糠醛（Furfural）是一种重要的生物基平台化合物,由木糖脱水制备得到。糠醛分子中含有高活性的呋喃环和甲酰基,经过氧化、还原、烷基化等反应可生成一系列高附加值化学品,这些化学品被广泛用于高分子、化工、医药及食品等领域。目前,糠醛可以通过光催化制得5-羟基-2（5H）呋喃酮（5-hydroxy-2（5H）furanone,HFO）,但是在温和的条件下实现HFO的开环和异构化合成富马酸半醛（Fumaric semialdhyde,FSA）仍然具有挑战性。石油基富马酸（Fumaric acid,FA）的传统制备工艺采用强酸、V2O5等物质作为催化剂,以次氯酸钠等为氧化剂,在合成过程中会产生大量的废水,导致严重的环境问题。富马酸的生物合成主要采用根霉发酵法,该法仍存在产物产率较低、生产周期较长等问题。以糠醛为起始原料合成富马酸、L-天冬氨酸和β-丙氨酸等物质的研究尚未见报道。基于上述情况,本研究探究了光/生物催化一锅氧化糠醛合成HFO、马来酸（Maleic acid,MA）、FSA、富马酸、L-天冬氨酸和β-丙氨酸的可行性。主要研究结果如下:1.HFO合成:无论底物是糠醛还是糠酸,在有机溶剂中光催化合成HFO的产率远高于去离子水中的对应值。与糠醛相比,糠酸是光催化合成HFO的更佳底物。因此,我们构建了光/生物级联催化体系将糠醛氧化为HFO:先通过生物催化剂（E.coli-Ct VDH2-NOX细胞,共表达香草醛脱氢酶2及NADH氧化酶的E.coli）将糠醛氧化为糠酸,然后再利用光催化剂（孟加拉玫瑰红,RB;曙红Y,EY;亚甲基蓝,MB）将糠酸氧化为HFO。一锅同步法结果表明,当糠醛浓度为50 m M时,糠醛转化率为85%,HFO产率约为74%;但当糠醛浓度大于50 m M时,糠醛转化率低于40%,这可能是因为光催化产生的活性氧导致细胞失活。因此,本研究选择将生物催化和光催化分步进行,先利用E.coli-Ct VDH2-NOX细胞将糠醛转化为糠酸,再添加30%有机溶剂（丙酮或甲醇）和2 mol%光催化剂（RB或EY）,反应后HFO的产率最高达94%。2.其他C4化合物合成:大孔弱碱性苯乙烯系阴离子树脂（DVB）能在温和条件下催化HFO开环和同时异构化为FSA。漆酶-TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物）体系不仅催化HFO氧化为MA,而且能以FSA为底物合成FA。利用重组菌E.coli-Ct VDH2-NOX、光催化剂、漆酶-TEMPO体系实现了光/生物催化一锅三步法合成MA和FA,其中MA的产率最高为83%,FA的产率最高为80%。上述级联催化体系与E.coli-Ec Asp A（L-天冬氨酸酶）/E.coli-Cg Pan D（L-天冬氨酸α-脱羧酶）全细胞组合用于合成L-天冬氨酸和β-丙氨酸,其中L-天冬氨酸产率为63%,而β-丙氨酸产率可达到75%。在L-天冬氨酸的放大合成实验中,其分离产率为30%,纯度为81%。本研究实现了在温和反应条件下HFO开环和异构化,建立了以糠醛为底物选择性合成富马酸、L-天冬氨酸等C4化合物的新途径。