肖竹錢，歐陽洪生，葛秋偉，王珍珍，蔣成君，楊瑞芹，計(jì)建炳，毛建衛(wèi)

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023;3.浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

生物質(zhì)含有自然界最豐富的有機(jī)碳源(僅我國秸稈產(chǎn)量就達(dá)7 億t/年)，在資源短缺的大背景下，利用生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)石油基化學(xué)品的替代產(chǎn)物，不僅需要從原料上實(shí)現(xiàn)“綠色”，還需要從溫和工藝條件下實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，見圖1。生物基化學(xué)品是指利用可再生的生物質(zhì)(淀粉、葡萄糖、木質(zhì)纖維素等)為原料生產(chǎn)的大宗化學(xué)品和精細(xì)化學(xué)品等產(chǎn)品，見圖2，由于其并不是來源于化石原料，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，引起國內(nèi)外廣泛重視。在生物基化學(xué)品中丁二酸、3-羥基丙酸、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-羥基-γ-丁內(nèi)酯等可能是未來最有價(jià)值的生物基化學(xué)品［1］。對(duì)于能源消耗迅速增長的中國，面臨著環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)，在此背景下，開發(fā)利用生物基化學(xué)品具有重大意義。

圖1 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化主要途徑Fig.1 The mian process for biomass conversion

圖2 生物質(zhì)基化學(xué)品［7］Fig.2 Bio-based chemicals

目前，由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)品反應(yīng)采用生物酶、Brnsted 和Lewis 酸等催化劑，主要進(jìn)行的是單純生物催化或化學(xué)催化過程，其主要缺點(diǎn)是副反應(yīng)較多、需要分離中間產(chǎn)物、對(duì)設(shè)備要求較高、耗能較大等［2-3］。化學(xué)/酶復(fù)合催化法應(yīng)用于生物基化學(xué)品制備實(shí)現(xiàn)了原料與過程的綠色化。1980 年，van Bekkum 等［4］首次描述了化學(xué)催化(金屬催化劑)和生物催化(葡萄糖異構(gòu)化酶)的兼容性，此法越來越多地應(yīng)用于生物質(zhì)煉制過程?；瘜W(xué)/酶復(fù)合催化一步法反應(yīng)延續(xù)了生物催化劑的高效、高選擇性和化學(xué)催化劑的穩(wěn)定性(高溫下)等優(yōu)點(diǎn)。若以水為溶劑，能使酶催化劑與化學(xué)催化劑在彼此協(xié)同作用下將多步轉(zhuǎn)化反應(yīng)整合為一步反應(yīng)，避免了中間產(chǎn)物的分離，節(jié)省了溶劑的消耗，極大地提高了空時(shí)收率［5-6］，非常具有工業(yè)化潛力。本文主要論述化學(xué)/酶復(fù)合催化法在制備生物基化學(xué)品中的應(yīng)用。

1 化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備生物基糖醇

1.1 葡萄糖制備甘露醇

甘露醇是一種重要的六元醇，具有甜度適宜、熱量低、無毒副作用等特點(diǎn)［7-8］。因其重要的理化性質(zhì)，在食品工業(yè)上，是一種重要的營養(yǎng)型甜味劑;在醫(yī)藥上，用作滲透性利尿劑、脫水劑以及醫(yī)藥添加劑;在精細(xì)化工方面，甘露醇及以其為原料合成的多種精細(xì)化工產(chǎn)品用于增塑劑、紡織輔助劑、油品分散劑、表面活性劑等。在自然界中，甘露醇主要貯存于海藻體內(nèi)、水果和植物的根莖葉等。工業(yè)合成甘露醇方法有:從海帶中直接提取，葡萄糖電解還原法，葡萄糖異構(gòu)法等，其中葡萄糖異構(gòu)法應(yīng)用最多。在金屬催化劑(如，Ni 催化劑)作用下，在溫度90 ℃，5.0 MPa 條件下，果葡糖漿加氫反應(yīng)制備甘露醇的反應(yīng)選擇性只有70%［9］。采用化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備甘露醇工藝中，金屬加氫催化劑和異構(gòu)化酶協(xié)同作用，甘露醇的收率可達(dá)84%［10］，見圖3。此過程中可與葡萄糖異構(gòu)化酶聯(lián)合催化的金屬催化劑有Pt/C、Y 型分子篩負(fù)載Ru 催化劑［11］、納米Pd［12］等。其中，Y 型分子篩負(fù)載Ru 催化劑和異構(gòu)化酶協(xié)同作用下，在氫壓為6 MPa、反應(yīng)時(shí)間為16 h 條件下，甘露醇的收率可達(dá)38%。而單獨(dú)用含Ru 催化劑催化葡萄糖氫化所獲得的甘露醇的收率只有1.5%，山梨醇的收率達(dá)到98%［13］。

