7-氨基頭孢烷酸的制備方法及用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種7-氨基頭孢烷酸的制備方法及用途，特別是涉及利用固定化頭 孢菌素 C酰化酶催化頭孢菌素 C以一步酶法制備7-氨基頭孢烷酸的方法及用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 頭孢菌素 C(Cephalosporin C, CPC)?；甘且徊矫阜ㄉa(chǎn)7-氨基頭孢燒酸 (7-aminocephalosporanic acid, 7-ACA)的一種酰化酶，可以直接催化底物頭孢菌素 C，脫 去D- α -氨基己二酸側(cè)鏈，一步生產(chǎn)7-ACA。與傳統(tǒng)的兩步酶法相比，一步酶法操作更簡單、 方便，成本低，日益受到重視。
[0003] 固定化酶技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)六十年代，目前已廣泛應(yīng)用于生物催化領(lǐng)域的工業(yè) 生產(chǎn)中。與游離酶相比，固定化酶具有穩(wěn)定性高、回收方便、易于控制、可重復(fù)使用、成本低 廉等優(yōu)點(diǎn)，在兩步酶法生產(chǎn)7-ACA的生產(chǎn)中的酶制劑采用的即是固定化酶技術(shù)（劉秀偉，司 芳，郭林，等.酶固定化研究進(jìn)展[J].化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2003, 21 (4) :12-17.)。
[0004] 在固定化酶的工業(yè)應(yīng)用中，為了降低固定化酶的使用成本，一般要求固定化酶具 有較好的催化活性和穩(wěn)定性，可以重復(fù)、多批次的使用。因此在固定化CPC?；傅拈_發(fā) 中，可以通過酶分子的基因工程改造、采用新型固定化酶載體、對固定化工藝進(jìn)行改進(jìn)等多 種手段制備得到酶活高、穩(wěn)定性好的固定化CPC?；?。
[0005] 盡管固定化酶通常具有較好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但在固定化酶顆粒內(nèi)存在較嚴(yán)重的 底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)阻力問題（Gao F，Ma G. Effects of Microenvironment on Supported Enzymes. Topics in Catalysis, 2012,55(16-18):1114-1123)〇
[0006] 在通常的利用固定化CPC酰化酶催化CPC以一步酶法制備7-ACA的方法中，底物 消耗和產(chǎn)物生成曲線呈現(xiàn)了典型的"前快后慢"特征。這是因?yàn)閷τ诠潭ɑ疌PC?；傅?催化來說，和大多數(shù)固定化酶的催化類似，反應(yīng)初始階段由于較高的底物濃度和較低的產(chǎn) 物濃度（產(chǎn)物經(jīng)常也是酶的抑制劑），初始的催化速度是最快的；在反應(yīng)后期由于底物濃度 的降低和產(chǎn)物濃度提高（相應(yīng)的產(chǎn)物抑制會(huì)增強(qiáng)），固定化酶反應(yīng)速度大大降低。而且，在 實(shí)際的生產(chǎn)過程中，這種低速的反應(yīng)過程占總反應(yīng)時(shí)間的比例很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對這一問題，本發(fā)明提出一種利用固定化頭孢菌素 C?；复呋^孢菌素 C以 一步酶法制備7-氨基頭孢烷酸的方法及用途，該方法具有穩(wěn)定的催化速率、較短的反應(yīng)時(shí) 間和固定化CPC?；改軌蚨嗯问褂玫葍?yōu)點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明提供了利用固定化CPC酰化酶催化CPC以一步酶法制備7-氨基頭孢烷酸 的方法，該方法包括：將固定化CPC酰化酶與CPC在液體中混合，在反應(yīng)周期內(nèi)將反應(yīng)體系 的溫度從初始反應(yīng)溫度例如〇_15°C連續(xù)地或不連續(xù)地逐漸升溫至16-37°C，優(yōu)選20-35°C， 再優(yōu)選25-35 °C。
[0009] 本發(fā)明的上述方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] (1)反應(yīng)周期內(nèi)固定化CPC?；傅拇呋瘯r(shí)間明顯縮短而總催化批次并沒有減 少，有效地提高了酶的催化穩(wěn)定性，從而降低生產(chǎn)成本；
[0011] (2)不需要加入其他試劑只需調(diào)控溫度，生產(chǎn)過程容易操作，無污染。
【附圖說明】
[0012] 圖1示出了固定化CPC酰化酶在不同溫度下的酶活穩(wěn)定性。
[0013] 圖2示出了固定化CPC?；冈谟谢驔]有7-ACA存在下的熱穩(wěn)定性。
