将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法

专利名称：将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法
将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法本发明涉及将包含蛋白和/或氨基酸的有价值的剩余物流或废料、或主要农业 物流或其混合物转化为有价值的化学制品的方法。尤其是，本发明涉及将色氨酸转化为 犬尿氨酸的方法。进而，这种转化方法适合作为由有价值的剩余物流或废料、或主要农 业物流或其混合物(尤其是由包含氨基酸色氨酸的物流)生产苯胺方法的加工步骤。许多基础化学制品是利用化学工业大规模生产的。然而，由于废物流、毒性气 体副产物的产生和高能量消耗等等，所使用的商业基础化学品的生产方法常常对环境不 利。这种商业基础化学品的例子是苯胺。苯胺主要用于生产亚甲基二苯基异氰酸酯。另 一个用途包括橡胶加工化学品，除草剂，染料和颜料，特殊纤维，爆炸物，环氧固化剂 和药物。大部分苯胺是如下制备的使用浓硝酸和浓硫酸的混合物，将苯硝化，而后在 催化剂例如镍的存在下，在大约600°C，将硝基苯氢化。气相硝基苯在固体催化剂上的氢 化也是已知的。然而，Sunoco's苯胺法(Halcon方法)包括用氨将苯酚转化，苯酚由枯 烯生产，并且形成副产物二苯胺。目前，在食品工业和生物燃料工业中，产生还包含有用起始原料的许多废物流 或剩余物流，这些原料包含商业用品的有价值的基础化工产品的原料。许多这种废物流 或剩余物流包含蛋白材料，例如蛋白和/或氨基酸。这种废物流或剩余物流可以转变为 有价值的基础化工产品。Takasago Perfomery Co. Ltd.的JP A 2135093 (结合到本文中作为参考)公开了邻
氨基苯甲酸的制备方法，在这种方法中，用无色菌株(Achromobacter)接种包含色氨酸 的培养介质，在28°C摇动培养介质48小时之后，进行后处理。Pernod-Ricard的EP 549.421 Al (结合到本文中作为参考)公开了使用酿酒酵母
突变体(其是用于色氨酸产生邻氨基苯甲酸的营养缺陷型突变体)的苹果或葡萄汁的发酵 方法。BASFAktiengesellschaft的US 5,422,256 (结合到本文中作为参考)公开了用枯草
杆菌的菌株(其是用于色氨酸产生邻氨基苯甲酸的营养缺陷型菌株)将包含色氨酸的营养 液发酵的方法。Takemura 等人[Takemura Y., Nakamura A., Taguchi H. (1985)， "Catalytic decarboxylation of benzoic acid，，，Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 24 : 213-215]公开了邻 氨基苯甲酸的热分解(在250°C，在铈阳离子交换沸石催化剂的存在下)得到大约90%苯胺。McCollough 等人[McCollough W., Piligan J.T., Daniel I. (1957)， "Enzymatic decarboxylation of aminobenzoates”，J. Am. Chem. Soc. 79 628-630]公开了使用来源于
大肠杆菌培养物的无细胞抽提液对苯甲酸盐进行酶催化脱羧基。当在有氧条件下用底物 培养时，获得大约50%苯胺。本发明的目的是提供将色氨酸转化为犬尿氨酸的经济适宜的方法，该方法具 有可接受的色氨酸的转化率，和可接受的对犬尿氨酸的选择性。
