短链脱氢酶分子改造提高生物油残留醛酮还原能力的研究文献综述

 2022-03-01 22:14:47

研究目的及意义

在生物质能源的各种利用方式中，生物质快速裂解技术发展迅猛，能将低能量密度的农业废弃物转化为易存储、易运输且能量密度高的生物油，所产生的生物油有望代替石油等燃料，成为人们研究的热点。然而生物油的高含氧量和大量低沸点的挥发性物质，使生物油的稳定性较差，不易储存，且久置后的生物油容易分层，产生粘稠的沉积物在底部，使生物油的理化性质难以保持稳定。因此对生物油进行加氢，使生物油里的含氢量增高和含氧量下降，是将生物油改性的一个重要方法。

脱氢酶/还原酶（dehydrogenase/reductase)广泛存在于生物体中，催化介导多种代谢反应。大多数的短链脱氢酶是NAD（P）（H）依赖型氧化还原酶，可作为催化剂催化多种反应，具有广泛的底物谱[1]。因此可用来对生物油进行酶催化加氢，改善生物油的催化性质。然而生物油成分复杂，含有大量抑制物，对酶的抑制和伤害较大，因此，需要对酶进行突变筛选，以适应生物油的催化环境，高效率地对生物油加氢，提高生物油品质，使其能更好的应用到设备中。

国内外同类研究

生物油成分及利用现状

生物质热裂解是指生物质在完全绝氧或缺氧条件下进行热分解，最终得到液态生物油、木炭和可燃气体的过程[2-3]。热裂解液化得到的主要产物是液态生物油，它是一种黑色酸性液体且其成分包括酸、醇、醛、酮和芳香烃等几乎所有类型的含氧化合物[4] 。生物油的化学组成会随着生物质原料的种类、热解条件和产物收集方法等因素而变化。

由于生物质原料，热解条件和产物收集方法的不同，生物油的化学成分也会不同。目前为止，生物油中已经能够识别的物质超过了300种，一般而言，GC-MS（气质联用）只能分析出生物油中50%的组分，剩余的25%可以通过HPLC-MS（液质联用）分析，而剩余难检测出的组分大多是木质素热解产物[5]。

不同原料热裂解制取的生物油中具有少量的独有化合物，除此之外，其主要化学成分大致相同，主要有醛类、酮类、苯酚类、醇类和酸类等化合物。玉米秸热裂解油以酮类物质最多，酸类次之；麦秸和棉秆热裂解油以酸类物质居多，酮类物质次之[6]。通过对不同生物质原料和相同原料不同条件的生物油样品的分析发现:生物质原料对于生物油的化学成分影响很大，而热解条件则对生物油中各组分物质的相对含量影响较大，这给以提取为目的的热解工艺提供了一个很好的理论参考。

目前，人类难以在设备上直接使用生物油，因此生物油在适用范围上受到了极大限制。生物油的高含氧量和大量低沸点的挥发性物质，使生物油的稳定性较差，不易储存。且久置后的生物油容易分层，产生粘稠的沉积物在底部，使生物油的理化性质难以保持稳定。生物油中含氧官能团的大量存在，使得生物油有很高的含氧量，其含水量增加，可燃性降低，生物油的品质下降。

短链脱氢酶研究现状

2.2.1短链脱氢酶的来源

根据酶组委会的规定，按照其反应类型、底物以及辅助因子等条件的区别，羰基还原酶主要分为以下三类，短链脱氢酶/还原酶家族(short-chain dehydrogenases/ reductase, SDR) [7] ，中链脱氢酶/还原酶家族(medium-chain dehydrogenases/ reductase, MDR) [18] 和醛酮还原酶家族(Aldo-keto reductase superfamily, AKR) [19]等。其中SDR 是一类非常古老的家族，大多数SDR大约有250-350个氨基酸残基，有超过大约 25%的还原酶属于该家族。催化三联体由 Tyr-Lys-Ser 组成以及NAD（P）H 结合的 Rossmann 折叠 Gly-X-X-X-Gly-X-Gly 保守序列[10]。SDR酶家族中的残基同一性很低，只有15％-30％，表明早期进化存在差异，羰基还原酶属于SDR家族，通常是NADPH依赖的胞质酶，对许多内源性和外源性羰基化合物具有广泛的底物特异性[11] 。

2.2.2羰基还原酶催化机理

羰基还原酶是一类可以催化底物的氢化还原反应或者其逆反应的酶的总称，还原力[H]由辅因子 NADH(腺苷腺嘌呤二核苷酸)或 NADPH(磷酸腺苷腺嘌呤二核苷酸)提供（如图 2.1）[12]。

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