Semicarbazide-functionalized resin as a new scavenger for in situ recovery of 3-hydroxypropionaldehyde during biotransformation of glycerol by Lactobacillus reuteri
- 作者
- Roya R.R. Sardari, Tarek Dishisha, Sang-Hyun Pyo, Rajni Hatti-Kaul
- 单位
- Department of Biotechnology, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund University, Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2014.10.013
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
3-羟基丙醛（3HPA）对Lactobacillus reuteri的毒害作用导致甘油生物转化生产3HPA的产量和生产率较低，需要开发原位产物回收方法以减轻产物抑制。
研究策略
制备氨脲功能化树脂，利用3HPA的羰基与氨脲基团形成可逆的氨脲中间体，实现3HPA的原位吸附回收，并通过酸洗脱释放游离3HPA。
核心内容
本研究制备了氨脲功能化树脂，用于乳酸杆菌DSM 20016催化甘油生物转化生产3-羟基丙醛过程中的原位产物回收。树脂通过3HPA的羰基与氨脲基团形成可逆共价中间体实现吸附，并用乙酸温和洗脱释放产物。在71.54 mM初始浓度下，树脂最大吸附容量达9.48 mmol/g，吸附在5分钟内可达2.10 mmol/g，吸附等温线符合S-曲线模型，低浓度以化学吸附为主。原位产物移除实验中，加入1g树脂使3HPA总产量达0.44 mmol，摩尔产率从对照的42%提升至59%，生产率提高至16.01 mM/h，为无树脂时的2倍以上，且游离3HPA仅占总产量的2-3%，有效减轻了产物抑制。树脂经重复吸附-解吸三个循环后总回收率为13-66.5%，仍保持可重复使用性。该策略以固相树脂替代游离络合剂，便于分离纯化且条件温和，为减轻3HPA毒性抑制、提升生物转化效率提供了可行的原位产物回收方案。
创新点
['首次将氨脲功能化树脂用于3HPA的原位回收，替代溶液中自由氨脲或碳水化合物的络合方法，便于分离和产物纯化。', '树脂对3HPA具有高吸附容量（最大9.48 mmol/g树脂）和快速吸附动力学（5分钟内达2.10 mmol/g）。', '使用温和的乙酸洗脱，避免了传统半卡巴腙水解释放所需的高温或强酸条件。', '在甘油生物转化过程中，加入树脂使3HPA生产率提高2倍以上，摩尔产率从42%提高到59%。']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactobacillus reuteri DSM 20016 | 甘油脱水途径 | — | 甘油脱水酶 | 催化 | 催化甘油脱水生成3-羟基丙醛（3HPA） |
关键发现
- ['在71.54 mM 3HPA初始浓度下，树脂最大吸附容量达9.48 mmol/g树脂。', '吸附等温线符合S-曲线模型，低浓度下以化学吸附为主，高浓度下伴随物理吸附。', '静态批式吸附24小时可达4.15 mmol/g树脂，吸附量为初始加载量的38%。', '连续柱吸附中，在107.12 mM和48.70 mM 3HPA下，最大结合容量分别为1.30和0.71 mmol/g树脂
- 降低流速可提高44%的结合容量。', '用9M乙酸洗脱2小时回收率为16%，水洗加乙酸洗脱的总回收率为55.67%
- 重复吸附-解吸三个循环的总回收率为13-66.5%。', '原位产物移除实验中，无树脂时3HPA浓度为21.04 mM，生产率7.01 mM/h，摩尔产率42%
- 加入0.5g树脂后分别为32.44 mM、10.81 mM/h和53%
- 加入1g树脂时总3HPA产量0.44 mmol，生产率16.01 mM/h，摩尔产率59%，且游离3HPA仅占总产量的2-3%。']
研究结论
氨脲功能化树脂能高效、可逆地吸附3HPA，实现甘油生物转化过程中的原位产物移除，显著提高3HPA的生产率、浓度和摩尔产率，同时减少副产物生成，且树脂可重复使用至少三个循环，是一种比现有络合方法更温和、便于分离的替代方案。