含离子液体介质中重组β-D-葡萄糖醛酸苷酶催化合成单葡萄糖醛酸基甘草次酸的研究

摘要

甘草酸（Glycyrrhizin，GL）是重要中药甘草的主要有效成分之一，利用β-D-葡萄糖醛酸苷酶对甘草酸进行改性得到生物利用度更高的单葡萄糖醛酸甘草次酸（Glycyrrhetic acid 3-O-mono-β-D-glucuronide，GAMG）具有重要的研究价值和良好的应用前景。离子液体（Ionic liquids，Ils）是一种新型可设计性溶剂，由阴阳离子构成且在常温下呈液态，具有稳定性好、溶解性强、不挥发等优点，以绿色环保的离子液体替代传统的易挥发有毒溶剂作为反应介质具有重要意义。本论文研究了在含离子液体的介质体系中充分利用重组β-D-葡萄糖醛酸苷酶生物转化甘草酸合成GAMG，对离子液体的合成与筛选、含离子液体体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶的催化活性、化学键选择性、热稳定性及催化反应动力学等进行了探讨，主要结果如下：
　　 （1）离子液体的合成：首先，以N-甲基咪唑、吡啶和溴代烷为原料，在超声波辅助且无溶剂条件下合成了四种离子液体中间体：1-乙基-3-甲基咪唑溴盐（[EMIMBr）、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐（[BMIM]Br）、N-乙基吡啶溴盐（[Epy]Br）、N-丁基吡啶溴盐（[Bpy]Br），对其进行了熔点测试、元素分析、IR、1H NMR、13CNMR表征；其次，以[EMIM]Br、[BMIM]Br、[Epy]Br、[Bpy]Br为中间体，通过阴离子交换制备了亲水性离子液体[EMIM]BF4、[BMIM]BF4、[Epy]BF4、[Bpy]BF4及疏水性离子液体[BMIM]PF6；最后，对合成的5种离子液体进行了元素分析、IR、1H NMR和13CNMR表征，并对其黏度进行了测定。结果表明，温度对合成的五种离子液体的黏度均有很大的影响，且黏度随着温度的升高而迅速降低，在30～40 ℃下，黏度随着温度的升高几乎呈线性下降趋势，继续升高温度黏度的降低幅度越来越小。
　　 （2）含离子液体介质体系的筛选与优化：将离子液体[BMIM]Br、[EMIM]BF4、[BMIM]BF4、[Epy]BF4、[Bpy]BF4和[BMIM]PF6纯溶剂分别作为β-D-葡萄糖醛酸苷酶生物转化甘草酸合成GAMG的反应介质时，底物甘草酸的转化率都很低（均小于20％），远远小于缓冲液中甘草酸的转化率（46.01％）。当以10％（v/v）离子液体/缓冲液混合溶剂作为反应介质时，甘草酸的转化率均大幅度提高至原来的2～3倍。其中，10％（v/v）[BMIM]PF6/缓冲液两相体系和10％（v/v）[EMIM]BF4/缓冲液均相体系中甘草酸的转化率分别达到57.13％和54.23％，远远超过了缓冲液中的转化率，因而被选为合适的含离子液体介质体系。经初步优化，40％（v/v）[BMIM]PF6/缓冲液两相体系中反应初速度、GAMG产率、甘草酸转化率、化学键选择性分别为2.9 mMh-1、71.71％、72.62％、98.76％。
　　 （3）[BMIM]PF6/缓冲液两相体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶的催化特性研究：[BMIM]PF6/缓冲液两相体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶能高效地催化甘草酸水解生成GAMG，其反应初速度和化学键选择性受诸多因素的影响。该催化体系的最适[BMIM]PF6浓度、缓冲液pH、反应温度、底物浓度和振荡速度分别为40％、6.0、50 ℃、6 mM和200 rpm；在此条件下，反应初速度、GAMG产率和化学键选择性（Scb）分别达到3.15mMh-1，74.36％和 98.12％。[BMIM]PF6/缓冲液两相体系中主产物GAMG分布在上层缓冲液相，副产物甘草次酸（Glycyrrhetinic Acid，GA）则在下层离子液体相，GAMG与GA达到初步分离的效果。[BMIM]PF6的重复利用性研究结果表明，循环利用5次以后其回收率仍高达92％以上。另外，[BMIM]PF6/缓冲液两相反应体系中的表观米氏常数Km及活化能Ea比较低，Vmax较大，分别为1.21 mM、25.97 kJmol-1和3.14 mMh-1。
　　 （4）[EMIM]BF4/缓冲液均相体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶的催化特性研究：[EMIM]BF4/缓冲液均相体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶能够高效地催化甘草酸水解生成GAMG。经过优化得到该反应体系的最适[EMIM]BF4浓度、缓冲液pH、反应温度、底物浓度分别为11％、5.4、45℃和4 mM。在上述条件下反应24 h后，反应初速度、产物GAMG产率和化学键选择性分别为2.76 mMh-1、95.31％和61.81％。以11％（v/v）[EMIM]BF4/缓冲液为反应介质，底物存在时β-D-葡萄糖醛酸苷酶的热稳定性比没有底物存在时要高。与缓冲液反应体系相比，[EMIM]BF4/缓冲液均相体系中β-D-葡萄糖醛酸苷酶催化甘草酸水解反应的表观米氏常数Km（0.85mM）、Vmax（2.22 mMh-1）及活化能Ea（9.96 kJmol-1）均较低，但Vmax/Km值则是缓冲液中的2.04倍。
　　 本研究表明，在绿色环保的含IL介质体系中利用β-D-葡萄糖醛酸苷酶催化合成GAMG时反应速度快、产物收率高、化学选择性强，相关结果对于重要可再生资源甘草的开发利用具有重要意义。