江南大学邓禹团队：大肠杆菌发酵低廉生物质产乙醇酸及其分离纯化

论文荐读

大肠杆菌发酵低廉生物质产乙醇酸及其分离纯化研究

作者：

胡成杰1,2，毛银1,2，李国辉1,2*，邓禹1,2*

单位：

1．江南大学 粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心

2．江南大学 生物工程学院

基金项目：

国家重点研发计划项目（2021YFC2100700）；国家自然科学基金项目（22008088,21877053）；中国博士后科学基金资助项目(2020M681485,2021T140277)；江苏省博士后科研资助计划项目（2020Z012）

摘要&关键词

摘要：碳中和背景下全生物基乙醇酸得到了广泛的关注，但其高昂发酵成本、匮乏的下游分离纯化工艺研究，限制了后续的工业生产应用。该研究以重组大肠杆菌为对象，采用统计学方法在摇瓶水平上对发酵培养基成分进行优化，并基于5 L发酵罐进行初步放大验证和下游分离纯化研究。最终利用低廉的玉米芯水解液等成分，摇瓶水平乙醇酸产量达到4.77 g/L，较初始培养基提高2.58倍；5 L罐乙醇酸产量达42 g/L，提高至优化前的1.4倍；通过初步的生物分离纯化，成功获得生物基乙醇酸，晶体纯度达到99.3%，符合市售标准要求。该研究通过发酵培养基优化，5 L发酵罐放大验证，以及下游生物分离纯化，初步构建了生物基乙醇酸的低成本生产体系，为生物基乙醇酸的工业化生产应用奠定基础。

关键词：乙醇酸；大肠杆菌；发酵优化；分离纯化；工艺优化

主要结论

随着发酵工业的不断发展，降低发酵成本、提高生产效率成为了现代发酵领域的研究热点。本研究采用统计学方法，首先对碳源、氮源、金属离子等单因素进行优化，再通过Plackett-Burman实验、响应面实验获得了最佳培养基组成。实验表明采用最佳培养基：6.66 mg/L CaCl2，12 mg/L MgSO4·7H2O， 0.13 mg/L ZnCl2，0.04 mg/L MnCl2·4H2O，4.5 g/L KH2PO4，13 g/L 玉米芯水解液，0.78 g/L NH3·H2O，1.5 g/L 酵母粉，8.5 g/L 胰蛋白胨，0.5 g/L NaCl，25.45 g/L Na2HPO4，摇瓶乙醇酸的产量提高至优化前的3.58倍，5 L罐产量达到42 g/L。此外本研究以活性炭为脱色剂对乙醇酸发酵液进行脱色，最适处理条件为活性炭添加量5 g/100 mL，脱色温度50 ℃，脱色时间2 h，此时的脱色率为97.6 %。经沉淀法和减压回收进一步纯化后，最终乙醇酸晶体纯度达到99.3 %，本研究为后续生物基乙醇酸的工业化生产提供了思路和实验基础。

a-生物传感器 pGBS-PffS-sfgfp 筛选下荧光和乙醇酸浓度之间的相关性验证；b-Mgly71工程菌株筛选

图1 生物传感器 pGBS-PffS-sfgfp 筛选下荧光和乙醇酸浓度之间的相关性验证和Mgly71工程菌株筛选

Fig.1 Validation of the fit of the biosensor pGBS-PffS-sfgfp and screening of the engineered strain Mgly7

a-CCD实验模型验证结果；b-优化前培养基；c-优化后培养基

图2 CCD预测模型验证和5 L发酵罐放大验证

Fig.2 CCD prediction model verification and fermentation in a 5 L fermenter

a-乙醇酸标样；b-乙醇酸晶体

图3 乙醇酸标样和Mgly71菌株发酵液纯化乙醇酸晶体的HPLC谱图

Fig.3 HPLC spectrum of glycolate and glycolate purified from fermentation liquid of recombinant E. coli Mgly71

团队介绍

江南大学绿色与合成生物制造研究室主要从事工业原料的合成生物学制造等方面的研究。在合成生物技术和微生物定向进化育种领域、酿酒酵母代谢工程、分子遗传学和细胞生物学等领域、生物基材料的合成及功能化应用领域、生物发酵饲料领域均有深入的研究。团队现有教授1名，副教授/研究员3名，实验师1名，共有硕士和博士研究生37人。研究成果发表在合成生物学和代谢工程权威杂志Chemical Engineering Journal、ACS Catalysis、Bioresource Technology和ACS Sustainable Chemistry & Engineering等。围绕化工“卡脖子”聚合物单体，开展校企产学研合作，在乙醇酸、葡萄糖二酸、丁二胺、己二胺等单体上均取得突破，相关成果已在知名企业推广应用。

第一作者

胡成杰，江南大学生物工程学院2020级硕士研究生，发酵工程专业。研究方向：合成生物学。

团队负责人

邓禹，江南大学国家工程研究中心“绿色与合成生物制造研究室”负责人，教授，博导。毕业于美国弗吉尼业联邦大学化学与生命科学工程专业，工学博士。现为国家神农青年英才，江苏特聘教授，江苏省杰出青年基金获得者，江苏省“双创团队”首席，江苏省双创人才。主要从事发酵工程、代谢工程、合成生物学、工业微生物方向的研究。主持国家重点研发计划课题和国家自然科学基金等省部级项目十余项，以第一作者或通信作者在Nucleic Acids Research和ACS Catalysis等期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利30余项。

引用格式

胡成杰, 毛银, 李国辉, 等. 大肠杆菌发酵低廉生物质产乙醇酸及其分离纯化研究[J]. 食品与发酵工业, 2024, 50(3): 21-29.