基于膜结合醇脱氢酶特性的氧化葡萄糖酸杆菌选择性氧化甘油及苯甲醇的研究

论文摘要

氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）是一种在生物工业中广泛应用的微生物,它含有多种膜结合的脱氢酶,表现非常独特的、其它微生物无法比拟的不完全氧化特性,可立体选择性和区域选择性地氧化醇、糖等羟基化合物生成相应的醛,酮或酸。利用氧化葡萄糖酸杆菌中的膜结合甘油脱氢酶可直接将甘油区域选择性脱氢生成二羟基丙酮,而利用膜结合的乙醇脱氢酶可化学选择性氧化苯甲醇生成苯甲醛。本论文以二羟基丙酮和苯甲醛的合成为目标,针对性地研究转化过程中的关键影响参数,探讨酶或细胞活性的影响机制,提出相应的解决策略,实现二羟基丙酮合成过程的规模放大,建立相对高效的苯甲醛生物法合成工艺。第一部分,基于对依赖PPQ的膜结合甘油脱氢酶的认知进行了氧化葡萄糖酸杆菌转化甘油合成二羟基丙酮的过程研究及规模放大。（1）建立了一种简便、快速、同时检测发酵液中甘油和二羟基丙酮的气相色谱方法。利用N-甲基咪唑作为催化剂,可在室温下快速完成对发酵液中甘油和二羟基丙酮的乙酰化,乙酰化的产物用气相色谱检测,内标法定量。方法验证表明,甘油和二羟基丙酮在1-100酬的浓度范围内线性良好,检测限分别为0.013和0.025g/l。方法准确度,重现性好,样品回收率大于95%, RSD小于1%。（2）筛选了具有高甘油脱氢酶活性的菌株,进而比较了发酵法与静息细胞转化法对生产二羟基丙酮的影响,结果显示,静息细胞在菌体量,二羟基丙酮产率以及保留活细胞数等三个方面分别提高了43.2,18.1和27.6%。（3）在摇瓶中初步确定了氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞转化甘油的适宜条件：反应温度30℃、pH 6.0、转速200rpm、细胞浓度5g/l（干重）、甘油浓度46g/l,摇瓶中二羟基丙酮的产率不超过30g/l。在此基础之上,在3.7L发酵罐进行转化试验,通过溶氧和pH的有效控制,5.0-8.0g/l的静息细胞可在8-16h内转化100-120g/l甘油,转化率大于98%,可获得平均13.75g/lh最大时空产率。高浓度二羟基丙酮对反应有强烈抑制,其使反应趋于停止的临界浓度在140g/l左右。溶氧是影响二羟丙酮产率的重要限制因素,可在保持最大通气量的情况下,依据反应液中溶氧和pH的变化进行搅拌转速的调控,以满足反应过程溶氧需求。（4）对于高浓度二羟基丙酮降低细胞催化活性的原因,流式细胞仪检测和红外光谱的分析结果初步证明：二羟基丙酮对氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞生理状态没有显著影响,而二羟基丙酮对膜结合甘油脱氢酶的不可逆抑制（失活）才是降低细胞活性的主要原因。（5）分别在300L和30L发酵罐上成功实现了菌体培养和静息细胞转化的规模放大。随着反应器的逐级放大,菌体生长和甘油转化活性都有不同程度地提高。在300L发酵罐上可获得8.5g/l菌体,分别比摇瓶、30L罐提高了164.5%和11.6%；在30L发酵罐上转化初速度比3.7L发酵罐上提高了17.4%。30L发酵罐上进行了9批菌体重复利用试验,转化率均大于98%,累计转化甘油850g/l,是目前报道的最高水平。第二部分,基于对依赖PQQ的膜结合乙醇脱氢酶的认知完成了氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞不完全氧化苯甲醇合成苯甲醛的过程研究。（1）确定了氧化葡萄糖酸杆菌中负责氧化苯甲醇合成苯甲醛的酶为膜结合的乙醇脱氢酶（ADH）,其作用机制是有序机制,O2是先导底物。膜上只有一个乙醛脱氢酶（ALDH）,可将生成的苯甲醛进一步氧化成苯甲酸。（2）针对由醛脱氢酶引起的苯甲醛过氧化问题,利用缺失膜结合乙醛脱氢酶基因的氧化葡萄糖酸杆菌,在单水相体系中可使苯甲醛的选择性达到67.3%,而原始菌只有2.8%。在两相体系中利用其可进一步改善苯甲醛选择性和转化速率,1h内可完全转化5g/l的苯甲醇,苯甲醛选择性可达100%,该结果优于目前报道的微生物合成苯甲醛的最高水平。（3）针对有机溶剂对静息细胞的毒性影响,利用海藻酸钠包埋固定化细胞进行苯甲醇的转化反应。利用响应面法优化了固定化细胞中的三个重要因素的水平,结果表明：海藻酸钠浓度、细胞浓度和固定化颗粒粒径分别为2.55%（w/v）、49.26g/l和2mm时,固定化细胞可获得最好的活性和稳定性。在两相体系中,固定化细胞的稳定性明显高于游离细胞,在10批反应后还可保留游离细胞活性的53.2%,而游离细胞仅剩15.7%。（4）利用对苯醌作为电子受体在厌氧条件下进行氧化葡萄糖酸杆菌催化苯甲醇合成苯甲醛的研究,可完全阻断苯甲醛到苯甲酸的过氧化,在水溶液中实现苯甲醛的高选择性合成。使用人工电子受体的厌氧反应体系,为水溶性羟基醛的生物法合成提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 生物催化和生物转化
• 1.2 氧化葡萄糖酸杆菌基本特征
