论文摘要
香草醛是一种在食品、医药、香精香料和化学合成中应用非常广泛的化合物，尤其是在香料行业有“香料皇后”的美誉。利用生物技术生产的香草醛被称为“生物香草醛”，常用的生物技术手段包括微生物生物转化和酶生物转化。但是，在一般的生物转化过程中，不管是微生物还是酶，香草醛只是作为中间产物出现，并有产物抑制现象，造成生物香草醛的生产工艺流程较长或者产率较低，而分离提纯过程中大量外源化合物的带入也与法定天然产品生产的要求不相符合。本文利用实验室自制的硅橡胶（PDMS）复合膜，发挥膜的阻挡、隔离和选择透过性，构建了一套PDMS膜生物反应器来进行生物香草醛的生物转化，把产物的渗透萃取分离与生物转化过程相耦合，解决了香草醛生物转化生产过程中的产物抑制、乳化和分离纯化等问题。所构建的膜生物反应器有效容积为1L，膜组件为外置式，有效膜面积为0.024m2，性能评价结果显示，该系统能够以渗透萃取的方式较好地分离提纯香草醛。当料液浓度为1.2％（w／w），温度为30℃，料液和接收液流量分别为120L/h和80L／h时，总的传质系数为1.4027×10-3m／h。所用的酶是大豆脂氧合酶，酶转化底物是丁香油。首先，从市售的优质大豆中提取出脂氧合酶，在摇瓶实验中评价其活性，初步得出其在香草醛生物转化中的催化性能和初步优化条件。结果表明，在pH无调整和4℃的温度条件下，水浸提取大豆脂氧合酶的方法最合适，活性损失较少，比活力能够达到6.00×105U／mL左右。在所有的酶活性影响因素中，温度的影响最大，这充分表明大豆脂氧合酶是温敏性的，要求操作条件尽可能的温和，在不影响膜通量的情况下温度尽量低；同时，大豆脂氧合酶也是一种耐碱不耐酸的酶，要在碱性环境中维持其活性。实验结果得出，在膜生物反应器转化的初始条件为：转化本文选择活性炭作为添加剂来进一步优化系统的生物转化反应条件。虽然吐温20也可使（异）丁香酚乳化，极大地增加其在水中的分散程度，但其包裹作用在一定程度上又会减少（异）丁香酚与酶的接触机会。而活性炭则不同，其作用机理是将（异）丁香酚吸附在其表面并带入水中，不但能增加在水中的分散度也能增加（异）丁香酚与酶的接触。双氧水能够起到大豆脂氧合酶的活性诱发剂的作用，而对其活性改善作用较小，若是环境中过氧化物过多则会改变酶结构从而影响酶的活性。与摇瓶实验相比，PDMS膜生物反应器系统在很大程度上消除了产物的抑制和香草醛的氧化损失，丁香油转化率从0.45％提高到1.04％，香草醛在下游萃取液中的最高质量浓度达到了130.10mg／L，远高于摇瓶实验的11.13mg/L；活性炭优化后的转化率为1.09％，下游萃取液最高质量浓度为136.48mg/L，香草醛的纯度（HPLC分析）达到96.77％。实验证明，基于PDMS复合膜的萃取式膜生物反应器系统不仅能够有效地将生物转化过程与香草醛的分离过程相耦合，还能提高底物的转化效率，降低酶的抑制，下游接收液的成分也非常单一，给香草醛的进一步分离与提纯创造了良好的条件。但是，从实际应用的角度看，仍然有一些问题存在。例如，酶的失活较快，香草醛提取速率较低，等等。这些问题在未来的进一步工作中可以采用以下方法加以解决：改进反应系统，使酶有更加温和的发酵反应环境；继续优化反应条件，使酶的催化效率达到充分发挥；改进膜器、增大膜面积以增加提取速率。本文提出了PDMS膜生物反应器以酶为生物催化剂、通过生物转化连续生产具有天然特性的有机化合物的工艺技术系统，其操作特征是上游反应系统的底物连续流加和下游萃取液的更新，连续化操作有助于底物利用的最大化和废液产生的最小化。这个系统有进一步开发研究的价值。