维生素C前体2-酮基-L-古龙酸二步混菌发酵研究新进展

维生素C（Vc）二步混菌发酵是我国首创具有自主知识产权的唯一应用于工业化生产Vc的微生物转化方法,该方法利用混合菌发酵L-山梨糖生产Vc前体物质-2-酮基-L-古龙酸,再经化学转化合成Vc;具有简化工艺,减少污染,降低能耗等优点。本文主要从产酸菌代谢关键酶、伴生菌胞外物质、组学以及外源添加物等方面综述Vc二步混菌发酵的最新研究进展,并提出进一步研究和探索的方向。     

L-山梨糖流加发酵高效生产2-酮基-L-古龙酸

实验充分利用混合菌系氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)和蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)混合发酵的优良特性,通过在发酵过程中间歇流加L-山梨糖的方法,实现了在自动控制温度、pH和溶氧的条件下,高效发酵L-山梨糖生成2-酮基-L-古龙酸(2-KLG)的目的。结果表明：当将L-山梨糖的终浓度调高到14％(w／v)时,2-KLG产量为130mg／mL左右,转化率达90％,发酵周期40—60h之间。结论：发酵过程中间歇流加L-山梨糖可以解除高浓度糖对产酸的抑制作用,提高了糖的转化率,但是发酵周期略有延长。     

响应面法优化Vc二步发酵新菌系产2-酮基-L-古龙酸的培养基

以短小芽胞杆菌(Bacillus pumilus)HJ-04作为维生素C二步发酵第2步中的伴生菌,促进产酸菌产维生素C(Vitamin C,Vc)前体2-酮基-L-古龙酸(2-keto-L-gulonic acid,2-KGA)的能力强于工业生产用菌株巨大芽胞杆菌(Bacillus megaterium) B2980.采用单因素试验、Plackett-Burman(PB)试验及Box-Behnken试验对影响新菌系发酵产2-KGA的6个因素进行分析优化.结果表明,L-山梨糖、尿素、玉米浆为显著影响因子.最佳产酸条件为L-山梨糖94.95 g/L,尿素11.99 g/L,玉米浆14.13g/L.优化后产酸量提高12.31 mg/mL,产酸周期缩短6h.     

新组合菌系SCB329-SCB933利用L-山梨糖发酵生产维生素C前体——2-酮基-L-古龙酸的研究 Ⅱ.利用L-山梨糖批加技术实现高糖发酵

新组合菌系氧化葡萄糖酸杆菌SCB329-苏芸金芽孢杆菌SCB933能在较长时间内保持高的转化活力且具有极强的抗杂菌污染的特性。在一次投糖分批发酵的基础上,探索在控制溶氧、pH、温度等条件下,分批加入L-山梨糖发酵生产2-酮基-L-古龙酸新工艺。采用新工艺,既充分利用了菌系的优良特性,又避免了高糖浓度可能对菌系造成的不良影响。L-山梨糖最终浓度达到14%（w/v）,产酸120—135g/l,转化率90％左右,发酵周期40—65h。     

D-葡萄糖串联发酵产生维生素C前体—2-酮基-L-古龙酸——Ⅱ.菌株SCB3058产生2-酮基-L-古龙酸发酵条件的研究

维生素C(Vitamin C,简称Vc),又称L-抗坏血酸(L-Ascorbic acid)是人体必需的维生素,生理作用广泛,在医药和食品工业上均有重要地位。目前国内厂家多以我国发明的“二步发酵法”进行生产,即以D-山梨醇为原料生产2-酮基-L-古龙酸(以下简称2-KLG),然后制备维生素C。而近年来引起国内外普遍关注的是从D-葡萄糖串联发酵生产2-KLG的新工艺,以及采用基因工程技术,构建直接由D-葡萄糖转化生成2-KLG的基因工程菌的研究(图1)。1987年以来我国学者尹光琳等人采用了欧文氏菌(Erwinia sp.)和棒状杆菌(Corynebacterium sp.)进行串联发酵产生维生素C前体——2-酮基-L-古龙酸,并开展了一系列的研究。     

玉米秸秆和异Vc钠生产废液固态发酵生产高蛋白饲料研究

以玉米秸秆为原料,以麸皮和异Vc钠生产废液(WEP)为辅料进行生物蛋白饲料固态发酵研究.通过菌种配伍试验,确定了混菌发酵菌种为白地霉、产朊假丝酵母和枯草芽孢杆菌.在此基础上通过单因素优化试验确定了秸秆蛋白饲料的最优发酵条件:以玉米秸秆(5 g)和麸皮(1 g)为基料,4%WEP营养液,固液比1:4(g/mL),初始pH值4.5;以麸皮浸汁作种子培养液,种龄24 h,各菌接种比例为产朊假丝酵母∶白地霉∶枯草芽孢杆菌=3:1:1,接种量2 mL;28℃、静置发酵2 d,在此条件下,秸秆饲料中真蛋白含量为6.21%,比对照提高了23.95%.该研究为秸秆和异Vc钠生产废液的高质化利用提供了新的思路和途径.     

