有机介质中酯化反应在短链和长链羧酸酯合成中固定化脂肪酶的性能外文翻译资料

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有机介质中酯化反应在短链和长链羧酸酯合成中固定化脂肪酶的性能

Lionete Nunes de Lima 1, Adriano Aguiar Mendes 2id ，,*id , Paulo Waldir Tardioli 1 和 Raquel de Lima Camargo Giordano1

1. 化工系化学工程研究生课程

巴西圣卡洛斯联邦大学，13565-905巴西圣卡洛斯;lionetenunes@yahoo.com.br (L.N.d.L.); raquel@ufscar.br (R.d.L.C.G.)

1. 阿尔菲纳斯联邦大学化学研究所，37130-001巴西MG阿尔菲纳斯；

adriano.mendes@unifal-mg.edu.br

1. ICP-CSIC生物催化剂系，UAM-CSIC校园，西班牙马德里28049

* 对应：rfl@icp.csic.es (R.F.-L.); pwtardioli@ufscar.br (PWT).

学术编辑：Derek J. McPhee

收到：2018年2月23日;接受：2018年3月24日;发布时间：2018年3月27日

摘要：

短链烷基酯和糖酯因其风味和乳化特性而分别广泛用于食品，制药和化妆品行业。两种化合 物都可以通过使用脂肪酶的生物催化合成。这项工作的目的是比较共价附着于经环氧乙烷基官能化的干燥丙烯酸珠上的商业脂肪酶的性能（来自南极假丝酵母B型的脂肪酶-IMMCALB-T2-350，荧光假单胞菌-IMMAPF-T2-150和羊毛嗜热菌-IMMTLL-T2 -150）和自制的生物催化剂（荧光假单胞菌的脂肪酶吸附在涂有辛基的二氧化硅上，称为PFL-辛基二氧化硅）在短链和长链羧酸酯的合成中。通过将 乙酸和丁酸与几种醇（例如乙醇，1-丁醇，1-己醇和异戊醇）酯化来合成具有风味特性的酯，并通 过将油酸和月桂酸与果糖和乳糖酯化来合成糖酯. .在短链烷基酯的合成中，所有生物催化剂均表现出相似的性能，转化率为88.9％至98.4％。然而，在糖酯的合成中，PFL-辛基-二氧化硅的性能几乎总是低于市售的IMMCALB-T2-350，后者在果糖油酸酯的合成中的转化率高达96％。两种生物催化剂在有机介质中均显示出较高的操作稳定性，因此具有巨大的生物转化潜力。

介绍

许多短链烷基酯表现出与普通水果相似的风味[1,2].因此，它们被广泛用于制药，化妆品和食品行业。即使可以从天然来源获得芳香族酯，但提取这些化合物的另一种方法是通过酯化反应进行化学合成。这些可以被无机催化剂或生物催化剂催化[3,4].无机催化剂需要高温，因此需要高昂的能源成本，并且选择性低，使得下游工艺复杂[4].使用生物催化剂时，反应条件较温和，反应选择性更高[4,5].另外，酯

分子2018，23，766;DOI：10.3390 /分子23040766 www.mdpi.com/journal/molecules

通过生物催化合成的化合物可能被认为与“相同于自然” [4,6,7]，因此被标记为绿色产品。

另一个备受关注的酯族是由糖脂肪酸酯组成的糖类，它们是非离子表面活性剂[8].这些物质是可生物降解的，在许多不同的经济领域（例如化妆品，食品，口腔护理，洗涤剂和制药行业）具有多种用途[4,9,10].

糖脂肪酸酯（例如葡萄糖，果糖或蔗糖的长链或中链脂肪酸）的工业合成是通过使用碱性或金属 催化剂对脂肪酸甲酯（比脂肪酸更昂贵）进行酯交换来进行的。反应需要高温（gt; 100◦C）并使用减压， 以除去从活化的酰基供体释放的甲醇，以防止与碳水化合物的羟基竞争[8].另外，化学催化剂大部分 是碱性的，反应中经常使用二甲基甲酰胺（DMF），吡啶或二甲基亚砜（DMSO），它们是有毒的溶剂。 这意味着高昂的能源成本，不期望的副产物的产生和低选择性[11–15].此外，

