化学/酶复合催化法制备生物基化学品研究进展

肖竹钱，欧阳洪生，葛秋伟，王珍珍，蒋成君，杨瑞芹，计建炳，毛建卫

(1.浙江科技学院 生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023;2.浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室，浙江 杭州 310023;3.浙江工业大学 化学工程学院，浙江 杭州 310014)

生物质含有自然界最丰富的有机碳源(仅我国秸秆产量就达7 亿t/年)，在资源短缺的大背景下，利用生物质实现生产石油基化学品的替代产物，不仅需要从原料上实现“绿色”，还需要从温和工艺条件下实现绿色生产，见图1。生物基化学品是指利用可再生的生物质(淀粉、葡萄糖、木质纤维素等)为原料生产的大宗化学品和精细化学品等产品，见图2，由于其并不是来源于化石原料，被认为是实现可持续发展的重要方向，引起国内外广泛重视。在生物基化学品中丁二酸、3-羟基丙酸、葡萄糖二酸、2，5-呋喃二甲酸、天冬氨酸、谷氨酸、衣康酸、乙酰丙酸、甘油、木糖醇、3-羟基-γ-丁内酯等可能是未来最有价值的生物基化学品［1］。对于能源消耗迅速增长的中国，面临着环境问题的巨大挑战，在此背景下，开发利用生物基化学品具有重大意义。

图1 生物质转化主要途径Fig.1 The mian process for biomass conversion

图2 生物质基化学品［7］Fig.2 Bio-based chemicals

目前，由生物质转化为化学品反应采用生物酶、Brnsted 和Lewis 酸等催化剂，主要进行的是单纯生物催化或化学催化过程，其主要缺点是副反应较多、需要分离中间产物、对设备要求较高、耗能较大等［2-3］。化学/酶复合催化法应用于生物基化学品制备实现了原料与过程的绿色化。1980 年，van Bekkum 等［4］首次描述了化学催化(金属催化剂)和生物催化(葡萄糖异构化酶)的兼容性，此法越来越多地应用于生物质炼制过程。化学/酶复合催化一步法反应延续了生物催化剂的高效、高选择性和化学催化剂的稳定性(高温下)等优点。若以水为溶剂，能使酶催化剂与化学催化剂在彼此协同作用下将多步转化反应整合为一步反应，避免了中间产物的分离，节省了溶剂的消耗，极大地提高了空时收率［5-6］，非常具有工业化潜力。本文主要论述化学/酶复合催化法在制备生物基化学品中的应用。

1 化学/酶复合催化法制备生物基糖醇

1.1 葡萄糖制备甘露醇

甘露醇是一种重要的六元醇，具有甜度适宜、热量低、无毒副作用等特点［7-8］。因其重要的理化性质，在食品工业上，是一种重要的营养型甜味剂;在医药上，用作渗透性利尿剂、脱水剂以及医药添加剂;在精细化工方面，甘露醇及以其为原料合成的多种精细化工产品用于增塑剂、纺织辅助剂、油品分散剂、表面活性剂等。在自然界中，甘露醇主要贮存于海藻体内、水果和植物的根茎叶等。工业合成甘露醇方法有:从海带中直接提取，葡萄糖电解还原法，葡萄糖异构法等，其中葡萄糖异构法应用最多。在金属催化剂(如，Ni 催化剂)作用下，在温度90 ℃，5.0 MPa 条件下，果葡糖浆加氢反应制备甘露醇的反应选择性只有70%［9］。采用化学/酶复合催化法制备甘露醇工艺中，金属加氢催化剂和异构化酶协同作用，甘露醇的收率可达84%［10］，见图3。此过程中可与葡萄糖异构化酶联合催化的金属催化剂有Pt/C、Y 型分子筛负载Ru 催化剂［11］、纳米Pd［12］等。其中，Y 型分子筛负载Ru 催化剂和异构化酶协同作用下，在氢压为6 MPa、反应时间为16 h 条件下，甘露醇的收率可达38%。而单独用含Ru 催化剂催化葡萄糖氢化所获得的甘露醇的收率只有1.5%，山梨醇的收率达到98%［13］。