本发明的进一步的目的是提供生产苯胺的经济适宜的方法，该方法可以使用 生物质(bio-mass)作为原料。按照本发明的第一个方面，提供了将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法。色氨酸转 化为犬尿氨酸是如下进行的用电磁辐射照射包含色氨酸的物质，其中电磁辐射包括波 长在10纳米至750纳米范围内的波。单位“纳米”在下文也称为nm。波长在IOnm至750 nm范围内的电磁辐射(也称为EMR)涵盖UV和可见光谱。波长在750 nm至380 nm范围内的EMR是为大家所熟知的可见光谱，其中，波 长在750 nm至620 nm范围内的EMR是指红光，波长在620 nm至590 nm范围内的EMR 是指橙光，波长在590 nm至570 nm范围内的EMR是指黄光，波长在570 nm至495 nm 范围内的EMR是指绿光，波长在495 nm至450 nm范围内的EMR是指蓝光，波长在450 nm至380 nm范围内的EMR是指紫光。波长在IOnm至400 nm范围内的电磁辐射被大家所熟知为“紫外光”或紫外辐 射。该范围包括各种子范围，每个都有具体名称。紫外A或长波UV或黑光是指具有 400 nm至320 nm范围内波长的波的EMR。近UV是指具有400 nm至300 nm范围内波 长的波的EMR。紫外B或中波UV是指具有320 nm至280 nm范围内波长的波的EMR。 中UV是指具有300 nm至200 nm范围内波长的波的EMR。紫外C或或短波UV或杀 菌UV是指具有280 nm至100 nm范围内波长的波的EMR。远UV是指具有200 nm至 122 nm范围内波长的波的EMR。真空UV是指具有200 nm至10 nm范围内波长的波的 EMR0 极端UV是指具有121 nm至10 nm范围内波长的波的EMR。光照可以用150 W中压汞汽灯(具有全部辐射能的39%，UV谱在250-380 nm 之间)提供。色氨酸至犬尿氨酸的这种转化是氧化反应，其可以是使用电磁辐射的光化学氧 化反应，优选具有IOnm至400 nm范围内的波长，或可以是使用电磁辐射的光催化氧化 反应，这种辐射优选具有10 nm至400 nm范围内的波长。优选TiO2用作光催化反应中的催化剂。其它合适的光催化催化剂基于过渡金属氧化物或过渡金属硫化物，并且包括， 例如 Fe2O3, V2O5，Bi2AlVO7, CdS/ZnS, CaIn2O4,氧氮化钽(antalum oxynitride)，氧化 钨，β-Ga2O3, Fe203/FeV04，CaZrTi2O7, BiVO4 等等。可以以各种物相形式提供TiO2光催化剂，例如任何金红石和八面石。可以用其 它过渡金属浸渍 TiO2 (例如 V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zr, Nb, Ru，Rh, Ag，
Cd，Ge, Ga, Zn,等等)，并且可以提供在不同的载体上，例如二氧化硅，氧化铝，二 氧化硅/氧化铝，微孔性的载体，中孔性的(mesoporous)载体，等等。光化学或光催化氧化反应尽可能地(即使不是必须的)在空气或氧气的存在下进 行。氧气可以以环境条件下空气自然溶解在溶液中的氧气形式提供。优选，通过向 反应混合物中鼓入空气或氧气的方式提供空气或氧气。按照本发明的一些实施方案，可以使用具有波长在紫外A范围的波的电磁辐 射，尤其当用于光化学反应时，任选，甚至优选，存在氧气或空气。
