【文献交流】丝状真菌作为生物催化剂氧化5-羟甲基糠醛（HMF）的研究

“丝状真菌作为生物催化剂对5-(羟甲基)糠醛 (HMF) 氧化的研究”

概括

本研究探索了丝状真菌作为生物催化剂对HMF的氧化转化。研究人员采用全细胞催化法研究了5种不同丝状真菌对5-羟甲基糠醛（HMF）的氧化能力，其中黑曲霉和里氏木霉表现出优异的HMF转化率和产物积累。此外，这两种全细胞生物催化剂可与漆酶/四甲基哌啶氧化物（TEMPO）偶联，实现HMF一锅法氧化转化为2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。经过条件优化，最佳的一锅法级联反应体系为1g/L T.全细胞、2.5mM漆酶和20mol% TEMPO，反应80h后FDCA的摩尔产率为88%。

研究背景

FDCA 是一种很有前途的生物基替代品，可用于生产可生物降解的聚酯，有望在聚酯生产中取代石油衍生的对苯二甲酸。由于酶和细胞本质上是可生物降解的，它们可能比化学计量试剂和金属催化剂更清洁、更环保，同时还具有很高的化学、区域和立体选择性，即使对于具有复杂结构和氧化敏感功能团的精细化学品也是可靠的。目前，一些研究将酶和全细胞生物催化剂一起用于“一锅法”反应，以充分利用两者的优势，同时最大限度地减少各自的缺点。酶广泛可用，但目前使用的大多数全细胞生物催化剂由细菌或酵母组成。然而，丝状真菌很少被研究作为全细胞生物催化剂。因此，本研究采用丝状真菌-酶偶联系统氧化转化 HMF 以生产 FDCA。

主要研究内容与结果

首先，将黑曲霉、红柄菇、产紫青霉、米根霉和里氏木霉在含有1g/L HMF的液体培养基中培养，收集菌体作为HMF转化的全细胞生物催化剂。如图1a所示，除R.外，各菌种均能在60h内转化全部HMF，20h后均检测到HMFCA，此外，在40h时，在P的上清液中检测不到任何产物。同时，如图1b所示，pH值与HMF转化率呈相关性。这些结果表明T.和A. niger易将HMF氧化为HMFCA，但是进一步氧化的活性很低。

图 1 (a) HMF 转化率、HMFCA 摩尔% 产率以及 20 小时后的最大 HMFCA 摩尔% 产率；(b) 60 小时内上清液的 pH 变化

接下来，为了实现HMF氧化转化生成FDCA，研究人员开发了T.和A. niger与漆酶/TEMPO的偶联体系。单独使用漆酶/TEMPO，可以氧化HMF并积累FFCA和少量FDCA（见图2）。从图2中可以看出，漆酶/TEMPO的加入并没有增加A. niger中FDCA的积累，反而对HMFCA的积累有抑制作用。这可能与TEMPO对细胞的毒性作用有关。另一方面，T.似乎对TEMPO的存在有更强的耐受性，20h后FDCA在T.的上清液中积累，每个浓度大约增加一倍。

图2 HMF转化率及产物积累率随pH值的变化趋势

最后作者对T. aurea的氧化生物催化反应条件进行了优化。采用Box-对HMFCA的生成进行了优化。表1和图3a共同表明，较高的生物催化剂浓度对HMFCA产量的影响相对较低，而温度与较高的HMFCA产量相关，而转速对HMFCA产量的影响最小。然后在优化的条件下，以10-40 mol％TEMPO与T. aurea结合漆酶进行实验。如图3c所示，在含有10-20 mol％TEMPO的溶液中，HMF完全转化，FFCA（20 h后）和FDCA（60 h后）积累，几乎检测不到HMFCA。在最佳TEMPO浓度（20 mol％）下，FDCA的产率高达90％。

表 1 箱式实验设计和用 1 g/L HMF 处理 20 小时后的 T. HMFCA 产量

图3 （a）生物质与温度（左上）、温度与转速（右上）、转速与生物质（下）相互作用的云图；（b）反应20h后HMF转化率和HMFCA产率；（c）HMF转化率和生成速率；（d）HMF转化效率和HMFCA产率

总结

本文的亮点是鉴定了几种能够将 HMF 转化为 HMFCA 的丝状真菌菌株，并开发了一种利用丝状真菌全细胞偶联漆酶/TEMPO 将 HMF 生物氧化转化为 FDCA 的方法。

这篇文章对我最大的启示是，由于酶和细胞本质上都是可生物降解的，酶提供了更高的反应效率和控制能力，而全细胞生物催化剂通常更强大。全细胞生物催化剂与漆酶/TEMPO耦合的一锅反应可以高效催化HMF转化为FDCA。我们的最终目标是将HMF氧化为FDCA，但现在只能将HMF氧化为HMFCA。借鉴这篇文章，我们可以利用先将HMF氧化为HMFCA，然后选择一些氧化酶将HMFCA进一步氧化为FDCA。