Use of a mannitol rich ensiled grass press juice (EGPJ) as a sole carbon source for polyhydroxyalkanoates (PHAs) production through high cell density cultivation
- 作者
- Federico Cerrone, Reeta Davis, Shane T. Kenny, Trevor Woods, Anthonia O'Donovan, Vijay Kumar Gupta, Maria Tuohy, Ramesh P. Babu, Padraig O'Kiely, Kevin O'Connor
- 单位
- School of Biomolecular and Biomedical Sciences, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland; Earth Institute, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland; Technology Centre for Biorefining and Bioenergy, Orbsen Building, NUIG, Galway, Ireland; Centre for Research on Adaptive Nanostructure and Nanodevices, Trinity College Dublin, Dublin 2, Ireland; Molecular Glycobiotechnology Group, Biochemistry, School of Natural Sciences, National University of Ireland, Galway, Ireland; School of Physics, Trinity College Dublin, Dublin 2, Ireland; Animal & Grassland Research and Innovation Centre, Teagasc, Grange, Dunsany, Co. Meath, Ireland
- 杂志
- Bioresource Technology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2015.04.128
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
PHA生产成本高，需要开发廉价或零成本的可再生碳源；本研究旨在探索富含甘露醇的青贮草压榨汁（EGPJ）作为唯一碳源，通过高细胞密度培养实现PHB和mcl-PHA的高效生产。
研究策略
筛选能利用EGPJ中多种糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露醇等）的细菌菌株，采用脉冲补料分批发酵策略，以EGPJ作为唯一碳源进行高细胞密度培养，并对比模拟EGPJ以评估EGPJ的抑制效应。
核心内容
该研究探索了富含甘露醇的青贮草压榨汁（EGPJ）作为唯一碳源，通过高细胞密度培养生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）的可行性。EGPJ无需化学或酶预处理，仅经机械压榨和旋转蒸发浓缩即得，总糖54 g/L，主要含甘露醇42%、葡萄糖35%及少量木糖和阿拉伯糖。研究筛选出能利用其中多种糖的菌株，并采用脉冲补料分批发酵策略。结果表明，Burkholderia sacchari IPT101在36小时内获得44.5 g/L细胞干重，含33% PHB（13.8 g/L），PHB体积生产力达0.38 g/L/h，PHB分子量548 kg/mol；Pseudomonas chlororaphis IMD555则积累3.75 g/L mcl-PHA，但产量较低。模拟EGPJ实验中两种菌株产量更高，提示EGPJ中其他成分存在一定抑制效应。该研究首次报道了EGPJ作为零成本碳源直接生产PHA的可行性，其中PHB产量约8.8 kg/吨EGPJ，生产成本约6.13美元/kg，与商业糖路线相当，表明EGPJ更适合用于PHB生产。
创新点
['首次报道利用富含甘露醇的青贮草压榨汁（EGPJ）作为唯一碳源生产PHA', 'EGPJ无需化学或酶预处理，仅需机械压榨和旋转蒸发浓缩', '在脉冲补料分批发酵中，B. sacchari IPT101利用EGPJ获得44.5 g/L CDW和33% PHB，PHB体积生产力达0.38 g/L/h', '首次报道P. chlororaphis IMD555利用甘露醇生长并积累mcl-PHA']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Burkholderia sacchari IPT101 | PHA/PHB生物合成 | — | — | 催化 | 利用EGPJ作为唯一碳源积累PHB，补料分批发酵最高CDW 44.5 g/L，PHB含量33% |
| Pseudomonas chlororaphis IMD555 | mcl-PHA生物合成 | — | — | 催化 | 利用EGPJ积累mcl-PHA，补料分批发酵最高CDW 37 g/L，mcl-PHA含量10%；添加癸酸前体可提高至19% |
| Pseudomonas putida W619 | mcl-PHA生物合成 | — | — | 催化 | 摇瓶实验中利用模拟EGPJ积累31% mcl-PHA，添加癸酸后PHA含量提高至17% |
关键发现
- ['EGPJ总糖54 g/L，主要含甘露醇42%、葡萄糖35%、木糖11%、阿拉伯糖6%，蛋白质20 g/L，(L)-乳酸15 g/L，(D)-乳酸5.4 g/L', 'B. sacchari IPT101在EGPJ补料分批发酵36 h内产生44.5 g/L CDW，含33% PHB（13.8 g/L），CDW产率0.47 g/g糖，PHB和CDW体积生产力分别为0.38 g/L/h和1.23 g/L/h', 'P. chlororaphis IMD555在EGPJ补料分批发酵34 h内产生37 g/L CDW，含10% mcl-PHA（3.75 g/L），CDW和mcl-PHA体积生产力分别为1.1 g/L/h和0.1 g/L/h', '使用模拟EGPJ时，B. sacchari IPT101获得64 g/L CDW和19.8 g/L PHB（31% CDW），P. chlororaphis IMD555获得57.5 g/L CDW但mcl-PHA仅1.26 g/L（2.2%）', '摇瓶实验中，B. sacchari IPT101在EGPJ上CDW为2.3 g/L，PHB含量23.3%；在模拟EGPJ上CDW为4.3 g/L，PHB含量34.5%', 'P. putida W619和P. chlororaphis IMD555在模拟EGPJ上PHA含量分别为31%和38%，在EGPJ上仅为6%和9%；添加2 mM癸酸后PHA含量提高至17-19%', '从B. sacchari IPT101提取的PHB分子量548 kg/mol，PDI
- 3；从P. chlororaphis IMD555提取的mcl-PHA分子量115.4 kg/mol，PDI
- 3', 'PHB的玻璃化转变温度Tg为2.44°C，熔点Tm为172.6°C；mcl-PHA的Tg为-42.1°C，Tm为38.2°C', 'EGPJ可直接获得PHB产量约8.8 kg/吨EGPJ，按目前原料价格计算PHB生产成本约6.13美元/kg，与商业糖生产PHB的4美元/kg处于同一范围']
研究结论
富含甘露醇的青贮草压榨汁（EGPJ）是一种无需化学或酶预处理的廉价可再生碳源，适用于高细胞密度培养生产PHA。B. sacchari IPT101利用EGPJ可获得高产PHB（13.8 g/L），而P. chlororaphis IMD555可生产mcl-PHA但产量较低（3.75 g/L）。PHB体积生产力比mcl-PHA高4倍，因此EGPJ更适合PHB生产。