Enzymatic (R)-phenylacetylcarbinol production in a benzaldehyde emulsion system with Candida utilis cells
- 作者
- Gernalia Satianegara, Michael Breuer, Bernhard Hauer, Peter L. Rogers, Bettina Rosche
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/s00253-005-0063-1
- 所属领域
- 生物催化
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解决酶法生产(R)-苯乙酰基甲醇（PAC）中部分纯化丙酮酸脱羧酶（PDC）稳定性差和成本高的问题，评估使用Candida utilis全细胞作为PDC来源的可行性。
研究策略
在苯甲醛乳液体系中，以Candida utilis全细胞、粗提物和部分纯化PDC为催化剂，比较它们在苯甲醛存在下的稳定性和PAC生产效率，并在4°C和21°C下进行动力学研究。
研究路线图
核心内容
本研究系统评估了以Candida utilis全细胞作为丙酮酸脱羧酶（PDC）来源，在苯甲醛乳液体系中生产(R)-苯乙酰基甲醇（PAC）的可行性，并与粗提物和部分纯化酶进行了稳定性与生产效率的比较。在50 mM苯甲醛和4°C条件下，全细胞PDC半衰期达228 h，而部分纯化酶仅24 h；21°C时全细胞半衰期降低42%，部分纯化酶则降低85%。全细胞催化在21°C下12 h达到最大PAC浓度43.3 g/L（以苯甲醛计产率99%，以丙酮酸计84%），4°C下30 h达38.7 g/L，总体体积产率从1.3 g/(L·h)提高至3.6 g/(L·h)，提升2.8倍。反应中对映体过量在4°C为98%，21°C为94%，且全程未检测到苯甲醇副产物。结果表明，全细胞催化剂显著提升了PDC在底物存在下的稳定性，且能高效获得高浓度PAC，是一种经济可行的替代方案，但需合理控制反应时间以维持高对映体纯度。
创新点
1. 首次系统比较全细胞、粗提物和部分纯化PDC在苯甲醛乳液中的稳定性，发现全细胞PDC半衰期显著更长；2. 全细胞催化在21°C下达到43 g/L PAC，无苯甲醇副产物，且产率高于已有报道；3. 揭示了对映体纯度随时间下降依赖于细胞相关因素。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Candida utilis UNSW 70940 | (R)-phenylacetylcarbinol (PAC) 生物合成途径 | — | 丙酮酸脱羧酶 (PDC) | 催化 | 全细胞作为生物催化剂 |
| — | (R)-phenylacetylcarbinol (PAC) 生物合成途径 | — | 部分纯化 PDC（来自 C. utilis） | 催化 | 与全细胞对比 |
| — | (R)-phenylacetylcarbinol (PAC) 生物合成途径 | — | 粗提物 PDC（来自 C. utilis） | 催化 | 与全细胞对比 |
关键发现
- 在50 mM苯甲醛和4°C下，全细胞PDC的半衰期为228 h，部分纯化酶仅24 h
- 在21°C下全细胞PDC半衰期降低42%，部分纯化酶降低85%。全细胞PDC在4°C和21°C下分别获得38.7 g/L和43.3 g/L PAC（258 mM和289 mM），初始底物为300 mM苯甲醛和364 mM丙酮酸。总体体积产率从1.3 g/(L·h)提高到3.6 g/(L·h)，提高2.8倍。对映体过量在4°C时为98%，21°C时为94%。21°C下反应12 h达到最大PAC浓度，4°C需30 h
- 21°C下乙偶姻副产物为1.6 g/L，4°C为0.4 g/L
- 未检测到苯甲醇。以丙酮酸计的摩尔产率分别为91%和84%，以苯甲醛计为98%和99%。
研究结论
使用C. utilis全细胞作为PDC来源生产PAC是高效且经济的选择，具有更高的稳定性和无苯甲醇副产物，在21°C下可获得高PAC浓度和产率，但需控制反应时间以维持高对映体纯度。