酶法催化轉化乳酸生產D—丙氨酸

王勝鋒 黃毅 廖芬艷 曾紅宇 許崗

摘 要：該文提出了一種基于酶法轉化乳酸制備D-丙氨酸的方法。首先，采用乳酸氧化酶催化氧化乳酸生產丙酮酸，然后利用D-氨基酸脫氫酶將丙酮酸還原成D-丙氨酸，在此過程中加入D-氨基酸脫氫酶、甲酸脫氫酶和NADP，構建了輔酶再生體系。乳酸被氧化過程中會產生副產物過氧化氫，會導致丙酮酸的降解，通過添加過氧化氫酶除去過氧化氫。通過優化工藝條件，D-丙氨酸的轉化總摩爾收率能達到64.9 %，產品的ee值達到99.9 %。該研究制備D-丙氨酸相對于傳統方法，具有工藝環保、成本低，質量好等優點，適用于工業化生產。

關鍵詞：乳酸；乳酸氧化酶；丙酮酸；D-氨基酸脫氫酶；甲酸脫氫酶；D-丙氨酸

中圖分類號：Q935 文獻標志碼：A

0 前言

D-丙氨酸作為一種重要的手性化合物，已經在制藥、食品、化妝品等領域得到廣泛應用。它是生產維生素B6的原料，有鎮痛的作用；還是一種甜味劑，是合成二肽阿力甜的重要原料。同時，它還有抑菌的作用，可用作化妝品的添加劑等。

常規D-丙氨酸的生產方法主要有微生物發酵法和化學合成法。微生物發酵法生產周期長、投資大，且制備的D-丙氨酸光學純度不高。化學法主要有不對稱合成和手性拆分的方法，不對稱合成需要較為昂貴的催化劑，成本高，不適用于大規模生產。手性拆分原料成本高，且有一半的L-丙氨酸需要去除，手性純度難以保證。以5-甲基海因為底物通過外消旋后，再用海因酶和氨甲酰水解酶制備D-丙氨酸，此方法消旋速度慢，條件苛刻，難以工業化。

酶法合成D-丙氨酸工藝以其高效催化、綠色環保等特點引起了研究者的關注。最近，朱敦明課題組報道了采用以α酮酸為底物，利用共固定化的二氨基庚二酸脫氫酶和甲酸脫氫酶制備D-丙氨酸，該方法以NADH為輔酶，催化α酮酸直接轉化為D-丙氨酸，產品光學純度>98 %。該工藝的不足之處是采用酮酸為原料，成本較高。該文針對該方法的缺點開發了一種酶法制備D-丙氨酸的新方法。采用價格比丙酮酸低10倍的廉價材料乳酸為底物，先采用乳酸氧化酶（LOD）催化乳酸制備丙酮酸，然后采用D-氨基酸脫氫酶（DAADH）和NADP（H）轉化丙酮酸為D-丙氨酸。中間加入甲酸脫氫酶（PFDH），與DAADH和NADP（H）構成了輔酶再生體系，轉化過程如圖1所示。該方法成本較低、產品光學純度高，適用于工業化大生產。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

試劑：過氧化氫酶，0.3 Mu/mL，山東泰安信得利生物工程有限公司。固定化LOD，100 U/g，PFDH，30 U/mL，DAADH，114 u/mL，均由湖南福來格生物技術有限公司生產。乳酸，含量80 %，河南金丹乳酸科技股份有限公司。其他試劑均為分析純。實驗所用的水均為超純水。

儀器：氧化反應器，上海保興。高效液相色譜，Agilent 1100。旋轉蒸發儀，上海亞榮RE-2000A。

1.2 實驗方法

1.2.1 酶催化制備乳酸

將pH為7.0濃度為6 %的乳酸溶液導入氧化反應器中。然后加入一定量的過氧化氫酶，攪拌0.5 h。取一定量的LOD導入氧化反應器中，通入氧氣，開啟反應。取樣做HPLC分析，當乳酸的殘留小于2 mg/mL時，停止攪拌和通氧，反應停止，過濾出反應液。

