一种合成2,5-呋喃二甲醇或糠醇的方法技术

本发明专利技术属于生物化工及生物催化领域，公开了一种合成2,5

【技术实现步骤摘要】
一种合成2,5
‑
呋喃二甲醇或糠醇的方法


[0001]本专利技术属于生物化工及生物催化领域，具体涉及利用共表达重组菌催化5
‑
羟甲基糠醛和糠醛还原分别制备2,5
‑
呋喃二甲醇和糠醇的方法。

技术介绍

[0002]生物质是一种含碳可再生资源，可作为生产生物燃料和化学品的原料，以减少对化石资源的依赖。由戊糖和己糖制备的糠醛和5
‑
羟甲基糠醛(HMF)可作为平台化合物生产大量高附加值中间体。在上述生物基呋喃中有一个高度活泼的醛基，通过选择性加氢还原其中的醛基可以合成糠醇和2,5
‑
呋喃二甲醇(BHMF)。糠醇是高分子、食品和药物领域的一个重要的原料(Energy Environ.Sci.2016,9,1144)。BHMF是合成生物基聚酯、聚氨酯及聚醚、药物、生物燃料等的重要中间体(ChemSusChem.2013,6,630)。
[0003]基于金属包括贵金属(包括Pt,Pd,Au,Ir,Ru和Rh)以及非贵金属催化剂(Cu,Ni和Co)的化学催化还原呋喃醛合成对应的呋喃甲醇已取得了显著的进展(ACS Catal.2018,8,2959)。等利用担载在SiO2上Ir选择性催化HMF还原成BHMF，在333K和10bar H2下，HMF转化率为70％，BHMF选择性为83％(Appl.Catal.B:Environ.2019,241,270)。Wang等开发了一种高效、低成本负载Co的Zr基金属有机框架Co
1.6/>/UiO
‑
66
‑
NH2，在100℃和异丙醇存在时，获得93％的HMF转化率和96％的BHMF选择性(Catal.Lett.2021,152,361)。Wang等以异丙醇为氢源，Ru/Co3O4作为催化剂，在190℃时BHMF产率可达82％(Catalysts 2017,7,92)。Ruan等利用高比表面积的SiO2纳米微球负载PtCuCo合金形成的催化剂，在3.0MPa H2、100℃下将糠醛转化为糠醇，12h后糠醛转化率达到98％，糠醇选择性为96％(Fuel 2023,335,126935)。化学方法仍存在反应条件激烈、环境不友好和能耗高等缺点。从经济和可持续性的角度，迫切需要开发经济、反应条件温和、高效且环境友好的呋喃甲醇合成方法。
[0004]生物催化具有效率高、反应条件温和、环境友好且选择性高等优点。目前，已报道的诸多生物催化剂能将呋喃醛还原为对应的呋喃甲醇(ACS Catal.2022,12,10080)。但由于HMF和糠醛对微生物细胞会产生高毒性和强抑制性，故生物催化高浓度底物还原仍然具有挑战性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种高效、高选择性和高底物浓度的BHMF和糠醇合成方法。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种合成2,5
‑
呋喃二甲醇或糠醇的方法，包括如下步骤：
[0008](1)将醇脱氢酶YjgB基因与葡萄糖脱氢酶GDH Q252L基因共同连接到载体pETDuet
‑
1中，导入Escherichia coli BL21(DE3)中构建共表达体系，得到共表达重组菌E.coli
‑
YjgB
‑
GDH；
[0009](2)将上述重组菌加入含有呋喃醛、辅底物、碳酸钙的磷酸盐缓冲液中，反应后得
到2,5
‑
呋喃二甲醇或糠醇；所述呋喃醛为5
‑
羟甲基糠醛或糠醛。
[0010]优选地，步骤(1)中所述醇脱氢酶YjgB基因来源于Escherichia coli BL21(DE3)；所述葡萄糖脱氢酶GDH基因来源于Bacillus megaterium IWG3，且是Q252L突变体。
[0011]优选地，步骤(1)中所述醇脱氢酶YjgB基因的核苷酸序列为SEQ ID.1；所述葡萄糖脱氢酶GDH Q252L基因的核苷酸序列为SEQ ID.2。
[0012]优选地，步骤(2)所述5
‑
羟甲基糠醛浓度为0.02～1.0M；糠醛的浓度为0.02～0.5M。
