the electrode is repeatedly used, the electrolysis time and the amount of energization increase and the current efficiency decreases, so that the enzyme, coenzyme, and electron transfer mediator fixed to GF may drop off, Alternatively, the enzyme may be deactivated, but it was found that methanol can be obtained in a yield of 100% even when the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 is repeatedly used.

試験例7
(酵素固定化PQQ修飾GF電極4の再利用性)
30mMのギ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例4で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(メタノール)の定性、および定量を行った。同じ電極を用いて同様の操作を5回繰り返した。表3に結果を示した。
Test Example 7
(Reusability of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 4)
The electrode prepared in Example 4 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as a working electrode and a platinum plate (2 cm × 2 cm × 0) as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 30 mM formic acid. 0.1 cm), Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was extracted at regular intervals, and the product (methanol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The same operation was repeated 5 times using the same electrode. Table 3 shows the results.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表3の結果より、5回の繰り返し操作において電解時間、通電量、電流効率に変化はほとんど見られなかった。このことから酵素固定化PQQ修飾GF電極4では、繰り返し使用しても100%の収率でメタノールを得ることができるとともに、GFに固定した酵素、補酵素、電子伝達メディエーターが安定に保持されていることがわかった。   From the results shown in Table 3, almost no change was observed in electrolysis time, energization amount, and current efficiency in the repeated operation of 5 times. Therefore, the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 4 can obtain methanol with a yield of 100% even when used repeatedly, and the enzyme, coenzyme, and electron transfer mediator immobilized on GF are stably held. I found out.

試験例8
(酵素固定化PQQ修飾GF電極を用いた、D,L−アミノ酸からのL−2−アミノアルコール、およびD−アミノ酸の製造)
10mMのアミノ酸を含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例2で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、高速液体クロマトグラフィーで生成物の定性、および定量を行った。フェニルアラニン、アラニン、バリンについて上記操作を行い、D,L−フェニルアラニンからL−フェニルアラニノールとD−フェニルアラニンを、D,L−アラニンからL−アラニノールとD−アラニンを、D,L−バリンからL−バリノールとD−バリンを、それぞれ製造した。結果を表4に示した。
Test Example 8
(Production of L-2-amino alcohol and D-amino acid from D, L-amino acid using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode)
The electrode prepared in Example 2 (1 cm × 1 cm × 0.5 cm) as a working electrode and a platinum plate (2 cm × 2 cm × 0) as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM amino acid. 0.1 cm), Ag / AgCl was immersed as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was withdrawn at regular intervals, and the product was qualitatively and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography. The above operations are performed for phenylalanine, alanine, and valine. From D, L-phenylalanine to L-phenylalaninol and D-phenylalanine, from D, L-alanine to L-alaninol and D-alanine, and from D, L-valine to L -Valinol and D-valine were produced respectively. The results are shown in Table 4.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表4の結果より、使用したいずれのアミノ酸からも対応する2−アミノアルコール、およびD−アミノ酸が99%ee以上の鏡像体過剰率で得られた。このことからADHを用いた酵素固定PQQ修飾GF電極はギ酸を電解還元してメタノールを製造するために使用できるだけでなく、L−アミノ酸から2−アミノアルコールを製造するためにも使用可能であることが示された。更に当該電極は反応基質としてL体特異的であることが示された。   From the results in Table 4, the corresponding 2-aminoalcohol and D-amino acid were obtained from any of the amino acids used with an enantiomeric excess of 99% ee or more. Therefore, the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode using ADH can be used not only to produce methanol by electroreducing formic acid but also to produce 2-amino alcohol from L-amino acid. It has been shown. Furthermore, the electrode was shown to be L-form specific as a reaction substrate.

