[发明专利]一种双酶偶联催化5-羟甲基糠醛还原合成2,5-呋喃二甲醇的方法

说明书

本发明公开了一种双酶偶联催化5‑羟甲基糠醛还原合成2,5‑呋喃二甲醇的方法，将醇脱氢酶基因工程菌和葡萄糖脱氢酶基因工程菌各自经诱导表达获得的菌体冻干，获得的的醇脱氢酶冻干菌粉与葡萄糖脱氢酶冻干菌粉混合后作为催化剂，以5‑羟甲基糠醛为底物，以葡萄糖为辅底物，以NADP⁺为辅酶，以pH 4～9的缓冲液为反应介质构成反应体系，在温度为20～50℃，400rpm条件下反应完全后，反应液分离纯化，获得2,5‑呋喃二甲醇。该生物催化体系可耐受高浓度5‑羟甲基糠醛。采用恒速连续流加工艺进一步解除醛类底物对生物催化剂的抑制，产物浓度可达1300mM，时空得率最高可达获得224g/(L·d)。

(一)技术领域

本发明属于生物催化领域，涉及一种以5-羟甲基糠醛为底物双酶偶联催化5-羟甲基糠醛还原合成2,5-呋喃二甲醇的方法。

(二)背景技术

2,5-呋喃二甲醇作为一种高附加值的二醇，在合成树脂及药物的多杂环化合物的制备研究中具有重要应用。随着化石资源的日益缩减，由可再生的生物质基平台分子5-羟甲基糠醛催化制备2,5-呋喃二甲醇引起人们的广泛关注，是实现生物质资源高值化利用的研究重点之一。

目前，用化学催化剂催化5-羟甲基糠醛氢化制备2,5-呋喃二甲醇仍占主导地位，然而，化学法需要高温、高压等苛刻的反应条件，涉及有机溶剂和有毒化学品，剧毒、腐蚀性的废渣难以处理，造成严重的环境问题。另外，在5-羟甲基糠醛氢化制备2,5-呋喃二甲醇过程中，选择合适的催化剂及反应条件，将5-羟甲基糠醛选择性氢化转化为2,5-呋喃二甲醇并获得较高的得率仍然是一个重大挑战。生物催化还原5-羟甲基糠醛生产2,5-呋喃二甲醇由于其催化效率高、选择性好、反应条件温和等优点，成为化学催化的重要替代方法。总的来说，生物法催化5-羟甲基糠醛生成2,5-呋喃二甲醇已成为研究热点，但是生物酶法合成2,5-呋喃二甲醇的研究尚未成熟。现有的生物催化剂往往因其催化效率低、适用底物浓度低和辅酶循环效率低达不到产业化的要求而无法实现工业化应用。

为了提高生物催化合成的原子经济性，反应设计融合了基于葡萄糖脱氢酶(BmGDH_M6)的辅酶循环体系：醇脱氢酶YahK利用NADPH催化5-羟甲基糠醛加氢生成2,5-呋喃二甲醇和NADP⁺，而葡萄糖脱氢酶BmGDH_M6则起到驱动辅酶循环的作用，利用葡萄糖和NADP⁺生成葡萄糖酸和NADPH。为了提高2,5-呋喃二甲醇的合成效率，生物催化剂选用了多种醇脱氢酶(YsADH、AdhP、YahK、YjgB，优选YahK)。该生物催化体系可耐受高浓度5-羟甲基糠醛(500mM)。为了进一步解除高浓度醛类底物对生物催化剂的抑制，采用恒速连续流加工艺，获得了更高的时空得率。

(三)发明内容

本发明目的是提供一种双酶偶联催化5-羟甲基糠醛还原合成2,5-呋喃二甲醇的方法，以5-羟甲基糠醛为底物、以葡萄糖为辅底物、优选的醇脱氢酶YahK利用NADPH催化5-羟甲基糠醛加氢生成2,5-呋喃二甲醇和NADP⁺，而优选的葡萄糖脱氢酶BmGDH_M6则起到驱动辅酶循环的作用，利用葡萄糖和NADP⁺生成葡萄糖酸和NADPH。该生物催化体系可耐受高浓度5-羟甲基糠醛(500mM)。采用恒速连续流加工艺进一步解除高浓度醛类底物对生物催化剂的抑制，产物浓度可达1300mM，时空得率最高可达224g/(L·d)。该方法具有原子经济性高、催化效率高、适用底物浓度高和辅酶循环效率高等优点。

本发明采用的技术方案是：