[0013]优选地，步骤(2)中所述呋喃醛为商品化来源的高纯度5
‑
羟甲基糠醛或糠醛或通过果糖、果葡糖浆脱水后制备的5
‑
羟甲基糠醛粗品。
[0014]优选地，步骤(2)所述磷酸盐缓冲液中还含有乙酸乙酯或乙酸乙烯酯。
[0015]优选地，步骤(2)所述乙酸乙酯或乙酸乙烯酯的体积百分含量为5～20％。
[0016]优选地，步骤(2)中所述重组菌的浓度为20～100mg/mL。
[0017]优选地，步骤(2)中所述辅底物为葡萄糖；所述辅底物的摩尔浓度为呋喃醛摩尔浓度的2
±
0.5倍，所述碳酸钙的摩尔浓度为呋喃醛摩尔浓度的1.5
±
0.5倍。
[0018]优选地，步骤(2)中所述反应的pH为6～8；反应温度为20～35℃，反应时间为10min～25h。
[0019]所述HMF，BHMF，糠醛和糠醇的结构式如下：
[0020][0021]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点：
[0022]1)本专利技术利用的生物催化剂(重组菌)在高底物浓度条件下能高效、高选择性催化呋喃醛还原，目标产物获得高时空收率。
[0023]2)本专利技术添加乙酸乙酯或乙酸乙烯酯能大大缩短反应时间，提高合成效率。
[0024]3)本专利技术反应过程简单、易控且条件温和，呋喃醛在反应过程中不易发生副反应，不仅提高产品品质、降低能耗，而且有利于简化后续目标产物的分离纯化工艺。
[0025]4)与游离酶催化相比，利用全细胞催化剂不仅能够降低催化剂的制备成本，而且由于酶蛋白在细胞膜的保护下具有更好的稳定性；此外，与酶催化相比，胞内的辅酶循环更容易实现，并且无需添加昂贵的辅酶。
附图说明
[0026]图1为YjgB和GDH Q252L基因扩增电泳图。图中标记：条带1，GDH Q252L纯酶蛋白条带；条带2，E.coli
‑
YjgB
‑
GDH共表达细胞上清液条带。
[0027]图2为HMF和BHMF样品分析的液相色谱图(HMF最大吸收波长283nm，保留时间9.0min；BHMF最大吸收波长224nm，保留时间7.5min)。
[0028]图3为糠醛和糠醇样品分析的液相色谱图(糠醛最大吸收波长277nm，保留时间14.4min；糠醇最大吸收波长215nm，保留时间12.9min)。
[0029]图4葡萄糖和果糖液相色谱图(葡萄糖保留时间11.9min，果糖保留时间19.3min)。
[0030]图5放大合成规模制备的BHMF核磁共振氢谱图(DMSO
‑
d6,6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合成2,5
‑
呋喃二甲醇或糠醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将醇脱氢酶YjgB基因与葡萄糖脱氢酶GDH Q252L基因共同连接到载体pETDuet
‑
1中，导入Escherichia coli BL21(DE3)中构建共表达体系，得到共表达重组菌E.coli
‑
YjgB
‑
GDH；(2)将上述重组菌加入含有呋喃醛、辅底物、碳酸钙的磷酸盐缓冲液中，反应后得到2,5
‑
呋喃二甲醇或糠醇；所述呋喃醛为5
‑
羟甲基糠醛或糠醛。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述醇脱氢酶YjgB基因来源于Escherichia coli BL21(DE3)；所述葡萄糖脱氢酶GDH基因来源于Bacillus megaterium IWG3，且是Q252L突变体。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述醇脱氢酶YjgB基因的核苷酸序列为SEQ ID.1；所述葡萄糖脱氢酶GDH Q252L基因的核苷酸序列为SEQ ID.2。4.根据权利要求1所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，吴倩，宗敏华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：