試験例9
(酵素固定化PQQ修飾GF電極1〜4を用いたD,L‐フェニルアラニンの電解触媒還元反応の比較)
10mMのD,L‐フェニルアラニンを含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として比較例2、実施例2、実施例3または実施例4で作製した電極(1cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板(2cm×2cm×0.1cm)、参照電極としてAg/AgClを浸した。溶液中の溶存酸素を除去するために窒素ガスを10分間通気した後、窒素ガス雰囲気下でAg/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加して通電した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、高速液体クロマトグラフィーで生成物の定性、および定量を行った。D,L−フェニルアラニンからL−フェニルアラニノールとD−フェニルアラニンをそれぞれ製造した。結果を表5に示した。
Test Example 9
(Comparison of electrocatalytic reduction reaction of D, L-phenylalanine using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrodes 1 to 4)
The electrode prepared in Comparative Example 2, Example 2, Example 3 or Example 4 (1 cm × 1 cm) as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM D, L-phenylalanine × 0.5 cm), a platinum plate (2 cm × 2 cm × 0.1 cm) as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode. Nitrogen gas was bubbled for 10 minutes to remove dissolved oxygen in the solution, and then a potential was applied to the Ag / AgCl at −0.65 V in a nitrogen gas atmosphere to energize. A part of the reaction solution was withdrawn at regular intervals, and the product was qualitatively and quantitatively analyzed by high performance liquid chromatography. L-phenylalaninol and D-phenylalanine were respectively produced from D, L-phenylalanine. The results are shown in Table 5.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表5の結果より、収率はいずれも98%以上、また鏡像体過剰率はいずれも99%ee以上であった。使用した4種類の電極では実施例4で作製した電極で最も早く反応が進行した。ここで示された各電極と電解時間の関係は試験例3および試験例5で示されたギ酸の電解反応の結果と矛盾せず、酵素修飾電極の性能の向上には、PQQ固定量を上げることとDpをPAA層に固定すること、PAAcをWSCで活性化した後NADHを添加することとが重要であることが確認された。   From the results of Table 5, the yield was 98% or more for all, and the enantiomeric excess was 99% ee or more for all. With the four types of electrodes used, the reaction proceeded the fastest with the electrode prepared in Example 4. The relationship between each electrode shown here and the electrolysis time is consistent with the results of the electrolysis reaction of formic acid shown in Test Example 3 and Test Example 5, and in order to improve the performance of the enzyme-modified electrode, the PQQ fixation amount is increased. It was confirmed that fixing Dp to the PAA layer and adding NADH after activating PAAc with WSC were important.

比較例3
(二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製1)
0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに比較例1で作製したPQQ修飾GF電極1(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し放置した後、減圧乾燥することでPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を作製した。この電極を5mMNADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記NADHが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を、20μMのDpとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記DpとNADHが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を、2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記ADHとDpとNADHが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極1を、2.5酵素単位のFDHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。このようにして得られた電極を二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極1とした。
Comparative Example 3
(Preparation of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode for carbon dioxide reduction 1)
PQQ-modified GF electrode prepared in Comparative Example 1 in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000) 1 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was soaked at room temperature for 2 hours and allowed to stand, and then dried under reduced pressure to prepare a PQQ-modified GF electrode 1 coated with PAAc. This electrode was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 5 mM NADH and 6 μmol WSC for 72 hours at room temperature. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 1 covered with the NAAc-immobilized PAAc was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 20 μM Dp and 6 μmol WSC at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 1 coated with PAAc on which Dp and NADH are fixed is immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of ADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. It was. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 1 coated with PAAc on which ADH, Dp, and NADH were immobilized was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of FDH and WSC 6 μmol at room temperature for 72 hours. Reacted. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1 for carbon dioxide reduction.

実施例5
(二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製2)
0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに実施例1で作製したPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し放置した後、減圧乾燥することでPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を作製した。この電極を20μMのDpとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記Dpが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を、5mMNADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記NADHとDpが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を、2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記ADHとNADHとDpが固定されたPAAcで被覆されたPQQ修飾GF電極2を、2.5酵素単位のFDHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。このようにして得られた電極を二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2とした。
Example 5
(Production of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode for carbon dioxide reduction 2)
PQQ-modified GF electrode prepared in Example 1 in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000) 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was soaked at room temperature for 2 hours and allowed to stand, and then dried under reduced pressure to prepare a PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc. This electrode was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 20 μM Dp and WSC 6 μmol for 72 hours at room temperature. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc to which Dp was immobilized was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 5 mM NADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc on which NADH and Dp are fixed is immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of ADH and WSC 6 μmol at room temperature for 72 hours. It was. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 coated with PAAc to which ADH, NADH, and Dp are immobilized is immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of FDH and WSC 6 μmol at room temperature for 72 hours. Reacted. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2 for carbon dioxide reduction.