Vc二步发酵中的微生物生态调控

研究了Vc二步混合菌发酵中氧化葡萄糖酸杆菌与巨大芽孢杆菌的生长和相互作用.结果表明,2株混合菌在发酵中可形成一种协同共生,促进2酮基L古龙酸产生;二菌协同共生的过程及条件不同,促进产酸能力亦不同.环境因子影响二菌协同共生.优化环境因子可显著改善二菌协同共生效率,并提高醇酸发酵转化率.     

PVA固定化的生黑醋菌生产L-山梨糖的研究

生黑醋菌可以将D-山梨醇转化为L-山梨塘,用微生物将D-山梨醇氧化为L-山梨糖是维生素C生产的一个重要部分,目前工业上用的都是游离菌批式生产工艺。由于固定化活细胞作为生物催化剂具有生产的连续性和稳定性．操作简便．产物易于分离纯化等优点^[1],已有不少实验室研究甩固定化微生物细胞将D-山梨醇转化为L-山梨糖^[1-6],国内也有用海藻酸固定化生黑醋菌Acetobacteriummelanogenum的报道^[2,3]。用海藻酸钙^[1-3]、聚丙烯酰胺^[4]、铝处理的海藻酸钙^[5]、水合聚丙烯酰胺与海藻酸钙混合固定化的微生物细胞^[6]转化D-山梨醇成为L-山梨糖,都有因机械强度差,而不适合在搅拌式发酵罐中生产的弱点。聚乙烯醇制备的固定化微生物细胞具有机械强度好、类似于橡皮的弹性、成低等特性^[7]。因此,我们选择聚乙烯醇作为固定化生黑醋菌的材料。     

酮古龙酸菌与呼吸链偶联的2-KGA代谢途径研究进展

酮古龙酸菌可将底物L-山梨糖转化为维生素C的前体2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)。该菌共存在5种反应参与2-KGA代谢,包括:1D-山梨醇氧化为L-山梨糖;2L-山梨糖氧化为L-山梨酮;3L-山梨酮(吡喃型)氧化为2-KGA;4L-山梨酮(呋喃型)氧化为维生素C。52-KGA还原为L-艾杜糖酸。其中L-山梨糖/L-山梨酮脱氢酶(SSDH)参与反应123,L-山梨糖脱氢酶(SDH)参与反应23,L-山梨酮脱氢酶(SNDH)参与反应34,醛脱氢酶(ALDH)参与反应3,2-KGA还原酶(2-KGR)参与反应5。SDH/SSDH/ALDH属于Ⅰ型醌酶,其辅酶为1分子PQQ;SNDH属Ⅱ型醌酶,与PQQ、heme C共同构成quinohemoproteins,2种醌酶均分布于周质空间中与呼吸链相偶联,意味着这种膜上直接氧化过程伴随ATP产生,使得菌体可以利用环境中的底物实现快速供能。     

一株芽孢杆菌在维生素C二步发酵中对小菌的促进作用

从土壤中分离到1株能更好促使小菌生长和产酸的芽孢杆菌B601,作为伴生菌与巨大芽孢杆菌相比,在生长过程中,发酵液中B601活菌数小于巨大芽孢杆菌,而其芽孢数则多于巨大芽孢杆菌。对B601组成菌系的发酵条件进行优化,得到如下结果：100g／L L-山梨糖、6g／L尿素、10g/L玉米浆、培养温度30℃和发酵周期44h。与巨大芽孢杆菌组成菌系相比其底物,L-山梨糖质量浓度提高了25％,尿素下降了50％．玉米浆质量浓度下降了33％,温度提高了2℃,发酵周期缩短了4h。结果表明：B601作为伴生菌,与巨大芽孢杆菌相比,该菌株明显提高了发酵效率。     