光催化氧化反应可以在电流(在至少两个电极之间流动)的存在下进行。优选， 这些电极中的一个(阳极)可以包含光催化剂(例如TiO2),其中两个电极具有0.5 V至 IOV范围内的电位差。可以使用包含蛋白材料的物质作为原料来提供包含色氨酸的物质。废料或废物流、主要农业物流或其混合物包含大约5至大约95 ^￥1%蛋白材料 (基于废料的总重量)，主要农业物流或其混合物可以用来提供包含蛋白材料的物质，以 提供包含色氨酸的物质。更优选，废料、主要农业物流或其混合物包含大约10至大约90 wt%蛋白材料，最优选大约15至大约75 wt%。优选，废料、主要农业物流或其混合物是在食品工业、生物燃料工业、生物质 行业、动物饲料行业或发电行业中产生的，最优选是在食品工业或在生物燃料工业中产 生的。蛋白材料可以包括来源于动物的蛋白，例如来源于酪蛋白、鱼粉、屠宰场残 物、卵蛋白的蛋白或来源于粪便(具体地说，鸡粪)的蛋白，或可以包括植物蛋白，例如 谷蛋白或大豆蛋白，例如大豆粕，油菜压榨饼，向日葵籽压榨饼，叶蛋白，向日葵的荚 和管茎，蓖麻和大豆，和/或氨基酸残余物，例如，得自于甜菜、马铃薯、玉米、小麦 和大豆的工业加工的氨基酸残余物。包含色氨酸的物质可以通过包含蛋白材料的物质的水解反应来获得。水解反应可以优选用酶或酶的组合来进行，其中酶优选选自蛋白酶和肽酶。可 以使用各种纯度的酶，和/或酶可以是存在于有生命的、死亡或变性微生物内，可以将 这种微生物遗传改性。按照本发明的另一个实施方案，优选，用酸或碱进行水解反应，最优选碱水 解。在碱水解条件下，色氨酸显示了很高的稳定性。例如，色氨酸的水溶液(0.2 g/Ι)不 会裂解，甚至与6NKOH或6NNaOH(pH>13) —起回流24小时之后也不会裂解。任选，水解反应优选采用酶与酸或碱的结合来进行。蛋白材料可以包括色氨酸源，和/或可以包括色氨酸。作为替代品，包含色氨酸的物质可以是由发酵工艺所获得的产物。按照本发明的第二个方面，提供了形成或生产苯胺的方法。该方法包括下列步 骤
1.提供包含色氨酸的物质；
2.按照本发明第一个方面将所述色氨酸转化为犬尿氨酸；和
3.将所述犬尿氨酸转化为苯胺。犬尿氨酸至苯胺的转化，可以通过邻氨基苯甲酸将犬尿氨酸转化为苯胺。按照本发明，色氨酸转化为犬尿氨酸是如下进行的照射所述包含色氨酸的物 质，其中电磁辐射包括IOnm至750 nm范围内波长的波。犬尿氨酸转化为苯胺可以如下进行首先，对犬尿氨酸进行酶催处理，例如， 使用犬尿氨酸酶，提供包含邻氨基苯甲酸和丙氨酸的混合物。邻氨基苯甲酸可以转变为 苯胺。犬尿氨酸至苯胺的转化可以通过两步来进行。第一步是犬尿氨酸至邻氨基苯甲 酸和丙氨酸的酶转化。使用的酶可以是犬尿氨酸酶，其是在哺乳动物的肝中自然产生的。可以使用适合于进行犬尿氨酸至邻氨基苯甲酸和丙氨酸的酶转化的其它酶。可以使 用各种纯度的酶，和/或酶可以存在于有生命的、死亡或变性微生物内，可以将这种微 生物遗传改性。例如，在室温下，浓度为0.2 g/Ι的犬尿氨酸水溶液可以在8分钟之内完全转化 (100%转化)为邻氨基苯甲酸和丙氨酸。在PH8.5条件下，底物比例是1犬尿氨酸0.4 酶3水。使用的酶是犬尿氨酸酶。邻氨基苯甲酸可以被脱羧基而成为苯胺。脱羧基步骤可以在酶的存在下进行。酶可以是从大肠杆菌所获得的酶。这种脱羧基步骤可以在酶的存在下进行，例如，从大肠杆菌所获得的酶[W. McCollough, J. T. Piligan, I. Daniel. J. Am. Chem. Soc., 79 (1957) 628]。在缺氧状态下， 在35°C，pH=6,使用8 mg细菌N，3小时之后，25 ml浓度为100微摩尔的邻氨基苯 甲酸水溶液可以50%转化为苯胺。该溶液还含有0.4微摩尔的磷酸吡哆醛和1.0微原子
