Pickering乳液中α-蒎烯的高效连续脂肪酶催化氧官能化：评估在水相和甘碱基体系中的性能

《Biochemical Engineering Journal》：Efficient continuous lipase-catalyzed oxyfunctionalization of α-pinene in Pickering emulsions: evaluating performance in water and glyceline-based systems

　　

• •
  脂肪酶 B 在基于甘油醇的匹克林乳液中比在水基匹克林乳液中表现出更高的热耐受性。
• •
  在基于甘油醇的匹克林乳液中实现了 93% 的基于 H₂O₂ 的 α-蒎烯氧化物产率。
• •
  在高浓度 H₂O₂ 下，基于甘油醇的匹克林乳液保持了 91–93% 的选择性。
• •
  匹克林乳液能够实现高效的连续脂肪酶催化氧官能化反应。

引言

单萜的张力环结构和活性双键使其成为氧官能化的高度合适底物，氧官能化是合成各种有机化合物的关键操作 [1]、[2]、[3]、[4]。特别是单萜的环氧化物，例如 α-蒎烯氧化物 (PO)，在香料、香水、药品、树脂和聚合物前体的制造中作为重要中间体 [5]。传统上，单萜到其环氧化物的氧官能化依赖于化学计量的过氧酸（在经典的 Prileschajew 反应中）、强矿物酸体系或金属催化过程 [6]、[7]、[8]。尽管这些方法有效，但它们带来了重大的安全和环境隐患，尤其是化学计量方法原子经济性差，突显了对更可持续替代方案的需求 [9]、[10]、[11]。因此，使用过氧化氢等绿色氧化剂的生物催化、可持续方法已被广泛研究，因为它们通常在温和条件下进行 [12]、[13]、[14]。南极假丝酵母脂肪酶 B (CalB) 是该生物催化方法中最常研究的酶 [6]、[9]、[10]，通过两步过程催化单萜的氧官能化（图 1）：首先，酶促氧化羧酸以原位生成过氧酸，其次，过氧酸对单萜的自发氧化以形成其环氧化物，从而降低了直接处理危险过氧酸相关的风险 [9]、[12]。尽管具有这些优势，但生物催化方法通常受限于酶失活或低比反应速率，这目前仍限制了其在工业应用中的适用性 [9]、[10]。

为了克服这些挑战，各种替代反应介质已被研究用于生物催化氧官能化。例如，与传统的两相介质相比，使用单相和无水介质已被证明能显著减少酶失活 [9]、[10]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，无水条件还被报道能最大程度减少环氧化物的非期望水解反应 [18]。然而，无水介质仍受限于低转化率（对于尿素 - 过氧化氢体系）[16]、[18] 以及氧化剂的高成本（对于叔丁基过氧化氢体系）[16]、[19]。此外，一种含有与水及所有必需底物互溶的有机溶剂的单相系统，例如基于异丙醇的单相系统，在六个循环后酶的相对活性下降至 57.5%，而单一有机相介质通常表现出比基于异丙醇的介质更低的比反应速率 [9]、[10]。

由固体纳米粒子稳定的匹克林乳液 (PEs) 十多年来一直受到持续关注，作为多相生物催化的有效介质，归功于其卓越的液滴稳定性、强抗聚并性以及长期操作期间保持可及的大界面面积 [20]、[21]、[22]。这些系统中形成的界面提供了刚性且长寿命的界面结构，可以保护酶并在苛刻条件下（如高剪切、氧化环境或连续处理）实现稳定的催化性能 [20]、[23]。基于 PE 的这些优势以及连续生物催化带来的益处，包括一致的产品质量、增强的酶稳定性以及提高的催化生产率和时空产率 [24]，我们在近期的研究中系统地考察了 PE 组成如何影响 α-蒎烯的连续 CalB 催化氧官能化，使用了基于水和基于深共晶溶剂 (DES) 的 PEs [25]。在所有评估的系统中，由氯化胆碱和甘油作为分散相组成的基于甘油醇的 PEs 表现出了最有利的性能。与基于水的 PEs 不同，在基于水的 PEs 中水的存在通常会导致水解副反应从而负面影响反应性能，而在研究的条件下，基于甘油醇的系统中未观察到水解的显著影响。尽管基于甘油醇的 PEs 表现出与其他研究的基于 DES 的系统相当的稳定性，且优于基于水的 PEs，但它们在系统中提供了最有利的界面微环境，从而导致了更高的环氧化产率和提高的选择性 [25]。

尽管 PE 组成决定了反应介质的微观结构基础，但操作参数对于实现高反应速率、维持酶活性以及实现稳定的连续操作同样至关重要。然而，尽管它们很重要，但在匹克林辅助氧官能化中，这些操作条件对反应性能和乳液稳定性的影响在很大程度上仍未被探索，特别是当使用基于 DES 的 PEs 作为反应介质时。据我们所知，这项工作首次系统地比较了关键操作条件如何影响基于甘油醇和传统基于水的 PEs 中连续脂肪酶介导的氧官能化过程，使用 α-蒎烯作为模型底物。因此，评估了反应温度、停留时间、α-蒎烯：H?O? 摩尔比和过氧化氢浓度对两种 PE 系统中反应性能和乳液稳定性的影响。正如我们在之前的工作中 [23]、[25]、[26]，本研究中使用乙酸乙酯作为连续相，同时也作为底物（图 1）。从这一系统调查中获得的见解为进一步的优化和建模提供了基础，同时为开发可扩展且高效的生物催化环氧化过程奠定了基础。

章节摘要

材料

亲有机纳滤膜 (oNF-3，分子量截留值 900 Da) 购自 BORSIG 膜技术有限公司 (德国)。冻干南极假丝酵母脂肪酶 B (CalB lyo)，比活力为 58,500 TBU·g^-1，购自 c-Lecta 公司 (德国)。过氧化氢 (水中 50 wt%) 和 (1S)-(?)-α-蒎烯 (98%，气相色谱级) 购自西格玛奥德里奇公司 (德国)。甘油 (≥99.5%) 和乙酸乙酯 (≥99.8%，高效液相

操作参数的影响

由于基于甘油醇和基于水的 PEs 的组成已被证明会显著影响 α-蒎烯连续脂肪酶催化氧官能化的性能以及乳液的稳定性 [25]，本研究重点在于识别关键操作参数并量化其对整体过程性能和乳液稳定性的影响。因此，分别基于各自最佳 PE 组成研究了基于水和基于甘油醇的 PEs

结论

本研究首次系统调查了关键操作条件如何决定基于水和基于甘油醇的匹克林乳液 (PEs) 中连续 CalB 介导的氧官能化的性能和乳液稳定性。比较调查显示两种反应介质的操作响应存在根本差异，基于甘油醇的 PEs 对逐渐限制传统基于水的 PEs 性能的条件提供了更大的耐受性。尽管

CRediT 作者贡献声明

Anja Drews：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，构思。Lemuel Onoriode Adomi：撰写 – 初稿，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，构思。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢德国研究基金会 (DFG) 在 BioOxy 项目（项目编号 495312945）中对这项工作的资助。作者感谢瓦克化学公司提供二氧化硅纳米粒子。作者感谢 Cinzia Draeger 在协助进行多项实验方面给予的帮助。

支持信息

本文的支持信息可在 *******

Lemuel Onoriode Adomi|Anja Drews