全 文 :第 12卷第 4期
2014年 7月
生 物 加 工 过 程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol 12 No 4
Jul 2014
doi:10 3969 / j issn 1672-3678 2014 04 014
收稿日期:2013-03-21
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB724706)
作者简介:刘长根(1986—),男,江西吉安人,硕士研究生;研究方向:生物化工;周 华(联系人),教授,E⁃mail:zhouhua@ njtech edu cn
漆酶催化苯甲醇氧化制备苯甲醛
刘长根,徐 飞,贾红华,周 华,韦 萍
(南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 211800)
摘 要:以自制的高活性漆酶为催化剂,考察漆酶催化苯甲醇制备苯甲醛的工艺条件(底物浓度、介质体系、溶剂体
系、氢受体、酶的用量、通氧方式等)对氧化反应的影响。 结果发现:优化反应条件为以 2,2,6,6 四甲基哌啶 1
氧基(TEMPO)为介质体系且 TEMPO与苯甲醇的摩尔比为 1 ∶4、60 mmol / L的丙酮为氢受体、漆酶比酶活 80 U / mL、
60 mmol / L的苯甲醇,反应体系通 O2 0 5 h后密闭反应 36 h,苯甲醛的产率达 98%。
关键词:苯甲醇;苯甲醛;漆酶;氧化
中图分类号:TQ033 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2014)04-0072-04
Preparation of benzaldehyde from benzyl alcohol by oxidation with laccase
LIU Changgen,XU Fei,JIA Honghua,ZHOU Hua,WEI Ping
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University ,Nanjing 211800,China)
Abstract: The catalyzing benzyl alcohol to benzaldehyde in aquneous solution by fungi laccase was
studiea. Factors, including substrate concentration, medium system, solvent, hydrogen receptor, enzyme
dosage, oxygen, and reaction time were discussed on the influence of the catalytic reaction. The optimal
conditions for benzaldehyde production were as follows: the best medium was TEMPO and the molar
concentration ratio of TEMPO and benzyl alcohol was 1 ∶ 4, the best acetone concentration was 60
mmol / L, the optimal enzyme dosage was 80 U / mL, the optimal concentration of benzene methanol was
60 mmol / L, oxygen had been initially purged for 30 min in the solvent, the best reaction time was 36 h.
The yields of benzaldehyde reached 98%.
Key words:benzyl alcohol;benzaldehyde;laccase;oxidation
苯甲醛是一种重要的化工原料, 广泛地应用于
医药、农药、香料及染料等行业。 生产苯甲醛的传
统生产方法是采用苄叉二氯水解法[1]和甲苯氧化
法[2]。 其中,苄叉二氯水解法存在工艺流程长、产
物分离困难、产品中含氯元素且排放出腐蚀性气体
