Особенности поведения фермента панкреатической липазы при рециклизации в процессах синтеза бутилбутирата в неводных средах

Душистые вещества находят сегодня широкое применение при создании различных отдушек для косметических и моющих средств, медицинских препаратов наружного применения, а также в пищевой промышленности. Ферменты, полученные с помощью методов «зеленой химии», особенно ценны ввиду своей экологичности. Поэтому ферментативный синтез сложных эфиров алифатических кислот и спиртов, многие из которых являются душистыми веществами, представляет большой практический интерес. Данный метод имеет существенные преимущества в сравнении с химическим: процесс ведется при низкой температуре, при проведении ферментативных трансформаций практически отсутствуют побочные продукты, вследствие чего не требуется применения специальных методов очистки. Однако стоимость ферментных препаратов достаточно высока, но иммобилизованные ферменты возможно использовать многократно. В настоящей работе была исследована возможность использования неиммобилизованной лиофильно высушенной липазы (Lipase from porcine pancreas, Type 11) для многократной этерификации бутилового спирта масляной кислотой. Процесс синтеза проводился в среде гексана. Полнота протекания процесса контролировалась путем титрования водно-спиртовой щелочью остаточной кислоты в реакционной среде. После завершения процесса синтеза эфира ферментный препарат отделялся от реакционной смеси и повторно использовался в реакции с новой порцией субстрата. Показано, что фермент может использоваться в более 10 циклах. Обнаружено, что начиная со второго цикла активность фермента возрастает в зависимости от его концентрации в среде. При этом конверсия масляной кислоты увеличивается на 6–180% и только после 10-го цикла сравнивается с исходной. Необычный эффект повышения ферментативной активности липазы в рециклах можно объяснить явлением автокатализа, а именно, активацией фермента водой, выделившейся в результате этерификации, и особенностями строения активного центра панкреатической липазы.

1. Войткевич С.А. 865 душистых веществ для парфюмерии и бытовой химии. М.: Пищевая промышленность, 1994. 594 с.

2. Хейфиц Л.А., Дашунин В.М. Душистые вещества и другие продукты для парфюмерии. М.: Химия, 1994. 226 с.

3. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Шнайдер К.Л., Давлетшина Г.А. Липазы в реакциях этерификации: обзор // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. N 3. С. 216–233. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2020-3-216-233

4. Кондрашева Н.К., Кондрашев Д.О., Еремеева А.М. Получение и исследование биодизельного топлива на основе кукурузного масла и бутилового спирта // Академический журнал Западной Сибири. 2014. Т. 10. N 2 (51). С. 24.

5. Гарабаджиу А.В., Голынкин В.А., Карасев М.М., Козлов Г.В., Лисицкая Т.Б. Основные аспекты использования липаз для получения биодизеля (обзор) // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2010. N 7 (33). C. 63–67.

6. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей: монография. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. 252 с.

7. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Яковлева Е.Ю., Пыхтина М.Б. Биокаталитические гетерогенные процессы переэтерификации растительных масел в биодизель // Катализ в промышленности. 2014. N 6. С. 71−79.

8. Varfolomeev S.D., Krylova L.P., Efremenko E.N. Biofuels // Russian Chemical Reviews. 2010. Vol. 79. Issue 6. P. 544−564. https://doi.org/10.1070/RC2010v079n06ABEH004138

9. Firdaus M.Y., Brask J., Nielsen P.M., Guo Z., Fedorov S. Kinetic model of biodiesel production catalyzed by free liquid lipase from Thermomyces // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 2016. Vol. 133. P. 55−64. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2016.07.011

10. Самойлова Ю.В., Сорокина К.Н., Пилигаев А.В., Пармон В.Н. Применение бактериальных термостабильных липолитических ферментов в современных биотехнологических процессах // Катализ в промышленности. 2018. Т. 18. N 6. С. 61−73. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2018-6-61-73

11. Тырсин Ю.А., Шеламова С.А. Механизмы гидролиза, синтеза и переэтерификации в пищевой биотехнологии: монография. Воронеж: Научная книга, 2012. 212 с.

12. Matte C.R., Bordinhao С., Poppe J.K., Rodrigues R.C., Hertz P.F., Ayub A.Z. Synthesis of butyl butyrate in batch and continuous enzymatic reactors using Thermomyces lanuginosus lipase immobilized in Immobead 150 // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 2016. Vol. 127. P. 67−75. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2016.02.016

13. Gubicza L., Kabriri-Badr A., Keoves E., Belafi-Bako K. Large-scale enzymatic production of natural flavor esters in organic solvent with continuous water removal // Journal of Biotechnology. 2001. Vol. 84. P. 193−196. https://doi.org/10.1016/s0168-1656(00)00352-7

14. Martins A.B., da Silva A.M., Schein M.F., Garcia-Galan C., Záchia Ayub M.A., Fernandez-Lafuente R., et al. Comparison of the performance of commercial immobilized lipases in the synthesis of different flavor esters // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 2014. Vol. 105. P. 18−25. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2014.03.021

15. Xiao Z., Hou X., Lyu X., Zhao J.-Y., Xi L., Li J., et al. Enzymatic synthesis of aroma acetoin fatty acid esters by immobilized Сandida antarctica lipase B. // Biotechnology Letters. 2015. Vol. 37. Issue 8. P. 1671−1677. https://doi.org/10.1007/s10529-015-1834-0

16. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Мамаев А.Л. Биокаталитические гетерогенные процессы этерификации насыщенных жирных кислот с алифатическими спиртами // Катализ в промышленности. 2017. Т. 17. N 5. С. 399−406. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2017-5-399-406

17. Bezborodov A.M., Zagustina N.A. Lipases in catalytic reactions of organic chemistry // Applied Biochemistry and Microbiology. 2014. Vol. 50. Issue 4. P. 313–337. https://doi.org/10.1134/S0003683814040024

18. Gamayurova V.S., Jamai M.J., Zaripova S.K., Shnaider K.L., Bildanova N.I., Chernykh M.N. Comparison of esterifying ability of some lipases // Journal of Advanced Chemical Sciences. 2018. Vol. 4. Issue 11. P. 531−533. https://doi.org/10.30799/jacs.179.18040102