编者按：我国工业生物技术从上世纪80年代初开始起步，至今已取得一批产业化的成果，但总体上与工业发
达国家相比还存在一定差距。本刊编辑部与中国生物工程开发中心合作，从本期开始，将对“十一·五”国家科技
攻关计划工业生物领域技术进行系列报道，敬请读者关注。
　　十一 · 五“863工业生物技术”  专题系列报道（1）
　　生物催化还原制备手性芳基醇的关键技术研究
　　华东理工大学 潘江 许建和
　　光学活性的手性仲醇是手性医药、农药、功能材料等合成的重要砌块，许多药物活性化合物中均含有手性芳基
醇或芳基醇胺的基本结构。生物催化的羰基不对称还原是实验室中制备光学活性手性仲醇的常规方法，但是到目前
为止，生物还原在手性芳香仲醇的产业化方面仍然面临诸多困难：①酶制剂资源有限。商品化的还原酶制剂比较少，
而且价格昂贵，主要供科研使用，无法应用于大规模工业化生产。②反应体系复杂，辅酶再生成本高。生物还原需
要还原型辅酶，由于还原型辅酶价格昂贵，必须对其进行原位再生和反复使用，这就需要额外加入促进辅酶再生的
酶系，造成反应体系复杂化。而且现有的一些辅酶再生系统并不完善，效率低，导致辅酶再生应用成本高。③产物
浓度低，提取工艺复杂。大多数芳香酮的水溶性较差，并且在许多反应中存在严重的底物/产物的毒性或抑制问题，
这使得反应产物浓度无法提高，提取、纯化比较困难，增加了生产成本。
　　上述因素严重限制了芳香酮生物不对称还原制备手性芳基仲醇的工业化应用。鉴于这种现状，华东理工大学生
物催化研究室在国家“863”计划的资助下，与江苏华荣生物科技有限公司紧密合作，对生物催化芳香酮羰基还原技
术开展了深入研究，在新酶筛选、辅酶再生、解决底物/产物毒性和抑制等方面实现了重大技术突破，并进行了手性
芳香醇的公斤级规模工业化制备，生产出高光学纯度的系列芳基仲醇，其中部分产品填补了市场空白。
一、    关键技术及主要成果
    1. 可靠、有效的芳香酮还原酶筛选平台
　　针对商品化还原酶制剂稀缺的问题，课题组以芳香酮的不对称还原为目标，对土壤微生物以及植物组织开展了
广泛的分离、筛选工作，建立了可靠、有效的芳香酮还原酶筛选平台，从土壤中分离获得了一批对苯乙酮及其衍生
物具有高度立体选择性并具有自主知识产权的优良微生物菌种，包括红酵母ECU316-1和芽孢杆菌CGMCC 2549，并
且发现一些植物种籽，比如赤豆中也存在着对芳香酮具有高立体选择性的还原酶。与先前文献报道相比，这些新的
生物还原催化剂不仅对芳香酮具有高度的立体选择性，更重要的是，它们能够耐受较高浓度的底物，尤其是对侧链
2-卤素取代的苯乙酮衍生物，底物浓度高达100mM而没有显著的抑制现象，比文献报道结果普遍提高了一到两个数
量级。这对于提高底物/产物浓度、方便提取以及降低成本都非常有利。
    2. 高效、低成本的辅酶再生技术
　　出于自身代谢的需要，生物体内必然存在着高效的辅酶再生系统。鉴定、利用这些天然的辅酶再生系统，使用
生物整细胞或者细胞粗提物作为催化剂，在反应系统中只需加入痕量的辅酶以及等剂量的廉价辅底物，无需额外加
入促使辅酶再生的辅助用酶，即可实现底物的高效转化。如此不仅降低了生产成本，同时反应体系更加简单、易于
操作。
　　课题组针对自主筛选获得的优良催化剂进行了辅酶再生的考察。发现甘露醇是红酵母粗酶粉反应体系中NADPH
再生的优良辅底物，对红酵母酶系进行的初步纯化证明芳香酮还原与辅酶再生使用的不是一种酶。同时对红酵母羰
基还原酶和甘露醇脱氢酶构成的双酶耦合辅酶再生体系进行了优化，在最适合条件下，辅酶再生的总转化数(TTN)
达到4220。
