Biocatalytic synthesis of alkylpyrazine flavours

Pyrazines, volatile heterocyclic compounds containing nitrogen, are a specific class of compounds employed as flavours in the food industry. This thesis project aims to investigate and evaluate an alternative and sustainable route for the synthesis of this flavour class, compared to traditional chemical synthesis. To this end, biocatalysis represents a promising strategy, exploiting the class of enzymes or microorganisms as catalysts to drive chemical reactions under milder operating conditions, while avoiding the use of toxic reagents and dangerous conditions. A two-step enzymatic synthesis was thus implemented and studied, which involves (I) an amination by a specific amino donor, mediated by a transaminase of appropriate selectivity ((S)- or (R)-ATA, E.C. 2.6.1.x) and (II) a subsequent oxidative dimerization. In addition, a second enzymatic pathway, also with two steps, was analysed, starting with L-threonine; the synthesis involves (I) a dehydrogenation of the L-threonine molecule mediated by L-threonine 3-dehydrogenase (L-ThrDH, E.C. 1.1.103) and (II) a decarboxylation with subsequent closure of the pyrazinic ring. The ultimate goal was to optimize the reaction conditions in order to maximize the formation of the desired compounds and increase the yield and productivity of the process. The new biocatalytic synthesis afforded the desired pyrazines with acceptable yields and good results in terms of product purity, thus representing a first step in the direction of more sustainable production of these food flavours.

Le pirazine, composti volatili eterociclici contenenti azoto, sono una classe specifica di composti utilizzati come aromi nell’industria alimentare. Questo progetto di tesi mira a studiare e valutare una via alternativa e sostenibile per la sintesi di questa classe di aromi, rispetto alla tradizionale sintesi chimica. A questo scopo, la biocatalisi rappresenta una strategia promettente, sfruttando la classe degli enzimi o dei microrganismi come catalizzatori per guidare le reazioni chimiche in condizioni operative più blande, evitando allo stesso tempo l'uso di reagenti tossici e condizioni dannose per la salute. È stata quindi realizzata e studiata una sintesi enzimatica a due passaggi, la quale coinvolge (I) un’amminazione da parte di un ammino donatore specifico, mediata da una transaminasi di appropriata selettività ((S)- o (R)-ATA, E.C. 2.6.1.x) e (II) una conseguente dimerizzazione ossidativa. Inoltre, è stato analizzato un secondo percorso enzimatico, anch’esso a due passaggi, partendo dalla L-treonina; la sintesi prevede (I) una deidrogenazione della molecola di L-treonina mediata dalla L-treonina 3-deidrogenasi (L-ThrDH, E.C. 1.1.103) e (II) una decarbossilazione con conseguente chiusura dell’anello pirazinico. L’obiettivo finale è stato quello di ottimizzare le condizioni di reazione, al fine di massimizzare la formazione dei composti desiderati e aumentare la resa e la produttività del processo. La nuova sintesi biocatalitica ha permesso di ottenere le pirazine desiderate con rese accettabili e buoni risultati in termini di purezza del prodotto, costituendo così un primo passo verso una produzione più sostenibile di questi aromi alimentari.