(microatom)的铁(III)。作为替代方案，脱羧基可以是在有或者没有催化剂(例如均相或非均相催化剂) 存在的条件下的热反应。在高温(例如大约100°c )下，合适的均相催化剂是H2SO4或 HC1。合适的非均相催化剂是铈阳离子交换的沸石，例如CeHY。如果反应在非均相催化 剂或均相催化剂的存在下进行，优选这种反应在大约80°C至大约500°C的温度下进行， 更优选在大约100°C至大约450°C的温度。作为进一步的替代方案，脱羧基可以是基于酸的反应，在这种反应中，使邻氨 基苯甲酸与无机酸(优选压304或150)或与乙酸反应。反应优选在高温下进行，例如在 100°C至250°C范围内。在脱羧基是基于酸的反应或热反应的情况下，苯胺或苯胺-水混合物可以用作 溶剂，其中加入邻氨基苯甲酸溶液。作为进一步的替代方案，脱羧基可以是光催化反应，任选使用TiO2,任选在室 温下，任选使用合适光源(例如中压水银蒸气灯，黑光等等)。独立和从属权利要求列出了本发明的具体和优选特征。可以将得自于从属权利 要求的特征同独立或其它从属权利要求的特征相结合(视情况而定)。由下列详细说明(与附图结合)，本发明的上述及其它特性、特征和优越性将会 变得更明显，其通过实施例说明本发明原理。该说明只是为了举例，其不限制本发明的 范围。

图1显示了按照本发明第一个方面色氨酸光化学转化为犬尿氨酸的结果，以照 射时间的函数形式显示转化，在没有空气泵送的情况下/在有空气泵送的情况下。图2和图3显示了按照本发明第一个方面色氨酸光催化转化为犬尿氨酸的结果。 在图2中，将色氨酸转化针对反应时间进行绘图。在图3中，显示了转化随反应器中所 存在TiO2数量的增加而提高。图4显示了按照本发明第一个方面色氨酸另一种光催化转化为犬尿氨酸的结 果。图4显示了作为所使用的光强度的函数的色氨酸的转化。图5和图6显示了邻氨基苯甲酸脱羧基反应成为苯胺的结果，其是按照本发明第 二个方面的提供苯胺的方法的一部分。图5和6分别显示了随着反应时间变化的邻氨基苯甲酸的转化和生成苯胺的选择性。图7显示了适合用于按照本发明方法的黑光反应器。图8显示了适合用于按照本发明方法的UV灯的发射曲线图。相对于具体实施方案来描述本发明。应该注意，权利要求中使用的术语“包 括”不应该将其解释为只限于其后列出的含义；它不排除其它成份或步骤。由此将其解 释为具体说明所陈述特征、步骤或组成部分(作为引证)的存在，但不排除存在或加 入一个或多个其它特征、步骤或组成部分或其组合。由此，措辞“包括装置A和B的设 备”的范围不应该限于只是由组成部分A和B组成的设备。就本发明而论，这是指设备 的仅仅相关的组成部分是A和B。贯穿该说明书，都是参考“一个实施方案”或“一种实施方案”进行的。这种 参考表明，相对于实施方案所描述的具体特征包括在本发明的至少一个实施方案中。由 此，在整个该说明书的各个位置出现的字句“在一个实施方案中”或“在实施方案中” 不一定都指的是相同实施方案(尽管它们可以是相同实施方案)。此外，在一个或多个实 施方案中，可以以任何合适方式将具体特征或特性进行组合，这对本领域普通技术人员 来说是显而易见的。提供下列术语完全是为了帮助理解本发明。当涉及组分的百分数时，是指组分的摩尔百分数，除非另有陈述。按相对于组 合物的底物(组分存在于其中)的摩尔总数来表达摩尔百分数。在本发明的第一步中，提供了包含色氨酸的物质。这种物质可以从蛋白材料 获得，其包含来源于动物的蛋白，例如酪蛋白，鱼粉，屠宰场残余物，卵蛋白或来源于 粪便的蛋白，具体地为鸡粪，或可以包括植物蛋白，例如谷蛋白或大豆蛋白，例如大豆 粕，油菜压榨饼，向日葵籽压榨饼，叶蛋白，向日葵的荚和管茎，蓖麻和大豆，和/或 氨基酸残余物，例如，来源于甜菜、马铃薯、玉米、小麦和大豆的工业加工的氨基酸残 余物。在这个第一实施例中，色氨酸至犬尿氨酸的转化是使用光化学反应进行的。在 氧气的存在下，使850 ml含有色氨酸的水溶液(色氨酸浓度为0.2 g/Ι)在光致反应器(从 PscheleCo. Germany获得)中转化。搅拌溶液2小时，搅拌速度700-900 rpm，用150 W 中压水银蒸气灯(具有250 nm至380 nm的UV范围)照射溶液。