混菌发酵中与普通生酮基古龙酸菌产2-酮基-L-古龙酸相关功能蛋白的研究

目的:在混菌发酵中,筛选与小菌产2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)相关的功能蛋白,并分析蛋白表达量的变化与产2-KGA的关系,寻找影响菌体代谢效率的关键性因素。方法:利用蛋白质组学技术,依据小菌产酸曲线,筛选与小菌产2-KGA有一定相关性的蛋白质,并利用生物信息学数据库,分析其改变与小菌代谢的关联。结果:获得了分辨率和重复性均良好的凝胶蛋白图谱,筛选出与小菌生产2-KGA密切相关的8个蛋白。结论:小菌产2-KGA强度与小菌体内抗氧化蛋白表达水平及糖代谢、能量代谢系统密切相关,推测有活性细胞色素C的含量可能为小菌产2-KGA的限制性因素。     

山梨酮脱氢酶模块与酮古龙酸杆菌底盘细胞的适配分析

酮古龙酸杆菌Ketogulonigenium vulgare是维生素C二步混菌发酵过程中的产酸菌。山梨酮脱氢酶(L-sorbosone dehydrogenase,缩写为SNDH)作为维生素C直接前体2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)合成的关键酶,其作用机制并不十分清楚。借助全基因组测序抽提2个山梨酮脱氢酶基因,分别位于基因组(缩写为sndhg)和质粒(缩写为sndhp)上。通过工程化改造技术在工业产酸菌中构建山梨酮脱氢酶功能模块,比较其对2-KGA产量的影响。研究发现sndhg过表达对菌株产酸影响不明显,sndhp过表达使菌株明显产生副产物。将sndhg和sndhp分别配合辅因子PQQ合成基因pqq A,分别构建sndhg-pqq A和sndhp-pqq A模块,得到的工程菌株产酸情况与之前的结果大致相同。将4株K.vulgare工程菌株分别与内生芽孢杆菌Bacillus endophyticus混合培养传代50 d后,分离菌株进行混菌发酵,其2-KGA的转化率分别提高了15.4%、179%、0.65%和125%。表明混菌适应性进化策略是一种增加功能模块与底盘细胞适配性,进而快速获得优良性状菌种的有效方法。     

Integrated proteomic and metabolomic analysis of an artificial microbial community for two-step production of vitamin C

An artificial microbial community consisted of Ketogulonicigenium vulgare and Bacillus megaterium has been used in industry to produce 2-keto-gulonic acid (2-KGA), the precursor of vitamin C. During the mix culture fermentation process, sporulation and cell lysis of B. megaterium can be observed. In order to investigate how these phenomena correlate with 2-KGA production, and to explore how two species interact with each other during the fermentation process, an integrated time-series proteomic and metabolomic analysis was applied to the system. The study quantitatively identified approximate 100 metabolites and 258 proteins. Principal Component Analysis of all the metabolites identified showed that glutamic acid, 5-oxo-proline, L-sorbose, 2-KGA, 2, 6-dipicolinic acid and tyrosine were potential biomarkers to distinguish the different time-series samples. Interestingly, most of these metabolites were closely correlated with the sporulation process of B. megaterium. Together with several sporulation-relevant proteins identified, the results pointed to the possibility that Bacillus sporulation process might be important part of the microbial interaction. After sporulation, cell lysis of B. megaterium was observed in the co-culture system. The proteomic results showed that proteins combating against intracellular reactive oxygen stress (ROS), and proteins involved in pentose phosphate pathway, L-sorbose pathway, tricarboxylic acid cycle and amino acids metabolism were up-regulated when the cell lysis of B. megaterium occurred. The cell lysis might supply purine substrates needed for K. vulgare growth. These discoveries showed B. megaterium provided key elements necessary for K. vulgare to grow better and produce more 2-KGA. The study represents the first attempt to decipher 2-KGA-producing microbial communities using quantitative systems biology analysis.     

