大家好，今天推送的文章來自於發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering.上的“Highly Efficient Chemoenzymatic Cascade Catalysis of Biomass into Furfurylamine by a Heterogeneous Shrimp Shell-Based Chemocatalyst and an ω‑Transaminase Biocatalyst in Deep Eutectic Solvent−Water”，通訊作者為常州大學藥學院的Yucai He。
近年來，以廉價、豐富、可再生的生物資源為原料，採用化學酶法在環境友好的反應體系中高效地生產高價值的呋喃化合物受到了廣泛的關注。糠醛胺是一種重要的呋喃基化學品，用於生產新增劑、纖維、香水、農用化學品和藥品。在本研究中作者試圖開發一種可持續的方法，利用化學催化劑和生物催化劑將生物質用酶法級聯催化合成糠胺。
化石燃料的迅速減少和對化學物質和能源的需求的迅速增加，促使人們轉向開發替代資源。生物質是一種複雜的生物聚合物，主要由碳水化合物(半纖維素+纖維素)和木質素組成。它作為一種可持續的、豐富的、廉價的、可獲得的生物資源被廣泛利用，用於高效生產高附加值的生物燃料和生物基化學品。半纖維素組分佔木質纖維素總生物量的15−30%。糠醛(FAL)是一種可再生的物質，廣泛應用於燃料、樹脂、煉油、塑膠、製藥、農化等行業。它已經被轉化成許多燃料新增劑和化學分子，包括四氫呋喃、糠酸、四氫呋喃、二氫吡喃、乙醯呋喃、糠醇和呋喃醯胺。
一般來說，FAL主要是透過酸催化降解生物質衍生戊糖產生的。建立了生產FAL的一步反應和兩步反應方法。在一步法中，半纖維素及其衍生物酸水解成戊糖(主要是羥糖)，然後在同一反應器中透過串聯反應將d-木糖酸催化脫水成FAL。生物質水解成木糖和生物質衍生木糖的脫水可以在兩個不同的反應器中進行，這種兩步法具有較高的FAL產率和較少的副反應，但仍存在操作複雜、裝置成本高、用水量大、可行性低等缺點。然而，由於操作簡單、裝置成本低廉、用水量相對較低、效率較高，一步法制造FAL越來越受到人們的重視。工業上，無機酸(如HCl、H2SO4、H3PO4)作為均相催化劑用於FAL的生產。然而，FAL生產中存在能耗高、產率低、裝置腐蝕嚴重、催化劑回收不理想等問題。與均相酸催化劑相比，非均相酸催化劑具有更高的製備FAL的可行性，因其具有更好的熱穩定性、更高的催化活性、更低的腐蝕、更高的FAL產率和更容易分離等優點而受到研究者的關注。
糠醛胺(FLA)是一種多用途的呋喃基化學品，它可以透過胺化從FAL中得到，已廣泛用於製造新增劑、防腐蝕劑、纖維、香料、結垢粉、功能聚合物、農用化學品和藥品。工業上，FLA是在苛刻的效能條件下由FAL的化學胺化產生的。近年來，由於FAL在溫和的操作條件下具有高的催化活性和選擇性，生物胺化成FLA引起了人們的關注。轉氨酶是一種吡啶醛5 ' -磷酸依賴酶，可可逆地催化氨基供體底物向氨基受體底物的生物轉氨化，是合成有機胺的強大生物催化劑。近年來，ω-轉氨酶作為生物胺化法合成FLA及其衍生物的生物催化替代品。然而，過量且昂貴的異丙胺和丙氨酸被用作胺供體，以<90%的產率將FAL轉化為FLA，這並不適合工業應用。此外，FAL在水中的不溶性限制了催化反應的進行和產生一系列副產物（包括乙醯丙酸、甲酸、5-羥甲基糠醛（HMF）等）的副反應的發生這也限制了FAL在全細胞生物催化劑上的生物轉化。
水作為最常用的溶劑之一，可作為FAL生產的反應介質。由於其高極性，FAL的溶解度極低，併產生某些副產物，這對FAL的生產有顯著的影響。為了達到高的FAL產率，各種反應介質包括環戊基甲基醚，二甲基亞碸，甲苯、γ-戊內酯、γ-丁內酯和離子液體已被用於將生物質或其衍生物轉化為FAL。目前，深共晶溶劑(DES)是由高熔點鹽作為氫鍵受體(HBA)和分子氫鍵供體(HBD)合成的溶劑，被發現並作為一種環境友好的溶劑用於生產生物基化學品，具有可重複使用、可生物降解，無毒，可大規模利用，蒸汽壓極低。DES的出現為建立一個環境友好的催化反應系統提供了一個機會，用於將生物質衍生的FAL轉化為FLA。使用廉價且可用的胺供體NH4Cl，透過DES中生產率高的高效生物催化劑將生物質衍生的FAL生物轉化為FLA−水系統值得深入研究。
ω-轉氨酶和L-丙氨酸脫氫酶（AlaDH）的組合可用於將FAL轉化為FLA。丙酮酸不會被去除，但在消耗廉價的氨和葡萄糖後，丙酮酸會被回收。在大腸桿菌細胞中丙酮酸還原胺化為丙酮酸所需的NADH可使用含有葡萄糖脫氫酶（GDH）/葡萄糖脫氫酶的成熟系統回收。
