Production of lactobionic acid and sorbitol from lactose/fructose substrate using GFOR/GL enzymes from Zymomonas mobilis cells: A kinetic study
- 作者
- Israel Pedruzzi, Eduardo A. Borges da Silva, Alírio E. Rodrigues
- 单位
- Laboratory of Separation and Reaction Engineering - LSRE, Associate Laboratory LSRE/LCM, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Porto, Rua Dr. Roberto Frias s/n, 4200-465 Porto, Portugal
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2011.04.017
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究运动发酵单胞菌GFOR/GL酶系统催化乳糖/果糖底物生产乳糖酸和山梨醇的动力学特性，包括底物浓度影响和动力学模型建立。
研究策略
通过实验测定不同底物浓度下的反应速率，采用经典乒乓机制和Hill方程进行动力学建模，并比较游离细胞和Ca-藻酸盐固定化细胞系统，评估传质限制。
核心内容
该研究以运动发酵单胞菌ATCC 29191的GFOR/GL酶系统为催化剂，系统考察了乳糖/果糖底物浓度对乳糖酸和山梨醇同步合成的影响，并建立了动力学模型。实验发现乳糖浓度是决定反应速率的关键参数：在350 mM果糖存在下，乳糖浓度从400 mM增至700 mM时乳糖酸生成速率显著提高，而高果糖浓度对反应无明显促进作用。低乳糖浓度（10–20 mM）下反应遵循乒乓机制，拟合得到的vmax为66.0 mM/h，KM,L和KM,F分别为1.183×10³和0.739×10³ mM；高乳糖浓度下则呈现S形动力学，引入Hill系数n=1.6后模型拟合良好，vmax升至276.0 mM/h。进一步比较Ca-藻酸盐固定化细胞发现，1.2 mm珠粒的乳糖酸形成速率达41.6 mM/h，高于1.7 mm珠粒的33.6 mM/h，说明小粒径珠粒传质限制不显著。在700 mM乳糖/350 mM果糖条件下，24小时达到最大转化。上述结果表明GFOR/GL系统可有效联产乳糖酸和山梨醇，通过调控乳糖浓度及选用适宜粒径的固定化载体，可优化催化效率，为工业化应用提供理论依据。
创新点
发现高果糖浓度对乳糖酸初始形成速率无显著影响；在高乳糖浓度下观察到S形动力学，引入Hill系数改进乒乓模型；定量评估固定化细胞珠粒大小对传质的影响。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis ATCC 29191 | 乳糖氧化/果糖还原通路（GFOR/GL） | — | 葡萄糖-果糖氧化还原酶（GFOR） | 催化 | 催化乳糖氧化为乳糖酸内酯，同时将果糖还原为山梨醇 |
| Zymomonas mobilis ATCC 29191 | 乳糖氧化/果糖还原通路（GFOR/GL） | — | 葡萄糖酸-δ-内酯酶（GL） | 催化 | 加速乳糖酸内酯水解为乳糖酸 |
关键发现
- 在350 mM果糖存在下，乳糖浓度从400 mM增至700 mM时乳糖酸生成速率显著增加
- 在700 mM乳糖下，果糖浓度从350增至700 mM不影响初始速率。低乳糖浓度（10-20 mM）下乒乓模型拟合良好，动力学参数为vmax=66.0±16.2 mM/h，KM,L=1.183±0.289×10^3 mM，KM,F=0.739±0.218×10^3 mM。高乳糖浓度下Hill模型参数为vmax=276.0 mM/h，KM,L=1.86×10^3 mM，KM,F=1.85×10^2 mM，Hill系数n=1.6。固定化细胞实验中，1.2 mm珠粒乳糖酸形成速率为41.6 mM/h，1.7 mm珠粒为33.6 mM/h，表明1.2 mm珠粒传质限制不显著。在700 mM乳糖/350 mM果糖条件下24 h达到最大转化。
研究结论
GFOR/GL酶系统可有效生产乳糖酸和山梨醇，乳糖浓度是决定反应速率的关键参数，高果糖无促进作用；低底物浓度符合乒乓机制，高浓度下需用Hill方程描述S形动力学；采用1.2 mm Ca-藻酸盐固定化细胞可避免传质限制，具有应用潜力。