微生物发酵生产丁二酸研究进展

丁二酸是微生物三羧酸循环中重要的代谢中间产物,广泛用于生物高分子、食品与医药等行业,市场潜在需求量巨大。文中从3个方面归纳了国内外生物基丁二酸研究进展：能够过量积累丁二酸的微生物的发现和筛选,产丁二酸工程菌构建中所采用的基因工程策略及代谢工程技术,丁二酸发酵过程控制与优化。最后,讨论了微生物法生产丁二酸今后的研究方向。     

响应面优化产琥珀酸放线杆菌生产丁二酸

丁二酸是一种重要的C4化合物平台,可以合成一系列重要化合物。文中对产琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes GXAS137发酵生产丁二酸培养基成分进行优化。通过单因素和Plackett-Burman试验设计筛选出影响丁二酸发酵的重要参数,采用最陡爬坡实验逼近最大丁二酸生产区域后,利用Box-Behnken设计确定重要参数的最佳水平。筛选结果表明,影响丁二酸产量的重要参数是葡萄糖、酵母提取物和碱式碳酸镁浓度。最佳条件为(g/L)：葡萄糖70.00,酵母提取物9.20,碱式碳酸镁58.10。优化后丁二酸产量达到47.64 g/L。与初始条件 (36.89 g/L) 相比,丁二酸浓度提高了30 %。在最佳工艺条件下得到的试验结果与模型预测值很吻合,说明建立的模型是有效的。     

生物质原料发酵生产丁二酸研究进展

以生物质为原料微生物发酵生产丁二酸,对于减少化工产品对石化原料的依赖,保护环境有积极的意义.本文通过介绍目前用乳清、糖蜜、菊粉、甜高粱、小麦淀粉、木质纤维素等廉价原料生产丁二酸的研究近况,展现了非粮原料生产丁二酸的良好的应用前景.     

木薯粉同步糖化发酵(SSF)产丁二酸

【目的】通过优化产琥珀酸放线杆菌GXAS137同步糖化发酵木薯粉产丁二酸的发酵培养基,提高丁二酸产量,降低生产成本。【方法】在单因素试验的基础上,先利用Plackett-Burman试验设计筛选出影响丁二酸发酵的重要参数,再采用正交试验确定重要参数的最佳水平。【结果】价格低廉玉米浆可用作氮源,影响丁二酸产量的重要参数是木薯粉、玉米浆、碱式碳酸镁和糖化酶浓度。最佳条件为(g/L):木薯粉100,玉米浆14,糖化酶2.0 AGU/g底物,碱式碳酸镁75。优化后丁二酸产量达到69.31 g/L,丁二酸得率为90.01%,生产强度为1.44 g/(L·h)。与初始条件(52.34 g/L)相比,丁二酸浓度提高了32.42%。并利用1.3 L发酵罐对SSF与SHF两种发酵工艺进行了比较,SSF丁二酸产量(72.21 g/L)远高于SHF(56.86 g/L)。【结论】产琥珀酸放线杆菌同步糖化发酵木薯粉丁二酸产量高,生产成本低,具有较好的工业化应用前景。     

大肠杆菌AFP111菌体回收连续转化生产丁二酸

在利用大肠杆菌AFP111厌氧发酵生产丁二酸过程中,随着产物丁二酸的不断积累,菌体活力和产酸能力逐渐降低,而通过回收菌体在新鲜培养基中重复发酵,可延长厌氧发酵时间,但是丁二酸生产效率较低。为了提高菌体回收丁二酸的转化效率,通过在回收菌体时有氧诱导 3 h,以纯水为培养基,进行丁二酸转化发酵。在连续进行 3 批次的发酵后,丁二酸的总产量和最终收率分别为 56.50 g/L和90%,生产速率达到了 0.81 g/(L·h),比未诱导情况下的生产速率提高了13%。     

发酵产丁二酸过程中废弃细胞的循环利用

对厌氧发酵产丁二酸后的废弃细胞进行破壁处理,考察了以细胞水解液作为有机氮源重新用于丁二酸发酵的可行性。比较了超声破碎、盐溶、酶解3种方法破碎细胞获得的水解液作为氮源发酵产丁二酸的效果,结果表明酶解制得的细胞水解液效果最佳。以总氮含量为1.11g/L的酶解液(相当于10g/L酵母膏)作为氮源发酵,丁二酸产量可达42.0g/L,继续增大酶解液用量对耗糖、产酸能力没有显著提高。将细胞酶解液与5g/L酵母膏联用发酵36h后,丁二酸产量达75.5g/L,且丁二酸生产强度为2.10g/(L·h),比使用10g/L酵母膏时提高了66.7%。因此,厌氧发酵产丁二酸结束后的废弃细胞酶解液可以替代原培养基中50%的酵母膏用于发酵。     