• 1.2.1 分类地位与生活习性
• 1.2.2 G.oxydans 621H基因组特征与呼吸链
• 1.2.3 氧化葡萄糖酸杆菌氧化还原酶系统
• 1.3 氧化葡萄糖酸杆菌催化甘油合成二羟基丙酮的研究
• 1.3.1 二羟基丙酮的特性
• 1.3.2 二羟基丙酮的用途
• 1.3.3 二羟基丙酮合成的化学法与生物法
• 1.3.4 微生物法生产二羟基丙酮
• 1.4 生物催化选择性合成醛的研究
• 1.4.1 醛的合成
• 1.4.2 苯甲醛研究概况
• 1.5 论文选题的依据和意义以及主要研究内容
• 第二章 气相色谱法快速测定发酵液中甘油和二羟基丙酮浓度的研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 材料
• 2.2.4 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 乙酰化衍生物结构确定
• 2.3.2 N-甲基咪唑用量对反应的影响
• 2.3.3 方法验证
• 2.4 本章小结
• 第三章 氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞催化甘油合成二羟基丙酮的研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 材料
• 3.2.4 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 G. oxydansDSM2003耐高浓度甘油的筛选
• 3.3.2 菌体生长与催化活性关系
• 3.3.3 工业化生产二羟基丙酮模式选择
• 3.3.4 静息细胞催化生产二羟基丙酮的过程研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 二羟基丙酮对氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞作用及静息细胞转化法工艺放大研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 主要仪器
• 4.2.3 材料
• 4.2.4 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 非反应条件下二羟基丙酮对氧化葡萄糖杆菌膜结合甘油脱氢酶失活研究
• 4.3.2 流式细胞检测二羟基丙酮处理后的细胞生理状态
• 4.3.3 二羟基丙酮与氧化葡萄糖酸杆菌作用的红外光谱研究
• 4.3.4 工业化放大研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 缺失膜结合乙醛脱氢酶基因的氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞催化合成苯甲醛的研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试剂
• 5.2.2 仪器
• 5.2.3 材料
• 5.2.4 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 苯甲醇氧化反应关键酶的确定
• 5.3.2 依赖PQQ的膜结合醇脱氢酶催化苯甲醇的反应动力学机制研究
• 5.3.3 氧化葡萄糖酸杆菌在两相体系中催化苯甲醇生成苯甲醛的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 响应面优化的氧化葡萄糖酸杆菌固定化及其在选择性氧化苯甲醇中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试剂与仪器
• 6.2.2 材料
• 6.2.3 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 固定化结果及其响应面分析
• 6.3.2 固定化细胞的催化性能研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 氧化葡萄糖酸杆菌利用人工电子受体氧化苯甲醇合成苯甲醛的研究
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 试剂与仪器
• 7.2.2 材料
• 7.2.3 实验方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 对苯醌和对苯二酚色谱图
• 7.3.2 对苯醒反应体系与富氧法比较
• 7.3.3 反应中对苯醌与苯甲醇定量关系研究
• 7.3.4 对苯醌浓度对反应的影响
• 7.3.5 反应过程曲线
• 7.3.6 对苯醌体系中氧化葡萄糖酸杆菌静息细胞重复利用研究
• 7.3.7 对苯醌反应体系合成其它醛的研究
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 博士期间文章发表情况
• 致谢
• 附录