実施例6
(二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製3)
Dp20μMとWSC6μmolを60(v/v)%メタノール水溶液5mlに溶解し2分間混合した後、実施例1で作製したPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、GFを減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで0.1(w/v)%PAAc(和光純薬工業社製、重量平均分子量1,400,000)を含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlにDpが固定されたPQQ修飾GF電極2(5cm×2cm×0.5cm)を室温で2時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、続いて30(v/v)%メタノール水溶液100mlで3回濯いだ後、減圧乾燥した。次いで前記PAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2を、5mMNADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記NADHが固定されたPAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2を、2.5酵素単位のADHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。次いで前記ADHとNADHが固定されたPAAcで被覆されたDpが固定されたPQQ修飾GF電極2を、2.5酵素単位のFDHとWSC6μmolを含む60(v/v)%メタノール水溶液5mlに室温で72時間浸し反応させた。反応終了後、減圧乾燥し、30(v/v)%メタノール水溶液で3回濯ぎ減圧乾燥した。このようにして得られた電極を二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極3とした。
Example 6
(Production of enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode for carbon dioxide reduction 3)
Dp20 μM and WSC 6 μmol were dissolved in 5 ml of 60 (v / v)% methanol aqueous solution and mixed for 2 minutes, and then the PQQ-modified GF electrode 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) prepared in Example 1 was immersed for 72 hours at room temperature. I let you. After completion of the reaction, GF was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, a PQQ-modified GF electrode in which Dp is fixed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 0.1 (w / v)% PAAc (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight 1,400,000). 2 (5 cm × 2 cm × 0.5 cm) was reacted at room temperature for 2 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, followed by rinsing three times with 100 ml of 30 (v / v)% aqueous methanol solution, and then dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 on which Dp coated with PAAc was fixed was immersed in 5 ml of a 60 (v / v)% aqueous methanol solution containing 5 mM NADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 on which Dp is covered with the PAAc on which NADH is fixed is placed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of ADH and 6 μmol of WSC at room temperature for 72 hours. Immerse and react. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. Next, the PQQ-modified GF electrode 2 on which Dp is coated with PAAc on which ADH and NADH are fixed is placed in 5 ml of a 60 (v / v)% methanol aqueous solution containing 2.5 enzyme units of FDH and WSC 6 μmol at room temperature. The reaction was immersed for 72 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was dried under reduced pressure, rinsed three times with a 30 (v / v)% aqueous methanol solution and dried under reduced pressure. The electrode thus obtained was designated as an enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 for carbon dioxide reduction.

試験例10
(二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極1〜3を用いた、二酸化炭素からのメタノールの製造比較)
0.3Mの炭酸水素ナトリウムを含む、0.1Mのリン酸緩衝液(pH7)10mlに、作用極として実施例5、実施例6または比較例3で作製した電極(2cm×1cm×0.5cm)、対極として白金板、参照電極としてAg/AgClを浸した。前記リン酸緩衝液に二酸化炭素ガスを5分間通気した後、Ag/AgClに対して−0.65Vとなるように電位を印加した。一定時間ごとに反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物(メタノール)の定性、および定量を行った。図6〜図8に結果を示す。
Test Example 10
(Production comparison of methanol from carbon dioxide using enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrodes 1 to 3 for carbon dioxide reduction)
An electrode (2 cm × 1 cm × 0.5 cm) prepared in Example 5, Example 6 or Comparative Example 3 as a working electrode in 10 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 0.3 M sodium bicarbonate. ), A platinum plate as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode. Carbon dioxide gas was bubbled through the phosphate buffer solution for 5 minutes, and then a potential was applied to −0.65 V with respect to Ag / AgCl. A part of the reaction solution was extracted at regular intervals, and the product (methanol) was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The results are shown in FIGS.

