[发明专利]一种选择性合成2;5-二羟甲基呋喃的方法

说明书

本发明公开了一种选择性合成2,5‑二羟甲基呋喃的方法，包括如下步骤：(1)季也蒙毕赤酵母SC1103经驯化、活化和固定化后，获得固定化细胞；(2)将上述固定化细胞加入含有50～350mM 5‑羟甲基糠醛和辅底物的缓冲液中，在10～40℃、搅拌条件下反应，得到2,5‑二羟甲基呋喃；所述辅底物中还原糖的摩尔浓度为5‑羟甲基糠醛摩尔浓度的0.3～1.0倍。本发明的固定化生物催化剂对底物具有高耐受性，能高效、高选择性催化高浓度底物还原合成目标产物，产物时空收率高，而且有利于简化后续目标产物的分离纯化工艺。

技术领域

本发明属于生物催化及生物制造领域，具体涉及一种利用固定化酵母细胞催化5-羟甲基糠醛选择性还原制备2,5-二羟甲基呋喃的方法。

背景技术

近年来，生物基能源及平台化合物的开发和利用逐渐受到了学术界和工业界的关注。5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)是一种重要的生物基平台化合物(Green Chem.,2010,12,539)，可以通过碳水化合物脱水制备得到。HMF分子有多个活性基团如羟基、醛基及碳碳双键，故易转化为各种高附加值化学品。2,5-二羟甲基呋喃(2,5-dihydroxymethylfuran,DHMF)是HMF分子中醛基选择性还原产物，在医药、高分子等领域具有重要的应用价值。例如，DHMF既可用于生产医药中间体及冠醚(ACS Catal.,2016,6,381；J.Am.Chem.Soc.,1974,96,7159；Jpn.Kokai 1973,73,763)，又可用于合成具有特定功能的生物基高分子材料，如具有形状记忆和自我修复功能的聚合物(Macromolecules,2013,46,1794；ACS Appl.Mater.Interfaces,2014,6,2753)。

当前，化学催化仍是合成DHMF的主流方法(ACS Catal.,2018,8,2959)。尤其是，人们对基于金属催化剂的相关方法进行了较为广泛的研究，并取得了较好的进展。例如，Alamillo等利用固定化在CeO_x载体上的钌催化HMF还原，在130℃下，反应2h后，底物完全转化，产物中DHMF含量为81％(Green Chem.,2012,14,1413)。Ohyama等利用Al₂O₃担载的金纳米簇作为催化剂，在6.5MPa氢气、120℃下选择性将HMF还原为DHMF，产率达96％(RSC Adv.,2013,3,1033)。Lin等报道了廉价的ZrO(OH)₂能高效催化HMF还原为DHMF，在150℃下反应2.5h后，HMF转化率达94％，合成DHMF的选择性为89％(Green Chem.,2016,18,1080)。尽管如此，但化学法仍存在反应条件不温和、选择性不佳、需要使用环境不友好的催化剂及有机溶剂等问题。近年来，生物催化无论是在工业上还是在学术上均受到了广泛的关注，因为该法能有效克服化学法的上述诸多问题。然而，与化学法相比，生物催化HMF还原合成DHMF研究仍处于起步阶段，仍存在诸多问题。此外，HMF对微生物具有较强的抑制和毒性作用，因此生物催化HMF还原仍颇具挑战。He等报道了重组菌Escherichia coli CCZU-K14对HMF具有较好的耐受性，并且能选择性催化HMF还原合成DHMF；当底物浓度为200mM时，反应72h后，目标产物产率达91％(Bioresour.Technol.,2018,247,1215)。然而，He等报道的催化体系过于复杂，需要添加大量的辅底物和其他添加剂(200mM葡萄糖，400mM木糖，250mM谷氨酸，1.5mM Mg²⁺,40mMβ-环糊精及12.5mM溴化十六烷基三甲基铵)，这不仅大大降低了该工艺的经济性和实用性，而且加大了后续产物分离纯化的难度。同时，该生物催化工艺反应时间过长，需要72h。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高活性、高底物耐受性、易重复利用的固定化生物催化剂；并基于该固定化生物催化剂，提供一种简单、高效、且高选择性合成DHMF的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：