5-酮基-D-葡萄糖酸发酵生产的工艺条件优化

葡萄糖酸氧化杆菌可将葡萄糖转化为5-酮基-D-葡萄糖酸(5-KGA),而5-KGA是重要食品添加剂L(+)-酒石酸的合成前体。为提高5-KGA产量及其对葡萄糖的转化率,对5-KGA发酵生产的工艺条件进行优化。在摇瓶水平最适的培养基和培养条件下,5-KGA最高产量为19.7 g/L,较优化前提高43.8%。在5 L发酵罐上控制恒定pH值5.5、溶氧浓度15%条件下,5-KGA产量达到46.0 g/L,较摇瓶最高产量提高1.3倍,应用葡萄糖流加工艺,5-KGA最高产量达到75.5 g/L,转化率超过70%,与已见报道的最高水平相比提高了32.0%,为实现微生物发酵生产5-KGA、进而合成L(+)-酒石酸的工业化提供了切实有效的途径。     

Modeling and parameters identification of 2-keto-<Emphasis Type="SmallCaps">l</Emphasis>-gulonic acid fed-batch fermentation

This article presents a modeling approach for industrial 2-keto-l-gulonic acid (2-KGA) fed-batch fermentation by the mixed culture of Ketogulonicigenium vulgare (K. vulgare) and Bacillus megaterium (B. megaterium). A macrokinetic model of K. vulgare is constructed based on the simplified metabolic pathways. The reaction rates obtained from the macrokinetic model are then coupled into a bioreactor model such that the relationship between substrate feeding rates and the main state variables, e.g., the concentrations of the biomass, substrate and product, is constructed. A differential evolution algorithm using the Lozi map as the random number generator is utilized to perform the model parameters identification, with the industrial data of 2-KGA fed-batch fermentation. Validation results demonstrate that the model simulations of substrate and product concentrations are well in coincidence with the measurements. Furthermore, the model simulations of biomass concentrations reflect principally the growth kinetics of the two microbes in the mixed culture.     

玉米浆对Vc二步发酵产2-酮基-L-古龙酸影响的研究

通过在培养基中添加不同量的玉米浆,研究其对氧化葡萄糖酸杆菌（俗称小菌）生产Vc前体2-酮基-L-古龙酸的影响,并研究玉米浆成分中的12种主要氨基酸对小菌产酸的影响。结果表明：每100 mL发酵培养基中添加2.5 g左右过滤除菌玉米浆时,2-酮基-L-古龙酸产量高达26.84 mg/mL,小菌活菌数为不添加玉米浆时小菌单菌发酵下的9.74倍。过量玉米浆抑制小菌产酸。12种氨基酸单独与氧化葡萄糖酸杆菌发酵培养及全部混合后与氧化葡萄糖酸杆菌发酵培养对产酸及菌体生长无影响。     

基于组学技术的维生素C二步混菌发酵研究进展

二步发酵法是工业化生产维生素C (vitamin C, Vc)的主要方法,其中第二步由伴生菌与产酸菌(普通生酮基古龙酸菌)组合进行混菌发酵产生Vc前体2-酮基-l-古龙酸(2-keto-l-gluonic acid, 2-KLG)的机制,一直是科研人员研究的重要科学问题。通过高通量基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等组学技术揭示生物系统中各个组分相互作用关系已经成为主要的研究手段。本文对近年来利用组学技术解析Vc混菌发酵中两菌互作关系、解除发酵系统的氧化胁迫、伴生活性物质、产酸菌群体感应、外源添加物、基因工程改造产酸菌促进产2-KLG等方面的研究进行综述,并为进一步的探索和深入研究提供思路。     

A Gluconobacter oxydans mutant converting glucose almost quantitatively to 5-keto-d-gluconic acid

Gluconobacter oxydans converts glucose to gluconic acid and subsequently to 2-keto-d-gluconic acid (2-KGA) and 5-keto-d-gluconic acid (5-KGA) by membrane-bound periplasmic pyrroloquinoline quinone-dependent and flavin-dependent dehydrogenases. The product pattern obtained with several strains differed significantly. To increase the production of 5-KGA, which can be converted to industrially important l-(+)-tartaric acid, growth parameters were optimized. Whereas resting cells of G. oxydans ATCC 621H converted about 11% of the available glucose to 2-KGA and 6% to 5-KGA, with growing cells and improved growth under defined conditions (pH 5, 10% pO₂, 0.05% pCO₂) a conversion yield of about 45% 5-KGA from the available glucose was achieved. As the accumulation of the by-product 2-KGA is highly disadvantageous for an industrial application of G. oxydans, a mutant was generated in which the membrane-bound gluconate-2-dehydrogenase complex was inactivated. This mutant, MF1, grew in a similar way to the wild type, but formation of the undesired 2-KGA was not observed. Under improved growth conditions, mutant MF1 converted the available glucose almost completely (84%) into 5-KGA. Therefore, this newly developed recombinant strain is suitable for the industrial production of 5-KGA.