反応開始後、二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極1では、図6に示したように、12時間で反応が終了し、二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2では、図7に示したように、8時間で反応が終了し、二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極3では、図8に示したように、6時間で反応が終了した。また、単位時間、単位容量当たりの生産量はそれぞれ0.007、0.011、0.015g/L/hであり二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2が二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極1よりも1.6倍高い生産性を示し、さらに二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極3は二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2よりも1.4倍高い生産性を示した。この結果から実施例6で示した二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極の作製法が最も優れていることが示された。なお、二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極1と二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2の違いはPQQの固定量のみが異なり、二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極2と二酸化炭素還元用酵素固定化PQQ修飾GF電極3の違いはDp固定の順番が異なるのみである。以上のようにPQQ固定量と、Dp固定の順番が酵素修飾電極の性能に影響を与えるという結果は試験例3で示された結果を支持するものである。   As shown in FIG. 6, the reaction is completed in 12 hours with the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1 for carbon dioxide reduction after the start of the reaction. As shown in Fig. 8, the reaction was completed in 8 hours, and the reaction was completed in 6 hours in the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 for reducing carbon dioxide, as shown in Fig. 8. Further, the production amounts per unit time and unit capacity are 0.007, 0.011, and 0.015 g / L / h, respectively, and the carbon dioxide reducing enzyme immobilized PQQ-modified GF electrode 2 is immobilized with the carbon dioxide reducing enzyme. Productivity 1.6 times higher than PQQ-modified GF electrode 1, and the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 for carbon dioxide reduction is 1.4 times higher than the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2 for carbon dioxide reduction Productivity was shown. From this result, it was shown that the method for producing the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode for carbon dioxide reduction shown in Example 6 was the most excellent. The difference between the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 1 for carbon dioxide reduction and the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2 for carbon dioxide reduction differs only in the amount of PQQ immobilized, and the enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 2 for carbon dioxide reduction. The carbon dioxide reducing enzyme-immobilized PQQ-modified GF electrode 3 is different only in the order of Dp fixation. As described above, the result that the amount of PQQ fixation and the order of Dp fixation affect the performance of the enzyme-modified electrode supports the result shown in Test Example 3.

試験例11
(フロー型電解層によるギ酸からのメタノール製造)
フロー型電解層は北斗電工株式会社製HX−201を用いた。作用極として円筒状に加工した実施例2で作製した電極(直径0.8cm×5cm)、対極として白金線(直径0.3mm×300mm)、参照電極としてAg/AgClを用いた。10mMギ酸と0.3M炭酸水素ナトリウムを含む0.1Mリン酸緩衝液(pH7)50mlに窒素ガスを10分間通気して溶存酸素を除去した後、Ag/AgClに対して−0.5Vとなるように電位を印加したフロー型電解層に一定の流速で通液した。流出液を回収し、ガスクロマトグラフィー、および高速液体クロマトグラフィーで生成物の定性、および定量を行った。ギ酸のメタノールへの変換率は、フロー型電解層に投入されたギ酸がメタノールに変換された割合であり、流出液中のギ酸の量/投入前のギ酸の量×100の計算式から算出される。結果を表6に示した。
Test Example 11
(Methanol production from formic acid by flow-type electrolytic layer)
HX-201 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. was used for the flow type electrolytic layer. The electrode (diameter 0.8 cm × 5 cm) produced in Example 2 processed into a cylindrical shape as a working electrode, a platinum wire (diameter 0.3 mm × 300 mm) as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode were used. After removing dissolved oxygen by bubbling nitrogen gas through 50 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 10 mM formic acid and 0.3 M sodium hydrogen carbonate for 10 minutes, it becomes −0.5 V against Ag / AgCl. Thus, the liquid was passed through the flow-type electrolytic layer to which a potential was applied at a constant flow rate. The effluent was collected, and the product was qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The conversion rate of formic acid to methanol is the ratio of formic acid charged into the flow-type electrolytic layer to methanol, and is calculated from the formula of formic acid in the effluent / amount of formic acid before charging × 100. The The results are shown in Table 6.

Figure 2014160024
Figure 2014160024

表6の結果より、流速0.05〜0.20mL/分ではギ酸のメタノールへの変換率は100%であった。しかしながら、流速が上がるにつれて電流効率は低下し、流速1.0mL/分では変換率が40%であった。なお、フロー型電解層による電解反応は電極の性能やサイズ、流速によって大きく影響を受ける。また、循環型にすることにより高流速でも変換率を100%にすることが可能である。   From the results of Table 6, the conversion rate of formic acid into methanol was 100% at a flow rate of 0.05 to 0.20 mL / min. However, the current efficiency decreased as the flow rate increased, and the conversion rate was 40% at a flow rate of 1.0 mL / min. The electrolytic reaction by the flow type electrolytic layer is greatly influenced by the performance, size and flow rate of the electrode. Further, the conversion rate can be made 100% even at a high flow rate by using a circulation type.