[0014] 圖3示出了固定化CPC?；冈诓煌琾H值條件下的酶活穩(wěn)定性。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 如上所述，本發(fā)明提供了利用固定化CPC?；复呋疌PC以一步酶法制備7-氨基 頭孢烷酸的方法，該方法包括：將固定化CPC?；概cCPC在液體中混合，在反應(yīng)周期內(nèi)將 反應(yīng)體系的溫度從初始反應(yīng)溫度連續(xù)地或不連續(xù)地逐漸升溫至16-37Γ，優(yōu)選20-35°C，再 優(yōu)選 25-35 °C。
[0016] 所述初始反應(yīng)溫度為0_15°C，優(yōu)選3-15°C，更優(yōu)選5-10°C。
[0017] 所述液體可以是水或常用緩沖液例如磷酸鈉緩沖液。
[0018] 固定化CPC?；概cCPC的混合方式?jīng)]有特別的限制，只要得到固定化CPC酰化 酶與CPC的混合溶液即可。例如，可以先將固定化CPC?；负虲PC分別分散或溶于水或 緩沖液中，再將二者混合；也可以直接將固定化CPC酰化酶和CPC同時(shí)投入水或緩沖液中混 合；還可以將固定化CPC?；钢苯油度隒PC的水或緩沖液溶液中。
[0019] 上述反應(yīng)周期是指在一個(gè)批次的反應(yīng)中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，底物CPC的轉(zhuǎn)化率 為90-99%的反應(yīng)時(shí)間段。
[0020] 所述連續(xù)地升溫是指在反應(yīng)周期內(nèi)溫度連續(xù)不間斷地升高直到反應(yīng)結(jié)束。上述連 續(xù)地升溫的方式包括以恒定的升溫速度的方式和以不恒定的升溫速度的方式。所述恒定 的升溫速度例如在0. 01°c /分鐘-3. 0°C /分鐘范圍內(nèi)的任一升溫速度，優(yōu)選0. 05°C /分 鐘-2. 0°C /分鐘，更優(yōu)選0. 1°C /分鐘-1. 0°C /分鐘。在不恒定的升溫速度的情況下，優(yōu)選 先慢后快的升溫速度，但是升溫的平均速度落入〇. 〇l°C /分鐘-3. 0°C /分鐘的范圍內(nèi)，優(yōu) 選0· 05°C /分鐘-2. 0°C /分鐘，更優(yōu)選0· 1°C /分鐘-1. 0°C /分鐘。
[0021] 所述不連續(xù)地升溫是指在反應(yīng)周期內(nèi)的升溫間斷進(jìn)行。不連續(xù)的升溫方式包括多 種，只要在升溫過程中發(fā)生間斷，就包括在上述的不連續(xù)升溫的范圍內(nèi)。另外，在升溫過程 中可以包括有一個(gè)或多個(gè)降溫階段，只要在反應(yīng)周期內(nèi)溫度整體來看是上升的即可。上述 不連續(xù)地升溫的方式包括例如階梯式升溫。
[0022] 所述階梯式升溫包括兩階段升溫或更多階段升溫，例如在5-15Γ保持總反應(yīng)時(shí)間 的1/2-3/4然后在20-37°C保持總反應(yīng)時(shí)間的1/4-1/2的兩階段升溫，或者在5-15°C保持 總反應(yīng)時(shí)間的1/4-1/2然后在20-25°C保持總反應(yīng)時(shí)間的1/4-2/3然后在28-37°C保持總 反應(yīng)時(shí)間的1/4-1/3的三階段升溫。
[0023] 反應(yīng)體系的pH值采用常規(guī)pH值，例如ρΗ8. 0 ± 1。
[0024] 在本發(fā)明的方法中，其它反應(yīng)條件和參數(shù)采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)生產(chǎn)中所采用的 條件和參數(shù)。
[0025] 作為本發(fā)明的方法中使用的固定化CPC?；?，其可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知 的方法獲得，例如可以商購獲得或者通過實(shí)驗(yàn)室常規(guī)酶固定化工藝獲得。舉例來說，CPC ?；缚梢酝ㄟ^微生物例如重組大腸桿菌培養(yǎng)獲得；例如，由重組大腸桿菌BL21(DE3)/ pET-CPCacy經(jīng)過搖瓶培養(yǎng)，超聲波細(xì)胞破碎，離心，制備而得（Zhu XW，et al.，World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2011，27(4) :823-829)。所用的固定化載 體為酶固定化工藝中常用環(huán)氧基或氨基載體，例如LX1000-EPC和LX1000-HA，得自西安藍(lán) 曉科技有限公司。
[0026] 作為在本發(fā)明的方法中使用的固定化CPC?；缚梢詭в袩晒鈽?biāo)記，這是通過在 固定化CPC?；干瞎潭晒馕镔|(zhì)如5-氨基熒光素鈉實(shí)現(xiàn)的。
[0027] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案是基于以下研究形成的：