图3 由葡萄糖化学/酶复合催化一步法制备甘露醇Fig.3 Chemo-enzymatic one-step progress for glucose to mannitol

1.2 淀粉制备山梨醇

山梨醇是一种具有很高价值的平台化合物，被美国能源部列为十二种最有价值的生物基单元化合物之一［14］。由山梨醇转化而来的化学品涉及能源、化工、食品、制药等重要领域。目前，绝大多数山梨醇都由淀粉水解成葡萄糖，再由葡萄糖加氢制得。淀粉水解催化剂主要有生物酶、Brnsted 酸和Lewis酸，葡萄糖加氢催化剂主要为金属(如Ni，Pt，Ru等)或有机金属催化剂［15-16］，但酸性条件水解加氢对设备腐蚀严重，废液污染环境。山梨醇也可在金属催化剂作用下利用纤维素直接加氢制得，Joung Woo Han 等［17］直接以纤维素为原料，利用含Ru 催化剂，反应温度为165 ℃，山梨醇收率为58. 7%。化学/酶复合催化一步法反应能够简化反应步骤，在低温中性环境实现反应过程，并通过降低分离和精制成本，提高反应经济性。Li Hui 等［18］利用糊精作原料，淀粉酶和Ru-B/mSiO2为催化剂，在348 K，氢压6.0 MPa 条件下，通过一步反应制得的山梨醇收率达82%，反应过程见图4。该方法以多孔SiO2为载体，将酶和化学催化剂整合成壳状结构，通过控制孔径大小，阻止了胶质物质吸附在催化剂表面，保护了催化剂的活性。因其具有壳状结构，在微观上就形成了众多微反应器，促进了反应的进行［19］。

图4 淀粉化学/酶复合催化一步法制备山梨醇Fig.4 Chemo-enzymatic one-step progress for starch to sorbitol

2 化学/酶复合催化法制备氨基酸

D 型氨基酸在20 世纪70 年代被科学家在人体中发现，被冠以“非天然”氨基酸之称，价格十分昂贵。因其重要的功能性质，在医药、食品、农药等方面具有广泛的应用，还参与人体的重要新陈代谢［6］。目前，D 型氨基酸主要通过生物转化法、物理化学拆分法等方法制备。前者特定酶催化剂成本较高，部分酶还对金属具有一定的依赖性;后者拆分选择性不高，纯度不高，只有60% ～90%［20］。利用化学/酶复合催化法能够“取长补短”，酶提高选择性，化学催化剂适用于直接合成反应，并且温度适应性强。Chen 等［21］以碱性蛋白酶、酰基转移酶和5-磷酸吡哆醛为催化剂在高浓度有机溶剂中合成D 型氨基酸和多肽，使氨基酸和多肽收率提高了15%以上。

3 化学/酶复合催化法制备其它生物基化学品

3.1 葡萄糖制备缩水甘油和葡萄糖酸

缩水甘油中含有环氧基和羟基两个具有反应活性的基团，是一种具有较高附加值的化工中间体或原料，它可作为合成表面活性剂、树脂、染料等的中间体，也可广泛用于各种溶剂的提取和分离。缩水甘油制备方法主要有甘油氯醇法、烯丙醇法、甘油/尿素法和甘油/3-氯-1，2-丙二醇法［22］，甘油/3-氯-1，2-丙二醇法一般以甘油为起始原料在高温、金属催化剂条件下进行。刘学民等［23］以ZnSO4为催化剂，在温度为215 ℃条件下合成目的产物的产率为83.8%，制备条件较为苛刻。而在以葡萄糖为原料制备葡萄糖酸工艺中，葡萄糖在氧化酶的作用下生成吡喃糖，副产物为H2O2，并以此为氧化剂，在SiO2负载Ti 催化剂作用下催化氧化烯丙醇制得缩水甘油，反应温度仅为30 ℃，反应产率为30%［24］，实现了上一个反应副产物的再利用。在反应初始，同时进料反应物和双组分催化剂，实现以葡萄糖为原料一步法制备缩水甘油和葡萄糖酸，见图5。