圖3 由葡萄糖化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法制備甘露醇Fig.3 Chemo-enzymatic one-step progress for glucose to mannitol

1.2 淀粉制備山梨醇

山梨醇是一種具有很高價(jià)值的平臺(tái)化合物，被美國能源部列為十二種最有價(jià)值的生物基單元化合物之一［14］。由山梨醇轉(zhuǎn)化而來的化學(xué)品涉及能源、化工、食品、制藥等重要領(lǐng)域。目前，絕大多數(shù)山梨醇都由淀粉水解成葡萄糖，再由葡萄糖加氫制得。淀粉水解催化劑主要有生物酶、Brnsted 酸和Lewis酸，葡萄糖加氫催化劑主要為金屬(如Ni，Pt，Ru等)或有機(jī)金屬催化劑［15-16］，但酸性條件水解加氫對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，廢液污染環(huán)境。山梨醇也可在金屬催化劑作用下利用纖維素直接加氫制得，Joung Woo Han 等［17］直接以纖維素為原料，利用含Ru 催化劑，反應(yīng)溫度為165 ℃，山梨醇收率為58. 7%。化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法反應(yīng)能夠簡化反應(yīng)步驟，在低溫中性環(huán)境實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程，并通過降低分離和精制成本，提高反應(yīng)經(jīng)濟(jì)性。Li Hui 等［18］利用糊精作原料，淀粉酶和Ru-B/mSiO2為催化劑，在348 K，氫壓6.0 MPa 條件下，通過一步反應(yīng)制得的山梨醇收率達(dá)82%，反應(yīng)過程見圖4。該方法以多孔SiO2為載體，將酶和化學(xué)催化劑整合成殼狀結(jié)構(gòu)，通過控制孔徑大小，阻止了膠質(zhì)物質(zhì)吸附在催化劑表面，保護(hù)了催化劑的活性。因其具有殼狀結(jié)構(gòu)，在微觀上就形成了眾多微反應(yīng)器，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行［19］。

圖4 淀粉化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法制備山梨醇Fig.4 Chemo-enzymatic one-step progress for starch to sorbitol

2 化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備氨基酸

D 型氨基酸在20 世紀(jì)70 年代被科學(xué)家在人體中發(fā)現(xiàn)，被冠以“非天然”氨基酸之稱，價(jià)格十分昂貴。因其重要的功能性質(zhì)，在醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥等方面具有廣泛的應(yīng)用，還參與人體的重要新陳代謝［6］。目前，D 型氨基酸主要通過生物轉(zhuǎn)化法、物理化學(xué)拆分法等方法制備。前者特定酶催化劑成本較高，部分酶還對(duì)金屬具有一定的依賴性;后者拆分選擇性不高，純度不高，只有60% ～90%［20］。利用化學(xué)/酶復(fù)合催化法能夠“取長補(bǔ)短”，酶提高選擇性，化學(xué)催化劑適用于直接合成反應(yīng)，并且溫度適應(yīng)性強(qiáng)。Chen 等［21］以堿性蛋白酶、?；D(zhuǎn)移酶和5-磷酸吡哆醛為催化劑在高濃度有機(jī)溶劑中合成D 型氨基酸和多肽，使氨基酸和多肽收率提高了15%以上。

3 化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備其它生物基化學(xué)品

3.1 葡萄糖制備縮水甘油和葡萄糖酸

縮水甘油中含有環(huán)氧基和羥基兩個(gè)具有反應(yīng)活性的基團(tuán)，是一種具有較高附加值的化工中間體或原料，它可作為合成表面活性劑、樹脂、染料等的中間體，也可廣泛用于各種溶劑的提取和分離?？s水甘油制備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為起始原料在高溫、金屬催化劑條件下進(jìn)行。劉學(xué)民等［23］以ZnSO4為催化劑，在溫度為215 ℃條件下合成目的產(chǎn)物的產(chǎn)率為83.8%，制備條件較為苛刻。而在以葡萄糖為原料制備葡萄糖酸工藝中，葡萄糖在氧化酶的作用下生成吡喃糖，副產(chǎn)物為H2O2，并以此為氧化劑，在SiO2負(fù)載Ti 催化劑作用下催化氧化烯丙醇制得縮水甘油，反應(yīng)溫度僅為30 ℃，反應(yīng)產(chǎn)率為30%［24］，實(shí)現(xiàn)了上一個(gè)反應(yīng)副產(chǎn)物的再利用。在反應(yīng)初始，同時(shí)進(jìn)料反應(yīng)物和雙組分催化劑，實(shí)現(xiàn)以葡萄糖為原料一步法制備縮水甘油和葡萄糖酸，見圖5。