Claims (9)

アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1、酵素2および導電体を含む酵素修飾電極であって、
前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、
前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、
前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、
前記電子伝達メディエーターが共有結合により固定された前記アミノ基を有する高分子化合物が、前記導電体の表面の少なくとも一部を被覆して、第1の被覆層を形成しており、
前記カルボキシ基を有する高分子化合物が、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部を被覆して、第2の被覆層を形成しており、
前記カルボキシ基を有する高分子化合物に、前記酵素1、前記補酵素および前記酵素2が共有結合により固定されており、
前記電子伝達メディエーターの単位面積当たりの含有量が、10nmol/cm以上である、
酵素修飾電極。
A polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, an enzyme 1, an enzyme 2, and an enzyme-modified electrode comprising a conductor,
The enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between the electron transfer mediator and the coenzyme,
The enzyme 2 is an enzyme or enzyme group that catalyzes a target reaction,
The coenzyme is a coenzyme for the enzyme 2;
The polymer compound having the amino group to which the electron transfer mediator is fixed by a covalent bond covers at least a part of the surface of the conductor to form a first coating layer;
The polymer compound having a carboxy group coats at least part of the surface of the first coating layer to form a second coating layer;
The enzyme 1, the coenzyme and the enzyme 2 are fixed to the polymer compound having a carboxy group by a covalent bond,
The content per unit area of the electron transfer mediator is 10 nmol / cm 2 or more,
Enzyme modified electrode.
前記酵素1および前記酵素2のうちの少なくとも1つの酵素が、前記第1の被覆層の表面または前記第2の被覆層の層内に共有結合により固定されている、請求項1に記載の酵素修飾電極。   The enzyme according to claim 1, wherein at least one of the enzyme 1 and the enzyme 2 is covalently immobilized on the surface of the first coating layer or in the layer of the second coating layer. Modified electrode. 前記酵素2が酸化還元反応を触媒する酵素である請求項1または請求項2に記載の酵素修飾電極。   The enzyme-modified electrode according to claim 1 or 2, wherein the enzyme 2 is an enzyme that catalyzes a redox reaction. 前記アミノ基を有する高分子化合物が、ポリアリルアミンであり、
前記カルボキシ基を有する高分子化合物が、ポリアクリル酸であり、
前記電子伝達メディエーターが、ピロロキノリンキノンであり、
前記補酵素が、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸であり、
前記酵素1が、ジアホラーゼであり、
前記酵素2が、ギ酸デヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼまたはアルデヒドデヒドロゲナーゼのうち少なくとも一種を含む酵素であり、
前記導電体が、グラファイトフェルトである請求項1〜3のいずれか1項に記載の酵素修飾電極。
The polymer compound having an amino group is polyallylamine,
The polymer compound having a carboxy group is polyacrylic acid,
The electron transfer mediator is pyrroloquinoline quinone;
The coenzyme is nicotinamide adenine dinucleotide or nicotinamide adenine dinucleotide phosphate;
The enzyme 1 is diaphorase,
The enzyme 2 is an enzyme containing at least one of formate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase or aldehyde dehydrogenase,
The enzyme-modified electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductor is graphite felt.
導電体に、アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1および酵素2を固定してなる酵素修飾電極の製造方法であって、
前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、
前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、
前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、
前記電子伝達メディエーターと縮合剤との反応液に前記アミノ基を有する高分子化合物を混合させた溶液に前記導電体を浸漬して、前記導電体の表面の少なくとも一部に第1の被覆層を形成する工程、
次いで、前記カルボキシ基を有する高分子化合物を含有する溶液に浸漬して、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部に第2の被覆層を形成する工程、
前記第2の被覆層に、前記酵素1、前記補酵素および前記酵素2を順次固定する工程を含む、
酵素修飾電極の製造方法。
A method for producing an enzyme-modified electrode comprising a conductor having a polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, enzyme 1 and enzyme 2,
The enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between the electron transfer mediator and the coenzyme,
The enzyme 2 is an enzyme or enzyme group that catalyzes a target reaction,
The coenzyme is a coenzyme for the enzyme 2;
The conductor is immersed in a solution in which the polymer compound having the amino group is mixed in a reaction solution of the electron transfer mediator and a condensing agent, and a first coating layer is formed on at least a part of the surface of the conductor. Forming step,
Next, a step of immersing in a solution containing the polymer compound having a carboxy group to form a second coating layer on at least a part of the surface of the first coating layer;
Including sequentially fixing the enzyme 1, the coenzyme and the enzyme 2 to the second coating layer,
A method for producing an enzyme-modified electrode.
導電体に、アミノ基を有する高分子化合物、カルボキシ基を有する高分子化合物、電子伝達メディエーター、補酵素、酵素1および酵素2を固定してなる酵素修飾電極の製造方法であって、
前記酵素1は前記電子伝達メディエーターと前記補酵素の間の電子伝達を触媒する酵素であり、
前記酵素2は、目的の反応を触媒する酵素または酵素群であり、
前記補酵素は、前記酵素2に対する補酵素であり、
前記電子伝達メディエーターと縮合剤との反応液に前記アミノ基を有する高分子化合物を混合させた溶液に前記導電体を浸漬して、前記導電体の表面の少なくとも一部に第1の被覆層を形成する工程、
前記第1の被覆層に前記酵素1を固定する工程、
前記カルボキシ基を有する高分子化合物を含有する溶液に、前記酵素1が固定した前記第1の被覆層が形成された導電体を浸漬して、前記第1の被覆層の表面の少なくとも一部に第2の被覆層を形成する工程、
前記第2の被覆層に、前記補酵素および前記酵素2を順次固定する工程を含む、
酵素修飾電極の製造方法。
A method for producing an enzyme-modified electrode comprising a conductor having a polymer compound having an amino group, a polymer compound having a carboxy group, an electron transfer mediator, a coenzyme, enzyme 1 and enzyme 2,
The enzyme 1 is an enzyme that catalyzes electron transfer between the electron transfer mediator and the coenzyme,
The enzyme 2 is an enzyme or enzyme group that catalyzes a target reaction,
The coenzyme is a coenzyme for the enzyme 2;
The conductor is immersed in a solution in which the polymer compound having the amino group is mixed in a reaction solution of the electron transfer mediator and a condensing agent, and a first coating layer is formed on at least a part of the surface of the conductor. Forming step,
Immobilizing the enzyme 1 on the first coating layer;
A conductor containing the first coating layer on which the enzyme 1 is fixed is immersed in a solution containing the polymer compound having a carboxy group, and is applied to at least a part of the surface of the first coating layer. Forming a second coating layer;
Including sequentially fixing the coenzyme and the enzyme 2 to the second coating layer,
A method for producing an enzyme-modified electrode.
前記補酵素で修飾された前記酵素2を、前記第2の被覆層に固定する、請求項5または請求項6に記載の酵素修飾電極の製造方法。   The method for producing an enzyme-modified electrode according to claim 5 or 6, wherein the enzyme 2 modified with the coenzyme is fixed to the second coating layer. 酸化還元酵素を触媒とする電気的酵素反応を連続的または非連続的に行うための電気化学反応装置であり、反応槽内に、少なくとも一方が請求項1〜4のいずれか1項に記載の酵素修飾電極である一対の電極と、電解質を含む溶媒と、基質とを含む電気化学反応装置。   An electrochemical reaction device for continuously or discontinuously carrying out an electroenzymatic reaction using an oxidoreductase as a catalyst, and at least one of the reaction vessels according to any one of claims 1 to 4, An electrochemical reaction device comprising a pair of electrodes that are enzyme-modified electrodes, a solvent containing an electrolyte, and a substrate. 請求項8に記載の電気化学反応装置を用いて、酸化反応または還元反応によって化学物質を製造する製造方法。   A production method for producing a chemical substance by an oxidation reaction or a reduction reaction using the electrochemical reaction device according to claim 8.
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