代谢工程改造大肠杆菌合成丁二酸及发酵罐放大工艺

【背景】Escherichia coli AFP111发酵生产丁二酸时大量副产乙酸,丁二酸得率低。【目的】代谢工程改造EscherichiacoliAFP111,提高丁二酸得率,降低副产物乙酸的生成,建立100 L规模的丁二酸发酵工艺。【方法】一步同源重组敲除乙酸合成途径关键酶基因,改造丁二酸合成途径关键酶启动子实现过表达;单因素优化5L发酵罐培养条件。【结果】敲除乙酸产生途径编码乙酸激酶和磷酸转乙酰酶的基因ackA-pta、苏氨酸脱羧酶和2-酮丁酸甲酸裂解酶的基因tdcDE获得SX02菌株,摇瓶发酵条件下其乙酸产量下降了53.42%,丁二酸得率提高9.85%。在SX02菌株基础上,经启动子改造过表达编码葡萄糖激酶的基因glk后获得菌株SX03,其Glk酶活性提高3.66倍,乙酸产量下降了31.62%,丁二酸得率提高8.28%。SX03菌株发酵生产丁二酸在5 L发酵罐进行放大,其乙酸产量为3.97 g/L,丁二酸得率为1.62 mol/mol葡萄糖,相比出发菌株的乙酸产量下降了75.76%,丁二酸得率提高19.12%。在5L发酵罐上对比研究了中和剂Na2CO3和NaOH混合液替换碱式MgCO3的发酵效果,并优化了发酵pH、搅拌转速和葡萄糖浓度,获得如下最适发酵条件:pH6.8,搅拌转速250r/min,葡萄糖100g/L,发酵结束时乙酸产量为2.24 g/L,丁二酸得率为1.66 mol/mol葡萄糖。中和剂替换优化后乙酸产量下降了20.65%,丁二酸得率提高2.47%。菌株SX03发酵工艺进一步在100 L发酵罐上实现放大,其乙酸产量为1.91 g/L,丁二酸得率为1.30 mol/mol葡萄糖。【结论】通过代谢工程改造的大肠杆菌,其副产物乙酸含量显著下降,丁二酸得率提高,并在5 L和100 L发酵罐上实现了工艺放大,展现出较大的工业化利用潜力。     

一株丁二酸高产菌株的筛选与选育

旨在提高丁二酸发酵生产水平,通过初筛、复筛从土壤中分离得到了高产丁二酸菌株,发酵结束后利用高效液相色谱法检测丁二酸的产率为34.45%。对菌株进行紫外诱变选育,结果表明,在底物葡萄糖的浓度为100 g/L时,丁二酸的产率提高了46%,达到了50.30%,残糖低于10 g/L。经形态学特征、生理生化指标测定以及16S r DNA序列分析等,鉴定该菌株为放线杆菌。     

采用玉米秸秆水解糖和玉米浆发酵生产丁二酸

研究了以玉米秸秆水解糖为碳源,不同氮源条件下琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenesSF-9的丁二酸发酵产酸能力。结果表明玉米浆可以替代酵母膏作为丁二酸发酵的廉价氮源。厌氧摇瓶丁二酸发酵单因素试验,得到在初糖浓度50 g/L时,玉米浆的较佳用量为20 g/L。在5 L搅拌罐上,考察了不同初始玉米秸秆水解糖浓度对A.succinogenes SF-9发酵生产丁二酸的影响,结果显示高初始秸秆糖浓度对琥珀酸放线杆菌的生长有抑制作用。采用补料分批发酵,发酵60 h丁二酸的产量达到42.7g/L,丁二酸产率82.7%,生产强度0.81 g/(L·h)。丁二酸的产量和生产强度较分批发酵有明显提高。     

乳糖诱导丙酮酸羧化酶基因在大肠杆菌中的表达及对丁二酸产量的影响

大肠杆菌DC1515是敲除葡萄糖磷酸转移酶(ptsG)、乳酸脱氢酶(ldhA)、丙酮酸甲酸裂解酶(pflA)基因的菌株,具有发酵生产丁二酸的潜力。为进一步提高菌株DC1515的丁二酸生产能力,将枯草芽孢杆菌丙酮酸羧化酶(pyc)基因转入其中。用乳糖代替IPTG诱导pyc表达,确定了最佳乳糖加入时间、乳糖浓度及诱导温度。在此基础上,考察了补加乳糖对丁二酸产量的影响。结果表明:由于ptsG基因缺失,当培养基中葡萄糖浓度达到15g/L时,乳糖诱导作用并不受葡萄糖抑制。优化诱导条件后,pyc过表达菌株的丁二酸产量达15.17g/L,为对照菌株的1.78倍。间歇补加乳糖2次至浓度为1g/L,丁二酸产量可进一步增至17.54g/L。研究结果为以葡萄糖为底物生产丁二酸的过程中乳糖诱导外源基因在大肠杆菌中的表达奠定了基础。乳糖诱导降低了成本,有利于实现丁二酸发酵生产的工业化。     