以间隔时间为基础，从溶液中取出所得到产物的样品，并借助于HPLC直接进 行分析。图1显示了色氨酸作为照射时间的函数表示的转化，或在没有向溶液中鼓入空 气的条件下或在向溶液中鼓入空气的条件下(速率为200-250 ml/min)。空气流的氧含量 与标准空气混合物的氧含量一致(例如20-22%)。当不存在空气的时候，至多37%的色氨酸发生转化，而在空气存在情况下，几 乎50%的色氨酸发生转化。在没有鼓入空气的条件下，生成犬尿氨酸的选择性是72%， 而当鼓入空气时，选择性是68%。在按照本发明的色氨酸转化为犬尿氨酸的替代方法(光催化转化)中，将850ml 色氨酸水溶液(0.2 g/Ι)放在上面描述的相同反应器中，将50mg(DegUSSa的P_25)Ti02W 入到含有色氨酸的溶液中。此外，将空气鼓入溶液中，速率为200-250 ml/min。搅拌溶液20分钟，在将中压水银蒸气灯点燃之后，用700-900rpm的速率搅拌溶液。以间隔时间为基础，取出样品，通过微型过滤器进行过滤，以便除去TiO2,而 后借助于HPLC进行分析。在图2中，将色氨酸转化针对反应时间进行绘图。从HPLC 获得的结果表明，在2小时之内转化了将近50%的色氨酸，生成犬尿氨酸的选择性是 61%。在进一步试验中，用不同的TiO2浓度(IOOmg和200 mg)重复反应。结果如图3 所示，转化随TiO2数量的增加而提高，然而，生成犬尿氨酸的选择性随色氨酸转化的提 高而降低。在基于按照本发明的色氨酸转化为犬尿氨酸方法的替代性光催化反应中，为该 目的而设计了反应器(取名为黑光反应器)。图7显示了 ‘黑光反应器’的照片。反应器是可关闭的铝盒，尺寸为高60 cm，宽60 cm，厚40 cm。盒子安装有12 V变压器(用于电动排气扇)。使用发射大约 350-400 nm光(发射示于图8)的八个灯(F20 T8 BLB)、18 W黑光灯(60 cm χ 2.5 cm)； 每个灯独立地用ON/OFF钮控制。在烧杯(SchottDunm)中进行实验，烧杯的长度为 8 cm、内径为6.2 cm、容积为100 ml。在实验期间，通过薄塑料管鼓入空气，速率为 200-250 ml/minο将50 ml含有色氨酸的水溶液(浓度为0.2 g/Ι)放在烧杯中，加入50 mg TiO2, 用于光催化色氨酸转化。将色氨酸溶液的表面和光源之间的距离调节至5 cm。将含有 TiO2W色氨酸溶液首先搅拌20分钟，而后，接通黑光灯，并用700-900 rpm的速率搅拌溶液。以两个小时的间隔时间为基础，取出样品。通过微型过滤器过滤样品，以便除 去TiO2,并借助于HPLC进行分析。结果(如图4所示)显示，当只使用1个黑光灯(1 * 18 W)时，色氨酸转化 42%，生成犬尿氨酸的选择性是92%。当使用3个灯时，70%的色氨酸发生转化，生成 犬尿氨酸的选择性是90% (3*18 W)。当使用8个灯时，72%的色氨酸发生转化，生成犬 尿氨酸的选择性是90% (8*18 W)。当使用中压灯时，65%的色氨酸发生转化，生成犬尿 氨酸的选择性是52% (150 W)。在随后的步骤中，对得到的产物(从上面包含犬尿氨酸的加工步骤之一中获得) 进行犬尿氨酸转化为邻氨基苯甲酸和丙氨酸的步骤。该转化在8分钟之内达到100%。在典型实施例中当使用犬尿氨酸酶时，在室 温下，浓度为0.2 g/Ι的犬尿氨酸水溶液完全转化为邻氨基苯甲酸和丙氨酸。在pH8.5条 件下，底物比例是1犬尿氨酸0.4酶3水。在随后的步骤中，使用传统方法将所得到的包含邻氨基苯甲酸的产物与其它组 分分离之后(提供于水溶液中，每升大约0.2至5克)，可以将其脱羧基，成为苯胺。在100°C，在流动(fluxing)条件下，将得到的包含邻氨基苯甲酸的产物脱羧 基，成为苯胺。制备具有0.2 g/Ι浓度的邻氨基苯甲酸水溶液，并将50 ml该溶液放在圆底烧瓶 中。将烧瓶加热至100°C。进行三个实验，在实验中加入无机或有机酸(37 mmol/1的 H2SO4, 65 mmol/1的HCl或乙酸。在不加入酸的条件下进行一个实验。以间隔时间为 基础，取出样品，并用HPLC分析。
