Enzymatic Esterification of Tyrosol with Renewable Fatty Acids into Antimicrobial Tyrosyl Monoesters

Abstract

Phenolipids are the lipophilized phenolic derivatives, which consist of phenolic compounds and fatty acids. They are usually produced to improve their hydrophobicity and efficiency in lipid-based systems. They can be used as surfactants, antioxidants, and/or antimicrobial compounds in cosmetic, food and pharmaceutical industries. In this study, tyrosol (2-(4-hydroxyphenyl)ethanol), which is a well-known natural phenolic antioxidant present in olive oil, was esterified with renewable fatty acids to produce antimicrobial and antioxidative phenolipids, tyrosyl monoesters. The lipase B from Candida antarctica (CalB) was used as a biocatalyst for the biotransformations. Optimization of the reaction conditions such as amount of enzymes added, substrate ratios, and type of solvents allowed to produce a variety of tyrosyl monoesters to a high yield. Afterwards, the antimicrobial activities of the tyrosyl esters against Gram-positive bacteria (e.g., Corynebacterium glutamicum) and Gram-negative bacteria (e.g., Escherichia coli) were tested. The tyrosyl ester of the medium chain fatty acid showed antimicrobial activity against Gram-positive C. glutamicum but did not show antimicrobial activity against Gram-negative E. coli. In addition, oleic acid, ricinoleic acid, and 12-keto oleic acid were selected to study the tyrosyl ester of long-chain fatty acids with specific functional groups that were not studied in the existing tyrosyl ester studies. Prior to this, 12-keto oleic acid was produced from ricinoleic acid. Alcohol dehydrogenase (ADH) was used for the production of 12-keto-oleic acid. In order to increase the production yield, NADH oxidase (NOX) was added to allow cofactor regeneration. When using NOX from Deinococcus radiodurans (NOXDR), all substrate did not converted at 20 mM because it produces H2O2 as by-product. To solve this problem, catalase was added to NOXDR or another NOX that does not make H2O2 from Lactobacillus brevis (NOXLB) was used. The higher yields were obtained when NOXLB used. 12-Keto oleic acid obtained will be reacted with tyrosol and purified again. We will continue to study tyrosyl esters with high antioxidative activity through assessment of antioxidant activity.;페놀 화합물에 지방산을 결합시킨 Phenolipid는 페놀화합물의 소수성을 증가되어 lipid-based system에서 보다 높은 효율을 나타낸다. 그뿐 아니라 페놀화합물과 지방산의 장점을 모두 나타낸다. 이러한 이유로 phenolipid에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 올리브유에 풍부한, 항산화활성이 있는 tyrosol에 항균활성이 있는 중쇄지방산을 결합시켜 항산화기능, 항균기능, 유화기능을 하는 다기능 소재를 개발하는 본 연구에서는 다양한 중쇄지방산과 tyrosol을 esterification 반응을 통해 tyrosyl ester를 생산하였다. 지방산의 탄소 개수와 이중결합의 유무에 따른 합성수율과 속도 차이를 보았다. 또한 생산한 tyrosyl ester를 이용해 그람양성균인 C. glutamicum과 그람음성균인 E. coli 에 대한 항균활성을 확인하였다. 중쇄지방산의 tyrosyl ester는 그람양성균인 C. glutamicum에 대해서는 항균활성이 나타냈지만, 그람음성균인 E. coli 에 대한 항균활성을 나타내지 않았다. 또한 기존의 tyrosyl ester 연구에서 진행되지 않았던, 특정 작용기가 있는 장쇄지방산의 tyrosyl ester를 연구하고자 하여 oleic acid와 ricinoleic acid, 12-keto oleic acid를 선택하였다. 그에 앞서 ricinoleic acid로부터 12-keto oleic acid를 생산하는 실험을 진행하였다. 12-keto oleic acid의 생산에는 ADH가 사용되었으며, 수율을 더 높이기 위해 cofactor regeneration을 할 수 있도록 NOX 효소를 추가하였다. Deinococcus radiodurans 유래 NOX는 반응산물로 H2O2를 생산하여 농도가 높아짐에 따라 반응이 더 이상 진행되지 못하였고, 그를 해결하기 위해 catalase를 추가하거나 다른 균주인 Lactobacillus brevis 유래 NOX를 사용해보았는데, Lactobacillus brevis 유래 NOX를 사용했을 때 더 높은 생산수율을 나타내었다. 추가적으로 생산한 tyrosyl ester의 항산화활성 측정이 필요하겠지만, tyrosyl ester가 새로운 다기능 소재로 개발되는 데 기여할 수 있을 것이라 사료된다.