环境因素对琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响

琥珀酸放线杆菌是发酵生产有应用前景的生物基原料-丁二酸的微生物。本研究室从牛瘤胃中筛选获得一株琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593, 分析了环境气体、pH、氧化还原电位(ORP)环境因素对琥珀酸放线杆菌A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响。结果表明: CO2不仅提供了A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的最佳气体环境, 也是发酵生产丁二酸的底物之一; MgCO3是A. succinogenes CGMCC 1593发酵过程较好的pH调节剂, 发酵过程维持pH7.1~6.2, 可满足菌体生长与产酸的要求; 发酵液初始ORP过低, 不利于菌体生长, ORP在-270 mV时对丁二酸产生有利。在菌体对数生长期结束时, 通过Na2S·9H2O降低发酵液ORP到-270 mV, 发酵48 h时可产丁二酸37 g/L, 摩尔产率达到129%。这对深入研究A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸具有参考价值。     

环境因素对琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响

琥珀酸放线杆菌是发酵生产有应用前景的生物基原料-丁二酸的微生物。本研究室从牛瘤胃中筛选获得一株琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes CGMCC 1593, 分析了环境气体、pH、氧化还原电位(ORP)环境因素对琥珀酸放线杆菌A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的影响。结果表明: CO2不仅提供了A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸的最佳气体环境, 也是发酵生产丁二酸的底物之一; MgCO3是A. succinogenes CGMCC 1593发酵过程较好的pH调节剂, 发酵过程维持pH7.1~6.2, 可满足菌体生长与产酸的要求; 发酵液初始ORP过低, 不利于菌体生长, ORP在-270 mV时对丁二酸产生有利。在菌体对数生长期结束时, 通过Na2S·9H2O降低发酵液ORP到-270 mV, 发酵48 h时可产丁二酸37 g/L, 摩尔产率达到129%。这对深入研究A. succinogenes CGMCC 1593发酵生产丁二酸具有参考价值。     

一株丁二酸产生菌的选育及代谢分析

[目的]了解细胞代谢过程,并最终选育出高产突变株,对丁二酸的工业生物转化有重要意义.[方法]在菌株生化及分子鉴定基础上,讨论了菌株的代谢途径,便于实施有针对性的诱变选育,利用矩阵计算了流量分布以及用扰动法分析了代谢节点.[结果]菌株S.JST经鉴定为产丁二酸放线杆菌,酶活检测表明磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、苹果酸脱氢酶在丁二酸代谢过程中具有较高酶活,出发株的流量分布显示副产物乙醇的流量仅次于丁二酸的流量,选育获得的突变株乙醇脱氧酶酶活显著降低,丁二酸与乙醇的流量分别有34%升高与93%的降低,序列分析发现突变株的乙醇脱氢酶酶基因中存在一个突变位点,且生物信息学表明该位点编码的氨基酸序列与该酶的NADH连接活性有联系.[结论]对产丁二酸放线杆菌采用定向选育的方法能够有效改善细胞代谢,并最终提高丁二酸产量.     

过量表达异柠檬酸裂解酶对ldh-1谷氨酸棒状杆菌产丁二酸的影响

谷氨酸棒状杆菌SA001是缺失了乳酸脱氢酶基因 (ldhA) 的菌株。为了增加厌氧条件下经异柠檬酸到丁二酸的代谢通量,以提高丁二酸的产量。将来自大肠杆菌Escherichia coli K12的异柠檬酸裂解酶基因导入谷氨酸棒状杆菌SA001 (SA001/pXMJ19-aceA) 中。该菌经0.8 mmol/L的IPTG有氧诱导12 h后,转入厌氧发酵16 h,丁二酸的产量为10.38 g/L,丁二酸的生产强度为0.83 g/(L·h)。与出发菌株比较,异柠檬酸裂解酶的酶活提高了5.8倍,丁二酸的产量提高了48%。结果表明过量表达异柠檬酸裂解酶可以增加由乙醛酸途径流向丁二酸的代谢流。     

防治血吸蟲病藥物的研究 Ⅵ.二巯基丁二酸鈉及葡萄糖2,3-二巯基丙基甙對吐酒石的解毒作用

(一) 小白鼠腹腔注射一次BAL-glucoside及二巯基丁二酸鈉之LD_(50)分别為5660及2730毫克/千克。 (二) 小鼠腹腔注射吐酒石後立即皮下注射BAL、BAL-glucoside或二巯基丁二酸鈉均能明顯地減低吐酒石的毒性。BAL(40毫克/千克)、BAL-glucoside(2500毫克/千克)及二巯基丁二酸鈉(1500毫克/千克)分别提高吐酒石的LD_(50)從31至52、85及491毫克/千克。其中二巯基丁二酸鈉的解毒效果遠比以往文獻報告之任何解毒劑為佳。 (三) 家兔靜脈注射吐酒石致死量(20毫克/千克)後8小時内注射BAL、BAL-glucoside或二巯基丁二酸鈉,能保護家兔不死,或延長其生存時間。 (四) BAL,BAL-glucoside及二巯基丁二酸鈉均减低吐酒石治療小鼠日本血吸蟲病的療效。其中以二巯基丁二酸鈉的作用最為明顯,能使吐酒石完全失效。     