反映在图5和6中的结果表明，在存在酸或不存在酸的条件下，可以将邻氨基苯 甲酸脱羧基，成为苯胺。在没有酸的条件下，24小时之后，27%的邻氨基苯甲酸发生转 化。然而，在无机酸的存在下，例如在H2SO4或HCl实验中，获得将近80%的转化，生 成苯胺的选择性分别是80%和71%。在替代方法中，使用紫外线照射，在光催化剂(典型地是TiO2)的存在下，将所 得到的包含邻氨基苯甲酸的产物脱羧基。在一个实施例中，制备邻氨基苯甲酸的水溶液，并在室温下将其用TiO2进行光 氧化。光源是上述的中压水银蒸气灯或黑光灯。将空气鼓入溶液中，速率为200-250 ml/ min0转化达到15%，而后，将形成的苯胺进一步光氧化成为二氧化碳和水。应该理解，尽管为了提供按照本发明的实施方案已经讨论了优选实施方案和/ 或原料，但在没有背离本发明的范围和精神的条件下，可以进行各种改进或改变。
权利要求
1.将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法，其中将色氨酸转化为犬尿氨酸是如下进行的 用电磁辐射照射包含色氨酸的物质，该电磁辐射包括波长在10纳米至750纳米范围内的 波。
2.按照权利要求1的方法，其中色氨酸至犬尿氨酸的所述转化是氧化反应。
3.按照权利要求2的方法，其中所述氧化反应是光化学氧化反应或光催化氧化反应。
4.按照权利要求3的方法，其中所述氧化反应是使用TiO2作为光催化剂的光催化氧 化反应。
5.按照权利要求4的方法，其中所述光催化氧化反应是在电磁辐射的存在下进行 的，该电磁辐射具有波长在紫外A范围的波。
6.按照权利要求4或5的方法，其中所述光催化氧化反应是在电流存在下进行的，该 电流在至少两个电极之间流动。
7.按照权利要求1至6的任一项的方法，其中色氨酸是由包含蛋白材料的物质提供的。
8.按照权利要求1至7的任一项的方法，其中色氨酸是通过蛋白材料的水解反应提供的。
9.按照权利要求8的方法，其中色氨酸是通过蛋白材料的碱水解反应提供的。
10.提供或生产苯胺的方法，该方法包括下列步骤1.提供包含色氨酸的物质；2.按照权利要求1至9的任一项将所述色氨酸转化为犬尿氨酸；和3.将所述犬尿氨酸转化为苯胺。
11.按照权利要求10的方法，其中犬尿氨酸至苯胺的转化包括对犬尿氨酸进行酶 催处理，任选使用犬尿氨酸酶，提供包含邻氨基苯甲酸和丙氨酸的混合物，并将所述邻 氨基苯甲酸转化为苯胺。
12.按照权利要求11的方法，其中将邻氨基苯甲酸脱羧基，成为苯胺。
13.按照权利要求12的方法，其中脱羧基是通过在存在或者不存在催化剂的条件下 的热反应提供的。
14.按照权利要求12的方法，其中脱羧基是通过基于酸的反应提供的，优选使用 H2SO4> HCl 或乙酸。
15.按照权利要求14的方法，其中将所述邻氨基苯甲酸引入到基于苯胺或苯胺-水的 溶液中。
16.按照权利要求12的方法，其中脱羧基是通过光催化反应提供的。
全文摘要
将色氨酸转化为犬尿氨酸的方法。色氨酸转化为犬尿氨酸是如下进行的用电磁辐射照射包含色氨酸的物质，其中电磁辐射包括波长在10纳米至750纳米范围内的波。
文档编号C07C227/28GK102015623SQ200980116167
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月7日
发明者E·斯科特, F·彼得, J·桑德斯, M·H·沙德, R·H·卡尔 申请人:亨茨曼国际有限公司