等不足,污染环境严重;甲苯氧化法是利用金属催
化剂直接选择性氧化制备苯甲醛,虽然工艺过程简
单, 但产物产率较低。
漆酶在氧化反应中的应用研究较多,但主要偏
重研究酚类、胺类和木质素类等[3-6]化合物的氧化,
目前对醇类化合物的氧化研究较少,而且主要侧重
于对氧化反应机制的研究[7-11],专门针对苯甲醇的
氧化研究偏少,尤其是对反应底物浓度(一般底物
反应浓度为 20 mmol / L,偏低)、氢受体种类及反应
溶剂等反应工艺参数优化的研究更未见报道。
为此,笔者以自制的高活性漆酶为催化剂,研究
苯甲醇催化氧化制备苯甲醛,通过氧化反应条件的优
化研究,为苯甲醛的高效绿色合成奠定实验基础。
1 材料与方法
1 1 材料
1 1 1 主要试剂
苯甲醇(分析纯),上海凌峰化学试剂有限公
司; 2,2 连氮 双(3 乙基苯并噻唑 6 磺酸)
(ABTS ) (98%),东京化成工业株式会社; 2,2,6,
6 四甲基哌啶 1 氧基(TEMPO) (98%),阿拉丁
公司;无水 1 羟基 苯并 三氮唑(HBT)(98%),上
海晶纯试剂有限公司;紫脲酸(VLA) (97%),Fluka
公司;其他试剂均为市售分析纯。
1 1 2 主要仪器
SP 6890型气相色谱仪(山东鲁南瑞虹化工仪器
有限公司),HTZ C 1台式冷冻恒温振荡器(太仓市
实验设备厂),PHS 3C型 pH计(上海雷磁仪器厂)。
1 2 实验方法
1 2 1 漆酶的发酵及提取方法
以笔者所在实验室筛选的白腐菌 Coriolus
versicolor ZHH为菌种,经摇瓶发酵培养后得到含酶
发酵液,离心去除菌体等固形物,加入(NH4) 2SO4、
离心获得沉淀,经冷冻干燥获得漆酶干粉,4 ℃冰箱
保存备用。
1 2 2 苯甲醇氧化反应方法
初始氧化反应条件:在 25 mL 的反应瓶中加入
20 mmol / L苯甲醇溶液和 40 U / mL 漆酶,总反应体
积为 10 mL,30 ℃、通 O2 0 5 h 后密闭振荡反应 24
h;反应结束后取样测定底物和产物浓度,计算反应
转化率。
1 2 3 漆酶酶活的测定方法
以 ABTS为底物,在 420 nm条件下测定漆酶酶
活, 具体方法参照文献[12-13]。
1 2 4 底物与产物的检测方法
反应结束后转化液用二氯甲烷萃取 3次,去除水
相,含底物和产物的有机相直接利用气相色谱测定浓
度。 色谱柱为安捷伦 DB 225毛细管色谱柱(30 m×
0 32 mm×0 25 um),具体分析方法参照文献[14]。
2 结果与讨论
2 1 介质体系对苯甲醇氧化反应的影响
2 1 1 介质体系的选择
漆酶的氧化还原电势较低,苯甲醇结构较稳
定,必须借助电子传递介质能够完成反应。 故在初
始反应条件下,考察不同电子传递介质 ABTS、HBT、
VLA和 TEMPO(10 mmol / L)对苯甲醇氧化反应的
影响,结果见图 1。
图 1 介质体系对苯甲醛产率的影响
Fig 1 Effects of medium system of on yield of benzaldehyde
从图 1可看出,介质 TEMPO的加入对漆酶催化
苯甲醇制备苯甲醛氧化反应的效率最高(58%),故以
下实验均加入 TEMPO作为氧化反应介质体系。
2 1 2 TEMPO的用量对苯甲醛产率的影响
考察 TEMPO 的用量对苯甲醛产率的影响,结
果见图 2。 由图 2可知:当 TEMPO与苯甲醇的质量
摩尔比为 1 ∶4时,苯甲醛的产率最高,达到 71%。
图 2 TEMPO与苯甲醇的摩尔浓度比对
苯甲醛产率的影响
Fig 2 Effects of TEMPO and benzene methanol molar
concentration ratio on yield of benzaldehyde
2 2 底物浓度对氧化反应的影响
目前,漆酶氧化醇类化合物的研究中底物浓度
一般选择为 20 mmol / L,较低的底物及产物浓度必
将给工艺放大与应用带来诸多麻烦,因此提高底物
的反应浓度对于苯甲醛的酶法制备具有积极意义。
在反应体系中考察不同底物浓度(20 、40、60 、80 和
100 mmol / L),加入 40 U / mL 漆酶和上述浓度的
TEMPO,30 ℃、通 O2 0 5 h密闭振荡反应 24 h,测定
反应体系中苯甲醛的产率,结果见图 3。
37 第 4期 刘长根等:漆酶催化苯甲醇氧化制备苯甲醛