1.2.2 酶催化制備D-丙氨酸

在過濾的丙酮酸溶液中加入2倍丙酮酸摩爾量的甲酸銨，并開啟攪拌，調節pH到7.0，將一定量的PFDH、DAADH以及NADP加入轉化料液中，開啟反應。取樣做HPLC分析，當丙酮酸的殘留小于2 mg/mL時，停止攪拌，反應停止，采用5K的超濾膜過濾出反應液。

1.2.3 結晶

上述超濾得到的溶液，加入3 ‰活性炭脫色0.5 h，過濾后升溫濃縮，濃縮到一定濃度后，倒入玻璃燒杯中，冰浴降溫到5 ℃后，過濾，干燥，得到D-丙氨酸成品。

2 結果和討論

2.1 過氧化氫酶加量對LOD催化收率的影響

在LOD氧化乳酸生成丙酮酸的過程中，會產生H2O2，H2O2會對酶產生不利影響，同時也會導致丙酮酸的降解，通過在轉化體系中加入過氧化氫酶去除H2O2。該研究考察了過氧化氫酶加量對轉化收率的影響。其他反應條件為：乳酸濃度6 %，LOD投量為6 000 u/mol，反應溫度30 ℃，pH 7.0。結果如圖2所示。

由圖2可知，當過氧化氫酶濃度達到0.15 Mu/mol時，轉化的收率基本達到穩定值，繼續提高過氧化氫酶的濃度，轉化的收率基本無增長，因此選擇最佳的過氧化氫酶濃度為0.15 Mu/mol。

2.2 LOD投量對轉化的影響

該研究考察了酶添加量對轉化反應的影響。其他反應條件與2.1所述一樣。結果如圖3所示。

由圖3可知，當LOD的加量越大，轉化所需時間越短。當氧化酶投量為12 500 u/mol時，氧化反應在2 h內基本達到平衡，此時的收率僅為40 %。當酶的加入量小于8 500 u/mol時，反應達到平衡的時間延長至5 h～6 h，收率也在逐步提高。由于酶的投量越大，反應越劇烈，需要的過氧化氫酶的用量也要增加，綜合考慮轉化時間和酶應用的經濟性，酶的投量選擇6 000 u/mol。

2.3 PFDH和DAADH投量對轉化速度的影響。

該研究考察了PFDH和DAADH投量對轉化反應的影響，PFDH和DAADH投量以1︰1的比例投入。其他反應條件為丙酮酸濃度4 %，NADP投量0.06 g/mol，反應溫度為30 ℃，pH為7.0。結果如圖4所示。

由圖4可知，當PFDH和DAADH加量達到12 000 u/mol后，反應5 h基本達到平衡，收率≥80 %。基于經濟性的考慮，選擇PFDH和DAADH投酶量為24 000 u/mol。

2.4 最優條件下制備D-丙氨酸的數據分析

在最優條件下，乳酸濃度6 %，LOD投量為6 000 u/mol，過氧化氫酶0.15 Mu/mol；PFDH和DAADH投量為24 000 u/mol以及NADP量為0.06 g/mol，兩步轉化結果如圖5所示。

從圖5可以看出，乳酸氧化成丙酮酸的摩爾收率為70.8 %，丙酮酸轉化成D-丙氨酸的收率為92.1 %，總收率為65.2 %。

將轉化后的料液進行結晶處理，得到成品，經檢測，成品的ee值可達99.9 %，說明該工藝能夠制備出高純度的D-丙氨酸。

3 結論

該文提出了一種兩步酶法催化乳酸制備成高純度的D-丙氨酸的方法，通過優化各酶投加量等條件，在保證工藝經濟性的同時，提高了轉化的收率。其中乳酸氧化成丙酮酸的收率達到70 %，丙酮酸制備成D-丙氨酸的收率達到80 %，通過分離結晶后，制備成了高手性純度的D-丙氨酸，其ee值達到了99.9 %以上。

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