图5 葡萄糖化学/酶复合催化制备缩水甘油和葡萄糖酸Fig.5 Chemo-enzymatic progress for producing epihydric alcohol and gluconic acid

3.2 葡萄糖制备2-羟基呋喃乙酸

2-羟基呋喃乙酸(FA)是一种具有芳香性的羟基酸，因其特有的呋喃环，在聚酯工业应用广泛。它能与乳酸(LA)在一定条件下形成一种与聚苯乙烯(PS)性质非常相似的共聚物FA-LA，用于制造日常生活中的一次性餐具、汽车部件、包装材料、玩具、建筑材料、电器和家庭用品等。葡萄糖化学/酶复合催化法制备2-羟基呋喃乙酸在工艺上更为简便，目的产物的选择性高［25］，见图6。

图6 由葡萄糖化学/酶复合催化法制备2-羟基呋喃乙酸Fig.6 Chemo-enzymatic progress for producing glucose to 2-hydroxy furan acetic acid

3.3 甲基-D-吡喃半乳糖苷制备4-脱氧-D-葡萄糖

在甲基-D-吡喃半乳糖苷制备4-脱氧-D-葡萄糖需要多步反应［26］，见图7。

图7 化学/酶复合催化一步法制备4-脱氧-D-葡萄糖Fig.7 Chemo-enzymatic one-step progress for glucose to 4-deoxy-D-glucose

反应时间较长，工艺步骤繁琐，收率不高。为了提高目的产物的收率，将半乳糖氧化酶和金属催化剂Pt/C 应用于一步合成反应［27］。前半部分反应在半乳糖氧化酶的作用下，大大提高了中间产物的选择性，在中间产物不分离的前提下，后半部分反应将温度升至70 ℃后，金属加氢催化剂发挥催化作用。反应结果显示，4-脱氧-D-葡萄糖的收率大于95%。

3.4 乳酸制备生物基化学品

乳酸是一种重要的生物基平台化合物，由乳酸制得的生物基化学品具有良好的市场前景［5，28］，见图8。

图8 由乳酸作为平台化合物制备生物基化学品Fig.8 Use of lactic acid as a platform chemicals

乳酸可通过发酵法制备，发酵的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料或多糖［29］。乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌种类很多，但产酸质量不高，需要将粗乳酸进一步提纯［24-32］。乳酸也可以通过合成法制备，主要途径有乳腈法、丙烯腈法、丙酸法、丙烯法等［33-34］，但化学合成法过程工艺复杂，需要分解、精馏、浓缩等多步物理化学过程制得精乳酸。利用化学/酶复合催化一步法制备乳酸，选择性高，不需分离中间产物，反应条件温和，提高了反应的空时效率，见图9。

图9 化学/酶复合催化一步法制备乳酸Fig.9 Chemo-enzymatic one-step progress for preparation of lactic acid

4 结束语

化学/酶复合催化法为生物质炼制和生物质衍生物转化为生物基化学品提供了一条更为绿色的工艺路径。此法在简化反应步骤、降低中间产物分离和精制过程的能耗等方面具有巨大优势，过程经济性好，符合绿色化学概念，在生物质炼制方面，将为我们带来巨大的环境效益。然而，在生化催化剂的制备与重复利用、寻找联合催化最适反应条件等方面需要进一步探索。生物催化剂和化学催化剂具有完全不同的催化机理，复合化学/酶催化剂于一步法制备工艺最根本的是要提高两种催化条件的兼容性。寻找最优催化条件使两种催化剂都能达到较好的催化性能，这是生物催化剂和化学催化剂复合的关键。

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