图 3 苯甲醇浓度对苯甲醛产率的影响
Fig 3 Effects of concentration of benzyl alcohol
on yield of benzaldehyde
由图 3可知:随着底物浓度的提高,氧化反应收
率仍保持较高的水平,表明漆酶对高浓度底物有较
好的耐受性,当底物苯甲醇的浓度为 60 mmol / L,反
应体系的苯甲醛产率最高,可达到 76%。
2 3 漆酶用量对氧化反应的影响
为进一步提高氧化反应得率、降低漆酶用量,
在上述优化实验基础上,在反应体系中采用不同漆
酶用量(10、40、60、80、100 和 150 U / mL)进行氧化
反应,测定苯甲醛的产率,结果见图 4。
图 4 漆酶用量对苯甲醛产率的影响
Fig 4 Effects of concentration of laccase on yield
of benzaldehyde
由图 4 可知:苯甲醛的产率并未随着漆酶用量
的增加而增加,当反应体系中加入 80 U / mL 的漆酶
时,苯甲醛的产率达到 80%。
2 4 氢受体对氧化反应的影响
氢受体能够接受电子被还原,从而促进苯甲醇
的氧化反应。 在前面优化条件基础上,考察不同氢
受体(丙酮、甲醛、戊二醛和乙醛)对苯甲醛产率的
影响,结果见图 5。 由图 5可知:丙酮作为氢受体效
果最好。 同时,考察不同丙酮浓度对苯甲醛产量的
影响,结果见图 6。 由图 6可知,当丙酮的加入量为
60 mmol / L时,苯甲醛产率最高,达到 89%。
图 5 氢受体对苯甲醛产率的影响
Fig 5 Effects of hydrogen acceptor on yield
of benzaldehyde
图 6 丙酮浓度对苯甲醛产率的影响
Fig 6 Effects of acetone concentration on yield
of benzaldehyde
2 5 助溶剂对氧化反应的影响
由于产物苯甲醛不溶于水,反应体系中加入少
量有机溶剂可以促进苯甲醛向有机相的转移,推动
反应向产物方向进行,提高产物的转化得率。 在上
述优化实验条件基础上,考察不同有机溶剂(丁二
酸二甲酯、环氧己烷、四氢呋喃、乙腈、乙酸乙酯和
正丁酸,0 5 mol / L)对氧化反应的影响,结果见图
7。 由图 7可知:助溶剂的加入对苯甲醛的收率提高
没有促进作用,结合下游产物分离成本,故反应中
不考虑添加助溶剂。
2 6 通氧方式对反应的影响
O2是氧化反应的必要因素,由于 O2 在反应溶
液中溶解度较低,故不同的供氧方式影响氧化反应
的得率。 在上述优化实验的基础上,通 O2 0 5 h后,
再考察不同通氧方式(密封、敞开和连续通氧等)对
氧化反应的影响,结果见图 8。
由图 8知:通 O2 0 5 h 后密闭反应时,苯甲醛的
产率最高,达 94%。 敞开反应时,苯甲醛的产率最低。
这可能是氧化反应需要一定量 O2 的参与,但过高的
O2浓度对酶会产生中毒作用、导致反应率下降。
47 生 物 加 工 过 程 第 12卷
图 7 助溶剂对苯甲醛产率的影响
Fig 7 Effects of different solvent system on
yield of benzaldehyde
图 8 供氧方式对苯甲醛产率的影响
Fig 8 Effect of oxygen supply mode on
yield of benzaldehyde
同时考察反应时间对苯甲醛产率的影响,发现
反应 36 h苯甲醛的最高产率为 98%(图 9)。
图 9 反应时间对苯甲醛产率的影响
Fig 9 Effects of reaction time of on yield of benzaldehyde
3 结 论
以自制的高活性漆酶为催化剂,开展了漆酶催
化苯甲醇制备苯甲醛的合成工艺优化研究。 经过
优化得到的最佳工艺条件为以 80 U / mL的漆酶为催
化剂,在柠檬酸 /柠檬酸钠反应体系中,以 TEPMO
为介质体系(TEMPO 与底物苯甲醇的最佳摩尔浓
度比为 1 ∶4 )、 60 mmol / L 的丙酮为氢受体, 60
mmol / L的苯甲醇在通 O2 0 5 h后密闭反应 36 h,最
终苯甲醛的产率达 98%,为酶法制备苯甲醛的工艺
放大与应用奠定了良好基础。
参考文献:
[ 1 ] 柳艳修,宋华,王宝辉.甲苯直接氧化制苯甲醛研究进展[ J] .