　　此外发现常用的辅底物葡萄糖可以有效地推动赤豆粉粗酶以及芽孢杆菌ECU0013整细胞催化的芳香酮底物还
原。使用葡萄糖作为辅底物，赤豆粗粉作为催化剂，对苯乙酮、4-乙酰吡啶以及通常难以被转化的几种芳香酮底物
（包括2-氯-1-苯乙酮、2-溴-1-苯乙酮和对硝基苯乙酮）进行不对称还原，制备了相应的芳香仲醇，底物浓度均高
达100mM，转化率大都在90%以上，产物的ee值在98%以上。由于赤豆粗粉中自身含有烟酰胺类辅酶，因此反应体
系中无需额外添加辅酶。赤豆作为一种廉价易得的农产品，用其粗酶粉催化芳香酮不对称还原制备光学活性手性仲
醇，反应体系简单，操作简便，这为有机化学家进行光学活性芳香仲醇的不对称合成提供了一种新的重要工具。
    3. 原位底物吸附/产物分离技术
　　微生物整细胞催化的芳香酮还原反应往往存在着严重的底物/产物抑制问题，严重限制了反应底物浓度的提高。
本课题研究中以红酵母为研究对象，对芳香酮还原的底物/产物抑制作用进行了深入考察，结果表明：由于芳香酮具
有比较强的疏水性，高浓度的芳香酮对细胞膜具有破环作用，致使整细胞催化活力迅速丧失；此外，还原产物芳基
醇对还原酶也具有抑制作用。针对这个问题，本课题组采用原位底物吸附/产物分离技术，在反应体系中加入吸附树
脂，使反应体系中的底物以及转化生成的产物吸附在树脂上，从而使反应液中的底物/产物浓度维持在较低水平，有
效地减缓了底物、产物的毒性及抑制效应。在模型底物苯乙酮的转化中，底物浓度由<50mM提高到100mM，转化率由
87.4%(50mM)提高到91.0%(100mM)。由于大量产物吸附在树脂上，反应结束后，使用乙醇对吸附树脂进行洗脱即可
同时实现产品的提取以及树脂的重复使用，如此简化了下游产品的提纯工艺。
    4. 百升级规模芳香酮生物还原中试生产技术
　　在实验室研究基础上，华东理工大学生物催化研究室与协作单位江苏华荣生物科技有限公司合作，依次解决了
高密度发酵产酶、生物还原的规模放大以及产品提取和纯化中存在的系列技术难题，建立、完善了手性芳基仲醇的
工业化生产工艺，在百升级反应釜规模上实现了公斤级别手性芳香仲醇的制备，生产了系列光学纯芳香仲醇产品，
其中的两种产品未见商品化销售，填补了市场空白。
二、    项目目标及完成情况
项目目标
完成情况：
①建立高效率的生物还原反应介质体
系和反应器操作方式，底物浓度大于等
于10 g/L。
筛选获得的新催化剂催化众多芳香酮
底物转化的底物浓度均高于100mM，
其中芽孢杆菌催化α-氯代苯乙酮转化
的浓度可高达200mM (30.8g/L)，没有
显著底物抑制效应。此外，通过构建添
加吸附剂的底物吸附/产物原位移除的
反应体系，消除了苯乙酮转化过程中的
底物毒性/产物抑制问题，使苯乙酮还原
的底物浓度提高到100mM (12g/L)；
②建立高效率低成本的辅酶再生系统，
TTN ≥ 500。
开发了红酵母、芽孢杆菌以及赤豆等羰
基还原酶来源生物组织的内源性辅酶
再生系统，在反应体系中添加廉价的葡
萄糖或甘露醇即可实现辅酶的原位再
生。其中红酵母的羰基还原酶—甘露醇
脱氢酶耦联的辅酶再生系统，TTN达到
4220。
③完成3~10种手性α-芳基醇药物中间
体的公斤级中试制备，产品的光学纯度
达98%以上。
已完成6种手性α-芳基醇药物中间体的
公斤级规模制备，根据产品不同，产品
光学纯度最高达99.9%。

三、    开发情况及前景
　　采用本课题技术开发生产的系列光学纯芳香仲醇已经推向市场，得到国内外试剂公司以及医药等手性化合物生
产部门和代理商的关注，单项产品的销售额已达数十万元。某国际著名试剂公司批量采购了该产品，并已将其推向
欧美等国际市场。