圖5 葡萄糖化學(xué)/酶復(fù)合催化制備縮水甘油和葡萄糖酸Fig.5 Chemo-enzymatic progress for producing epihydric alcohol and gluconic acid

3.2 葡萄糖制備2-羥基呋喃乙酸

2-羥基呋喃乙酸(FA)是一種具有芳香性的羥基酸，因其特有的呋喃環(huán)，在聚酯工業(yè)應(yīng)用廣泛。它能與乳酸(LA)在一定條件下形成一種與聚苯乙烯(PS)性質(zhì)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、汽車部件、包裝材料、玩具、建筑材料、電器和家庭用品等。葡萄糖化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備2-羥基呋喃乙酸在工藝上更為簡便，目的產(chǎn)物的選擇性高［25］，見圖6。

圖6 由葡萄糖化學(xué)/酶復(fù)合催化法制備2-羥基呋喃乙酸Fig.6 Chemo-enzymatic progress for producing glucose to 2-hydroxy furan acetic acid

3.3 甲基-D-吡喃半乳糖苷制備4-脫氧-D-葡萄糖

在甲基-D-吡喃半乳糖苷制備4-脫氧-D-葡萄糖需要多步反應(yīng)［26］，見圖7。

圖7 化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法制備4-脫氧-D-葡萄糖Fig.7 Chemo-enzymatic one-step progress for glucose to 4-deoxy-D-glucose

反應(yīng)時(shí)間較長，工藝步驟繁瑣，收率不高。為了提高目的產(chǎn)物的收率，將半乳糖氧化酶和金屬催化劑Pt/C 應(yīng)用于一步合成反應(yīng)［27］。前半部分反應(yīng)在半乳糖氧化酶的作用下，大大提高了中間產(chǎn)物的選擇性，在中間產(chǎn)物不分離的前提下，后半部分反應(yīng)將溫度升至70 ℃后，金屬加氫催化劑發(fā)揮催化作用。反應(yīng)結(jié)果顯示，4-脫氧-D-葡萄糖的收率大于95%。

3.4 乳酸制備生物基化學(xué)品

乳酸是一種重要的生物基平臺(tái)化合物，由乳酸制得的生物基化學(xué)品具有良好的市場(chǎng)前景［5，28］，見圖8。

圖8 由乳酸作為平臺(tái)化合物制備生物基化學(xué)品Fig.8 Use of lactic acid as a platform chemicals

乳酸可通過發(fā)酵法制備，發(fā)酵的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉質(zhì)原料或多糖［29］。乳酸發(fā)酵階段能夠產(chǎn)酸的乳酸菌種類很多，但產(chǎn)酸質(zhì)量不高，需要將粗乳酸進(jìn)一步提純［24-32］。乳酸也可以通過合成法制備，主要途徑有乳腈法、丙烯腈法、丙酸法、丙烯法等［33-34］，但化學(xué)合成法過程工藝復(fù)雜，需要分解、精餾、濃縮等多步物理化學(xué)過程制得精乳酸。利用化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法制備乳酸，選擇性高，不需分離中間產(chǎn)物，反應(yīng)條件溫和，提高了反應(yīng)的空時(shí)效率，見圖9。

圖9 化學(xué)/酶復(fù)合催化一步法制備乳酸Fig.9 Chemo-enzymatic one-step progress for preparation of lactic acid

4 結(jié)束語

化學(xué)/酶復(fù)合催化法為生物質(zhì)煉制和生物質(zhì)衍生物轉(zhuǎn)化為生物基化學(xué)品提供了一條更為綠色的工藝路徑。此法在簡化反應(yīng)步驟、降低中間產(chǎn)物分離和精制過程的能耗等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，過程經(jīng)濟(jì)性好，符合綠色化學(xué)概念，在生物質(zhì)煉制方面，將為我們帶來巨大的環(huán)境效益。然而，在生化催化劑的制備與重復(fù)利用、尋找聯(lián)合催化最適反應(yīng)條件等方面需要進(jìn)一步探索。生物催化劑和化學(xué)催化劑具有完全不同的催化機(jī)理，復(fù)合化學(xué)/酶催化劑于一步法制備工藝最根本的是要提高兩種催化條件的兼容性。尋找最優(yōu)催化條件使兩種催化劑都能達(dá)到較好的催化性能，這是生物催化劑和化學(xué)催化劑復(fù)合的關(guān)鍵。

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