為了更有效地將FAL轉化為FLA，作者選擇生物胺化反應引數(如DES 和ChCl:EG劑量、NH4Cl劑量、胺化溫度和胺化pH)來評價CCZU-XLS160細胞的生物催化活性。生物胺化條件會顯著影響轉氨酶的生物轉氨化活性和效率，在DES ChCl:EG−water(0:1−1:1,v/v)中，CCZU-XLS160全細胞的生物催化活性存在顯著差異。
在ChCl:EG−水(10:90）時，生物轉氨酶活性最高，為水體系的2.37倍。DESs通常不揮發、無毒、可生物降解和不可燃。近年來，DESs在不同的生物催化反應中被評價為良好的溶劑。它們可以改善襯底供應、轉換和穩定性。FAL在水中的溶解度低。在本研究中，使用非揮發性和無毒的DES -ChCl:EG作為溶劑轉化低溶解度的FAL，獲得了較高的FLA產率。以50 mMFAL為底物，使用不同的NH4Cl / FAL比值(0.5:1−10:1,mol/mol)來評估胺供體劑量對CCZU-XLS160全細胞生物轉氨化活性的影響，當氨供體NH4Cl與FAL的摩爾比為2:1時，生物胺化活性最高。反應溫度對生物轉氨酶活性的影響如圖c所示，觀察到相對活性在35°C時達到最高。在CCZU-XLS160全細胞反應中，較高的胺化溫度可能導致ω-轉氨酶失活。反應PH對生物轉氨酶活性的影響如圖d所示，可以看出，生物轉胺作用的pH值對FAL的胺化作用有顯著影響，pH為7.5時活性最高。
測試乙醯丙酸、HMF和甲酸對FAL在FLA、底物1（50.0 mM FAL）、底物2（50.0 mM FAL和0.99 mM乙醯丙酸）、底物3（50.0 mM FAL和8.7 mM HMF）、底物4（50.0 mM FAL和0.45 mM 甲酸）和底物5（50.03 mM FAL、0.99 mM乙醯丙酸、8.7 mM HMF和0.45 mM 甲酸）中的生物測定效果用於評估CCZU-XLS160細胞在葡萄糖（25.5 mM）和木糖（48.0 mM）存在下的生物活性。
與對照(底物1,73.1% FLA產率)相比，以底物2 ~ 5為底物進行生物胺化10 h後，FLA產率略低(66.1 ~ 71.6%)，底物4 (FAL + 甲酸)對生物胺化的抑制作用較其他底物(含其他副產物)高，FLA產率為66.1%。雖然這些成分(HMF、甲酸和乙醯丙酸)在一定程度上對FAL的生物轉氨化具有一定的抑制作用，但底物1 ~ 5中的FAL在生物轉化48 h後可完全轉化為FLA。延長反應時間有利於生物胺化。與化學胺化FAL相比，CCZU-XLS160細胞生物胺化FAL的FLA產率(分析產率為100%)更高，且在環保節能的條件下進行。
在上述最佳條件下，對CC轉化為FLA的時間過程進行了監測。在DES−水系統在170°C時，Sn-DAT-SS介導的轉化75.0 g/L CC可在30分鐘內產生92.3 mM FAL。隨後，在35°C和pH 7下，在胺供體NH4Cl（2.0 mol NH4Cl/mol FAL）存在下，將CC衍生的FAL與CCZU-XLS160全細胞胺化。透過將生物測定時間從0小時增加到12小時，FLA的產量顯著增加,12h後，FLA的產率緩慢增加。最後，FAL在71.5h內完全轉化為FLA。FLA的產率達到100%。
FAL化學胺化為FLA需要昂貴的高溫催化劑。用Ru/HZSM-5在100℃下催化FAL，FLA的收率達到76%。與化學胺化相比，使用ω轉氨酶生物催化劑進行生物胺化可以在環境友好的反應條件下進行。使用D-丙氨酸（16:1丙氨酸:FAL）、L-丙氨酸（10:1丙氨酸:FAL）、或異丙胺（3:1異丙胺:FAL）作為胺供體，在35°C和pH 7.5條件下，FLA的產率分別為74.0、76.3或88.2%。在這些情況下，在生物轉氨化反應體系中添加了高負荷的昂貴胺類供體(丙氨酸和異丙胺)，但FLA產率仍然不高(<90%)，並伴有大量丙酮酸和丙酮。這兩種副產物不易從反應介質中分離出來。以氯化銨為胺供體，成功地開發了糠胺的綠色生產策略。CCZU-XLS160細胞對cc來源的FAL進行生物轉氨化，使用廉價的胺供體NH4Cl (NH4Cl與FAL的比例為2:1)，可獲得更高的FLA產率(分析產率為100%)。與之前的報告相比，成功論證了一種更環保、更經濟的FLA合成方法，具有潛在的應用前景。
整理：張經緯
文章資訊：
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c05109
文章連結:
https://pubs.acs.org/10.1021/acssuschemeng.1c05109
