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秦皮甲素/柚皮苷的全细胞催化酰化反应研究

赖学能  
【摘要】:黄酮类化合物是一类重要的多酚类化合物,具有抗氧化性、抗癌和抗病毒、抗菌等多种生理功能,在医药、食品和化妆品行业有很大的应用价值。然而,大部分黄酮的生理功能受限于其低脂溶性。研究表明,选择性修饰黄酮类化合物结构不仅可以提高其理化性质;还能显著增强其生理活性。当前,化学合成法和酶法催化黄酮类化合物的酰化反应是合成黄酮酯的两种基本方法。其中,化学法步骤多,污染大;需要多步保护和去保护步骤才能使得特定位置的羟基基团发生反应。酶促酰化法可以避免化学法的弊端,选择性高,但存在分离纯化成本高、稳定性差的不足。针对上述问题,本研究首次探讨了全细胞催化技术在黄酮类化合物选择性酰化反应中的可行性;从高产脂肪酶菌株中筛选具有催化黄酮类化合物酰化的菌株;探讨了不同诱导剂对微生物全细胞催化黄酮类化合物酰化反应的影响;以施氏假单胞菌为全细胞催化剂,分别在纯有机溶剂和混合有机溶剂中建立柚皮苷丙酰化和秦皮甲素丙酰化两个模型,考察了不同反应参数对反应的影响规律;建立起了黄酮酯合成的最佳反应体系。细胞培养过程中,培养基里的诱导剂组分对全细胞的催化活性以及生物量有重要影响,且其影响随着菌种的不同而有差异。在所筛选的12株来源微生物菌株中,铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa GIM 1.46、施氏假单胞菌Pseudomonas stutzeri GIM 1.273经含大豆油培养基培养后所制备的全细胞催化剂显示了催化秦皮甲素或者柚皮苷丙酰化反应的能力,其催化秦皮甲素丙酰化反应的转化率为47.9%;而铜绿假单胞菌则在含Tween 80的SM-2培养基中培养后获得最大活性,其催化秦皮甲素酰化反应的转化率为19.7%;在催化不同种类黄酮类化合物(柚皮苷、柚皮素、芦丁、橙皮苷)反应中,微生物全细胞显示了不同的底物识别特性。施氏假单胞菌全细胞在催化秦皮甲素和柚皮苷中显示了高区域选择性,所催化反应的主要产物为单酯,其区域选择性均在99%左右;酰化位点与底物含有的羟基结构类型有关,其中秦皮甲素主要在糖环的6位羟基上发生酯化,而柚皮苷则是在C6''发生酰化。研究表明,反应介质中的溶剂极性和底物在溶剂中的溶解度均对全细胞的催化效率有较大影响。在所研究的8种纯有机溶剂中,施氏假单胞菌在强极性溶剂DMSO、DMF、吡啶和底物溶解度极小的溶剂中均没有表现出催化活性;而在叔丁醇和叔戊醇中显示出较高的催化活性。以叔戊醇为反应溶剂,确定反应最佳条件为:全细胞催化剂用量为40 mg/m L、水分含量为0 mg/m L、底物摩尔比为20:1、温度为40℃、转速为180 r/m,反应时间为24 h;在上述条件下,全细胞催化反应的转化率达70.8%,反应的区域选择在99%左右。为解决疏水性溶剂中底物溶解度低的问题,研究采用疏水性有机溶剂-吡啶混合物作为反应介质。结果表明,在施氏假单胞菌全细胞催化秦皮甲素酰化中,除了四氢呋喃-吡啶混合溶剂外,反应转化率随着混合溶剂log P值的增大而增加。以异辛烷-吡啶混合物为反应溶剂,施氏假单胞菌全细胞催化秦皮甲素酰化的最佳体积比为50%(v/v)、全细胞催化剂用量20 mg/m L、水分含量0mg/m L、底物摩尔比20:1、温度40℃、转速150 r/m;在上述条件下,反应24 h后该全细胞催化反应的转化率达97%,区域选择在99%左右。操作稳定性的实验结果表明,表明该细胞可以重复利用,并具有一定的操作稳定性。放大实验结果表明,施氏假单胞菌全细胞催化合成黄酮酯的反应具有扩大化生产潜力。


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