糠醛和5-羟甲基糠醛对大肠杆菌产丁二酸的影响

利用可再生生物质特别是木质纤维素水解液来生产平台化合物丁二酸,是目前研究的热点。虽然许多研究者相继报道了木质纤维素水解液对菌株生长和丁二酸生产存在一定抑制作用,但并没有水解液中各种抑制物对菌株影响的相关动力学研究及机理研究。我们选择了两种代表性木质纤维素水解液抑制物,即糠醛和5-羟甲基糠醛,系统研究了它们对大肠杆菌的生长和丁二酸生产的影响。结果表明：糠醛和5-羟甲基糠醛的初始抑制浓度均为0.8 g/L。当糠醛浓度大于6.4 g/L,5-羟甲基糠醛浓度大于12.8 g/L时,菌株生长完全受到抑制。在最高耐受浓度下,糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株下降77.8%,丁二酸产量下降36.1%。5-羟甲基糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株降低13.6%,丁二酸产量降低18.3%。糠醛和5-羟甲基糠醛具有明显的协同作用。体外酶活测定表明丁二酸生产途径中关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、苹果酸脱氢酶、富马酸还原酶均受糠醛和5-羟甲基糠醛抑制。研究结果对丁二酸生产用纤维素水解液的预处理和脱毒工艺开发具有指导作用,有利于实现丁二酸发酵生产的工业化。     

基于辅因子调控对大肠杆菌两阶段发酵产丁二酸的影响

考察了E.coli NZN111及其重组菌株E.coli NZN111/pTrc99a-pncB发酵生产丁二酸的性能。E.coli NZN111两阶段发酵丁二酸的同时,会造成丙酮酸的大量积累。研究发现:通过过量表达烟酸转磷酸核糖激酶,两阶段发酵重组菌株E.coli NZN111/pTrc99a-pncB,减少丙酮酸的积累且无副产物乙酸生成,提高丁二酸的产量,丁二酸得率和耗糖速率分别提高了139%和20%。     

谷氨酸棒状杆菌厌氧产丁二酸的发酵条件

考察谷氨酸棒状杆菌ATCC13032Δldh厌氧产丁二酸的发酵条件。结果发现:补加NaHCO3的效果最好,并且考察了NaHCO3浓度对葡萄糖转化速率及丁二酸生成速率的影响。运用代谢流分析方法分析了乳酸脱氢酶基因敲除对谷氨酸棒状杆菌厌氧代谢的影响,发现乳酸脱氢酶基因敲除导致磷酸烯醇式丙酮酸生成丁二酸的流量提高了214.3%,流向乳酸的流量变为0;分批厌氧转化36 h生成41.2 g/L丁二酸,产率45.0%。     

重组大肠杆菌利用蔗糖及糖蜜发酵生产丁二酸

富含蔗糖的甘蔗糖蜜可作为制备丁二酸的廉价原料。然而生产丁二酸的潜力菌株大肠杆菌Escherichia coli AFP111不能代谢蔗糖。为了使其具有蔗糖代谢能力,将E.coli W中非PTS蔗糖利用系统蔗糖通透酶的编码基因csc B,果糖激酶的编码基因csc K和蔗糖水解酶的编码基因csc A克隆并表达到AFP111中,获得重组菌株AFP111/p MD19T-csc BKA。经厌氧发酵验证,重组菌株72 h消耗20 g/L蔗糖,丁二酸产量达到12 g/L。在3L发酵罐中采用有氧阶段培养菌体、厌氧阶段发酵的两阶段发酵方式,厌氧发酵30 h,重组菌株以蔗糖和糖蜜为碳源丁二酸产量分别为34 g/L和30 g/L。结果表明,通过外源引入非PTS蔗糖利用系统,重组菌株具有较强的代谢蔗糖生长及合成丁二酸的能力,并且能够利用廉价糖蜜发酵制备丁二酸。     

最新专利文摘

CN1814747:一种微生物发酵生产丁二酸的菌种和方法本专利具体涉及一种发酵糖质原料产生丁二酸的微生物琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)SW 0580,保藏号CGMCC No·1593,以及利用该微生物发酵生产丁二酸的方法。该微生物是从瘤胃中分离并鉴定的琥珀酸放线杆菌(Actino