聚苹果酸积累途径及膜分离提取工艺研究

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聚苹果酸(poly(β-malicacid),PMLA)因其易代谢性、易修饰性等独特的性质,使其在生物医用高分子材料等领域具有重要的应用价值。生物法合成PMLA是目前研究的热点,研究主要集中于PMLA代谢调控、发酵优化以及改性等领域。虽然对于PMLA的生物合成有了一定的研究报道,但是对于微生物积累PMLA的途径、代谢调控机理以及PMLA的分离提取等研究还不够深入。因此研究PMLA的合成机理以及获得高纯度PMLA的简易提取工艺,对促进PMLA在生物医药等领域的应用显得尤为重要。  本论文以AureobasidiumpullulansBS24为发酵菌株,研究了PMLA积累途径,优化了发酵产PMLA的培养条件,建立了超滤膜分离提取PMLA的工艺。主要研究内容和结果如下:  (1)发酵培养基中添加三氟乙酸,强烈抑制菌体生长和PMLA的合成;随着添加的丙二酸和顺丁烯二酸浓度的增加,PMLA的产量呈现先增加后减少的趋势,当丙二酸浓度达到10mmol/L、顺丁烯二酸达到50mmol/L时,PMLA的产量达到最高值;研究发现发酵培养基中添加丙二酸和顺丁烯二酸,异柠檬酸裂解酶的活性也随之增加;发酵培养基中添加碳酸钙对PMLA合成影响很大,PMLA的产量随着碳酸钙含量的增加而增加,碳酸钙的含量达到40g/L时,菌体浓度和PMLA的产量达到最大,分析认为碳酸钙不仅作为碳源参与PMLA的合成,还对发酵过程的pH有缓冲作用。推测AureobasidiumpullulansBS24积累PMLA的途径涉及TCA循环、乙醛酸途径以及丙酮酸羧化与草酰乙酸还原途径。  (2)AureobasidiumpullulansBS24发酵类型为生长部分相关型。研究发现该菌是好氧菌,当溶氧量较小时,不利于菌体生长和PMLA的合成,而当溶氧量过高时,更多的葡萄糖用于菌体生长,同样影响PMLA的合成,只有在合适的溶氧条件下菌体生长和PMLA的合成才能达到较好的平衡。最终在搅拌式发酵罐中,搅拌转速为400rpm、通气量为3.0vvm时,PMLA产量达到最大值,为28.64g/L。在最佳初糖浓度下,既不影响菌体生长,又能够使PMLA的产量得以显著提高。最终在总糖浓度120g/L不变的条件下,初始葡萄糖浓度为80g/L,PMLA的产量达到34.06g/L。初始葡萄糖消耗完后,按照先补加葡萄糖至20g/L,耗完后再添加剩余的葡萄糖,发酵结束后PMLA含量显著提高,达到36.28g/L。  (3)建立了超滤膜法提取PMLA的工艺,通过单因素实验,获得了截留分子量30KDa超滤膜分离提取PMLA的最适操作条件,即离心除菌后的发酵上清液稀释4倍,控制料液pH6、操作温度35℃,经超滤膜浓缩8倍后,浓缩液稀释至原体积按相同条件进行超滤。最终,PMLA的透过率达到95.22%,杂质多糖的截留率达到69.55%。透过液继续用1KDa超滤膜脱盐和浓缩。经有机溶剂沉淀和冷冻干燥后PMLA的纯度达到82.30%,提高了29.70%,PMLA的回收率为57.56%。测得PMLA平均相对分子质量为4296Da。
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