[0028] 在對固定化CPC?；高M(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)CPC?；冈诘蚿H條件下的催化穩(wěn)定性 差，由于固定化酶內(nèi)底物和產(chǎn)物的擴(kuò)散問題，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)體系中的pH值并不代 表固定化CPC?；钢忻副旧硭幍膒H環(huán)境。固定化CPC?；割w粒周圍和內(nèi)部微環(huán)境 的pH變化情況（也即是酶分子實(shí)際所處的pH環(huán)境）對酶的催化穩(wěn)定性影響較大。因此本 申請的發(fā)明人針對如何調(diào)控才能實(shí)現(xiàn)固定化CPC?；杆幬h(huán)境pH的小幅度平穩(wěn)變化 做了多種嘗試。
[0029] 發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)由于在初始階段的催化速度最快，大量的酸性產(chǎn)物堆積在固 定化酶周圍使得CPC?；傅奈h(huán)境pH與反應(yīng)體系的pH發(fā)生明顯的偏移，從而導(dǎo)致CPC ?；傅拇呋€(wěn)定性顯著下降。同時(shí)，發(fā)明人還出人意料地發(fā)現(xiàn)CPC?；冈谂c產(chǎn)物7-ACA 共存條件下對溫度的耐受性明顯提高。換句話說，雖然產(chǎn)物7-ACA是CPC?；傅姆磻?yīng)抑 制劑，但是在高溫下卻起到對CPC酰化酶的保護(hù)作用。
[0030] 基于上述發(fā)現(xiàn)，發(fā)明人通過調(diào)整反應(yīng)初期的反應(yīng)溫度在較低的溫度范圍內(nèi)，使得 產(chǎn)物7-ACA的生成沒有那么快，從而使得固定化CPC?；杆幍奈h(huán)境的pH變化沒有那 么劇烈，從而保護(hù)了 CPC?；傅拇呋€(wěn)定性。隨著7-ACA在反應(yīng)體系內(nèi)的濃度的提高，由 于CPC酰化酶在與產(chǎn)物7-ACA共存條件下對溫度的耐受性明顯提高，可以逐漸提高反應(yīng)溫 度，使得反應(yīng)時(shí)間縮短，而且還不影響CPC?；傅拇呋€(wěn)定性，使得固定化CPC?；傅?催化批次不受大的影響。
[0031] 實(shí)施例
[0032] 以下通過實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。但是本發(fā)明的范圍并不局限于實(shí)施例。
[0033] 實(shí)施例中的分析方法：
[0034] (1)律立產(chǎn)物7-ACA的標(biāo)準(zhǔn)曲線:
[0035] 1)用0· lmol/L、pH8. 5的磷酸鈉緩沖液分別配制20mg/mL的CPC溶液和3mg/mL的 7-ACA溶液，并用lmol/L的NaOH溶液調(diào)其pH至8. 5〇
[0036] 2)分別取0、1、2、4、8、12、16、2(^1^7-厶〇厶溶液加入到離心管中，再用0.1111〇1/1、 pH8. 5的磷酸鈉緩沖液逐一補(bǔ)足到20 μ L。
[0037] 3)分別向各管中加入20 μ L CPC溶液（37°C預(yù)熱3min)并混勾，37°C靜置5min后 加入200 μ L終止液（50mmol/L的NaOH溶液與20 %的冰醋酸溶液按1:2的體積比混合而 成），并震蕩充分混勻。
[0038] 4)將上述混合液12000rpm離心3min，然后各取200 μ L上清液到新的離心管中， 再加入40yL顯色劑（對二甲氨基苯甲醛的甲醇溶液（0.5%，w/v))并混勻，室溫靜置 lOmin后，各取200 μ L，以加入0 μ L7-ACA溶液的樣品為空白對照，分別測定其它幾個(gè)樣品 在415nm處的吸光度值（采用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的722S型可見光分光光度 計(jì)進(jìn)行測定）。
[0039] 5)以7-ACA濃度為橫坐標(biāo)，0D415為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
[0040] ⑵固宙化CPC酰化酶的酶活測宙：
[0041] 1)稱取質(zhì)量為10mg-100mg的固定化酶于37°C預(yù)熱3min。
[0042] 2)加入37°C預(yù)熱的0. lmol/L、pH8. 5的磷酸鈉緩沖液分別配制20mg/mL的CPC溶 液 4mL〇
[0043] 3) 37°C、160rpm 反應(yīng) 5min。
[0044] 4)取20 μ L上清液進(jìn)行適當(dāng)稀釋，加入200 μ L終止液，混勻。
[0045] 5)將上述混合液12000rpm離心3min后取200 yL上清液到離心管中，再加入 40 μ L顯色劑并混勾，室溫靜置lOmin后，取200 μ L測定其在415nm處的吸光度值（采用上 海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的722S型可見光分光光度計(jì)進(jìn)行測定）。
[0046] 6)通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算7-ACA濃度，最終計(jì)算出固定化CPC?；傅幕钚?。
[0047] CPC酰化酶活力的定義：在37°C、ρΗ8· 5、以20mg/mL的CPC溶液為底物的條件下， 每分鐘催化CPC生成1 μ m〇17-ACA所需的酶量為1個(gè)活