此过程最具挑战性的特征是酯化程度和酰化位置的控制[8,16]，并且两者都难以使用碱性催化来实现。因此，糖酯的酶法合成可能是一种有用的替代方法，已在工业规模用于某些应用[4].在这些反应中， 为了溶解碳水化合物，需要使用极性很大的溶剂。常用的有机溶剂（例如DMF或DMSO）能够溶解糖类， 但它们通常对酶产生非常不利的影响，并且与许多碳水化合物衍生产品的应用不兼容[7,17,18].因此， 溶剂必须调和碳水化合物的溶解度和低极性，以减少酶的损害。另外，溶剂必须不具有能够与糖，羧 基或酯键竞争的反应性羟基，所述糖，羧基或酯键可能是酶的底物并降低产物收率和/或产生副产物。 通常，叔醇满足这些要求，因为脂肪酶不能将它们识别为底物[19–21].可能在此类反应中使用的溶剂 的其他示例是离子液体[7,22–24].在可用于合成酯的生物催化剂中，最常见的是脂肪酶[3,4,14,18,25– 35].脂肪酶可以催化酯化反应，条件是该反应在低水分含量下发生[36].脂肪酶具有独特的催化机制， 即所谓的界面活化[37,38].根据这种机理，在均质的水介质中，脂肪酶分子处于封闭形式和开放形式 之间的构象平衡，封闭形式由于反应称为封闭的多肽链的存在而无法进入反应介质。 ，将盖子移开并将脂肪酶活性中心暴露于培养基[39–41].在任何疏水性表面（例如疏水性支持物），另一种开放形 式的脂肪酶或疏水性蛋白质的存在下[40,42,43]，脂肪酶的开放形式通过活性中心周围和盖子内侧形 成的疏水区域被吸附，从而改变构象平衡并固定了相对于支持物表面稳定的脂肪酶的开放形式[44–46].

酯化是热力学控制的过程，其中收率仅由

过程的热力学[21,47]，催化剂仅定义速度和过程的可能性[48].为了提高产率，必须改变热力学平衡。降低水分含量（甚至消除产出水）是提高产量的常用方法。在这些酯化反应中，使用超声波辐射来防 止固定化酶上形成水层[49,50]，使用非常疏水的载体（也要避免在酶周围聚集水）[51,52]和使用分 子筛消除产生的水[7,32,53,54，所有这些都证明对改变平衡和防止生物催化剂失活非常有用。在糖的 情况下，情况更加复杂，因为催化剂可以限定酰化的位置，因此生物催化剂在某种意义上也可以限定 目标产物的产率。必须考虑酰基迁移的可能性，因为这可能产生最终位置的修饰，该位置不同于酶修 饰的位置[51,55,56].

在这项工作中，荧光假单胞菌（PFL），南极假丝酵母B型（CALB）和羊毛嗜热丝菌（TLL）的脂肪酶以它们的商业固定形式之一（共价连接到用环氧乙烷基官能化的丙烯酸树脂上）被用作生物催化剂。具有风味和表面活性剂性质的酯的合成。这些脂肪酶，特别是CALB，已广泛用于在非水介质中合成酯[4,7,8,10,57,58].还使用了固定在涂有辛基的二氧化硅颗粒上的PFL（辛基-二氧化硅）。疏水涂层的支持物非常有效地固定了脂肪酶，并且由于脂肪酶在支持物的疏水表面上的界面活化，因此可以一步固定化，纯化和稳定开放形式的脂肪酶[39,44,48].在几种预先存在的载体中，由于一些特性，例如热和机械稳定性，高表面积，对有机溶剂的高耐受性以及微生物降解和无毒性，据报道二氧化硅是固定化酶的良好选择[59].通过将几种脂肪酶固定在ocytl-二氧化硅上制备的生物催化剂已成功用于有机介质中的生物转化反应[26,28,59–61].我们小组先前曾报道过辛基二氧化硅的制备和将PFL固定在该载体上，并在乙基脂肪酸酯的合成中进行了评估[60]和果糖脂肪酸酯[28].在这项新的研究工作中， 我们打算分析固定化方案是否会影响酯化反应中固定化脂肪酶的最终性质，这些反应涉及与糖，短醇和短链或长链羧酸等不同的底物。

结果和讨论

• 1. 芳香酯的合成

表1 图1显示了在反应24小时后，在37°F◦C下，由自制的PFL-辛基-二氧化硅和商用固定化脂肪酶催化的酯化反应，在短链羧酸酯的合成中观察到的转化率。所有生物催化剂在风味酯的合成中均表现 出出色的性能，反应24小时后转化率在80.3％至98.4％之间。对于其他反应系统（反应时间，酶和有 机溶剂）也报道了类似的结果[4].自制制剂PFL-辛基二氧化硅的所有醇收率均超过95％。当以己醇为 底物时，IMMTLL-T2-150的性能最差，在24小时后仅给出80％，而当使用异戊醇和乙醇时仅给出90％。IMMAPF-T2-150仅在使用乙醇时提供90％以下的产率，而使用丁醇（同时使用乙酸和丁酸）可获得更 高的产率。IMMCALB-T2-350使用乙醇（刚好超过90％）给出的结果最差。在酯化反应中，收率应相同， 因此收率差异应与某些动力学问题相关，在某些情况下该动力学问题可能会减慢反应速度。在被检化 合物中，PFL-辛基二氧化硅似乎是最适合这些酯化反应的生物催化剂。

表1.短链羧酸酯在37◦C下合成24 h的转化，这些转化是由自制的PFL-辛基硅胶和商业化固定化脂肪酶催化的。反应物浓度：对于酸和醇，庚烷中为0.1 M，对于所有生物催化剂，酸为200 U / g（酯化活性）为20 g / L分子筛。

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