工业催化,2005,13(2):24⁃28.
[ 2 ] 葛欣,张惠良,范军.铈钼氧化物对甲苯气相选择氧化制苯甲
醛的催化性能[J] .催化学报,1998,19(1):42⁃46.
[ 3 ] Bettin F,Montanari Q,Calloni R,et al.Production of laccases in
submerged process by Pleurotus sajor⁃caju PS⁃2001 in relation to
carbon and organic nitrogen sources,antifoams and Tween 80[J] .
J Ind Microbiol Biotechnol,2009,36(1):1⁃9.
[ 4 ] Kim S,Kim D,Park J.Synthesis of 2,5⁃diaminoquinones by one⁃
pot copper⁃catalyzed aerobic oxidation of hydroquinones and
addition reaction of amines[J] .Adv Synth Catal,2009,351(16):
2573⁃2578.
[ 5 ] Rodriguez E,Nuero O,Guillén F,et al. Degradation of phenolic
and non⁃phenolic aromatic pollutants by four Pleurotus species:
the role of laccase and versatile peroxidase[J] . Soil Biol
Biochem,2004,36(6):909⁃916.
[ 6 ] Kluczek⁃Turpeinen B, Tuomela M, Hatakka A, et al. Lignin
degradation in a compost environment by the deuteromycete
Paecilomyces inflatus [ J] . Appl Microbiol Biotechnol, 2003, 61
(4):374⁃379.
[ 7 ] Barreca A M, Fabbrini M, Gali C, et al. Laccase / mediated
oxidation of a lignin model for improved delignification procedures
[J] .J Mol Catal B:Enzymatic,2003,26(1 / 2):105⁃110.
[ 8 ] Arzola K G, Arevalo M C, Falcon M A. Catalytic efficiency of
natural and synthetic compounds used as laccase⁃mediators in
oxidising veratryl alcohol and a kraft lignin, estimated by
electrochemical analysis [ J] . Electrochim Acta, 2009, 54 ( 9):
2621⁃2629.
[ 9 ] Hong F, Jönsson L J, Lundquist K, et al. Oxidation capacity of
laccases and peroxidases as reflected in experiments with
methoxy⁃substituted benzyl alcohols[J] . Appl Biochem
Biotechnol,2006,129(1 / 2 / 3):303⁃319.
[10] Liebminger S,Siebenhofer M,Guebitz G.Oxidation of glycerol by
2,2,6,6⁃tetramethylpiperidine⁃N⁃oxyl (TEMPO) in the presence
of laccase[J] .Bioresour Technol,2009,100(20):4541⁃4545.
[11] d′Acunzo F,Baiocco P,Fabbrini M,et al.A mechanistic survey of
the oxidation of alcohols and ethers with the enzyme laccase and
its mediation by TEMPO [ J] . Eur J Org Chem, 2002, 2002:
4195⁃4201.
[12] 何为, 詹怀宇, 王习文,等.一种改进的漆酶酶活检测方法
[J] .华南理工大学学报:自然科学版,2003,31(12):46⁃57.
[13] 张鹏.以 ABTS为底物测定漆酶活力的方法[ J] .印染助剂,
2007,24(1):43⁃45.
[14] 谭平华,唐盛伟,刘长军,等,气相色谱法同时测定苯甲醛、苯
甲醇和苯甲酸[J] .天然气化工,2007,32(2):64⁃66.
(责任编辑 荀志金)
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