Modelling of green biocatalytic (R)-(+)-limonene oxidation using the mycelium of psychrophilic Cladosporium cladosporioides 01
Mateusz Kutyła, Edward Kozłowski, Marek Stankevič, Agnieszka Świca, Mariusz Trytek
Green Chemistry, 2024, 26, 1598-1609 (IF = 9,8), doi: 10.1039/D3GC02141F
Monoterpeny stanowią różnorodną pod względem struktury grupę związków, obecnych w olejkach eterycznych roślin. Z powodu niskiego stężenia najcenniejszych, utlenionych pochodnych terpenów (terpenoidów), dąży się do ich otrzymywania przy użyciu zrównoważonych metod biokatalitycznych.
W pracy opisano chemoenzymatyczną metodę utlenienia (R)-(+)-limonenu do jego epoksydów z zastosowaniem nowego biokatalizatora w przyjaznych dla środowiska warunkach reakcji oraz opracowano model matematyczny umożliwiający sterowanie parametrami reakcji epoksydacji limonenu i predykcję wydajności pożądanego produktu w czasie z bardzo dużą dokładnością.
Limonen jest tanim i łatwo dostępnym, naturalnym węglowodorem otrzymywanym w skali przemysłowej z surowców odpadowych, głównie ze skórek owoców cytrusowych. Epoksydy limonenu są stosowane jako monomery do otrzymywania biodegradowalnych polimerów wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu, a także do syntezy bardziej złożonych struktur leków. Opracowanie przyjaznego dla środowiska i taniego procesu biokatalitycznej epoksydacji limonenu jest ważne ze względu na potrzebę zastąpienia polimerów ropopochodnych oraz zredukowania ilości szkodliwych reagentów używanych w procesach chemicznych.
Wykazano, że liofilizowana grzybnia psychrofilnego szczepu Cladosporium cladosporioides 01 jest wydajnym biokatalizatorem chemoenzymatycznej epoksydacji (R)-(+)-limonenu w octanie etylu, który uważany jest za tzw. „zielony rozpuszczalnik”. W pracy opisano matematyczną optymalizację głównych zmiennych procesu za pomocą metody RSM (Response Surface Methodology). Modelowanie parametrów reakcji (temperatura, objętość H2O2, masa biokatalizatora, stężenie substratu i szybkość mieszania) przyczyniło się do około 5-krotnego wzrostu wydajności epoksydacji w porównaniu z procesem niezoptymalizowanym. Po 4 godzinach w temperaturze 55°C bez mieszania, osiągnięto 99,8% wydajność utlenienia limonenu do 1,2-epoksydu (56,3%), 8,9-epoksydu (0,3%) i diepoksydu limonenu (43,2%) przy użyciu 232,7 μl H2O2, 88 μl kwasu octowego, 284 mg biokatalizatora i 57,6 μl substratu. Przeprowadzono również modelowanie reakcji epoksydacji w zależności od stosunku ilości limonenu do masy biokatalizatora. Określono czas osiągnięcia maksymalnej wydajności 1,2-epoksydu i diepoksydu limonenu, co pozwala na racjonalne zaprojektowanie procesu w celu uzyskania pożądanego produktu. Po raz pierwszy obliczono także opłacalność tej biotechnologicznej metody otrzymywania epoksydów limonenu z wykorzystaniem nowego biokatalizatora. Przy użyciu 2,45 grama (R)-(+)-limonenu, przewidywany zysk po 20 godzinach epoksydacji wynosi około 223,5 USD, co czyni ten proces bardzo korzystnym do stosowania w skali przemysłowej.
