CN108384729A - 一种微生物细胞晶胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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    • C12P7/42—Hydroxy-carboxylic acids

Abstract

本发明公开一种用于转化合成苯乳酸的微生物细胞晶胶及其制备方法和应用。所述的微生物细胞晶胶为整体状多孔材料，其基质骨架为交联后的干酪乳杆菌微生物细胞，孔径范围1～50µm，孔隙率36.9~95.2%，对水的渗透率为1×10‑15~3×10‑13 m2；以该晶胶为生物催化剂，可以将苯丙酮酸关键底物转化合成为苯乳酸，转化收率最大可达75%。本发明提供的微生物细胞整体晶胶，其孔径大，孔隙率高，底物和产物传质迅速，生物安全性好，可重复使用，其制备方法简单，成本低，在生物化工合成领域有广阔的应用前景。

Description

一种微生物细胞晶胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物化工领域，具体涉及一种微生物细胞晶胶及其制备方法和应用，它能作为生物催化剂，用于转化合成苯乳酸。
背景技术
苯乳酸是一种对革兰氏阴性菌、革兰氏阴性菌和部分真菌具有广谱抗菌性的新型抑菌剂，也是一种可以用于合成聚苯乳酸新型高分子材料的关键单体，还可以作为合成新药的中间体，在化工、生物、食品、材料、医药等许多领域具有重要用途。由于化学法合成苯乳酸路径复杂，存在比较严重的环境污染问题，生物法成为当前国内外的研究方向。
然而，苯乳酸的生物法合成存在成本高、高产菌株缺乏及酶或全细胞催化剂重复利用困难等难题，需要探索新的高产菌株和研究新的可重复利用的高效生物酶或全细胞催化剂。近几年，国内外学者针对植物乳杆菌、干酪乳杆菌、凝结芽孢杆菌等不同菌株产苯乳酸及转化合成苯乳酸开展了探索，采用静息全细胞、通透化处理的全细胞以及酶，对苯乳酸的发酵合成、全细胞转化及酶法转化合成进行了研究。但是，以生物酶为催化剂合成苯乳酸，其工艺过程成本高，工业化困难；采用全细胞催化剂的微生物转化方法合成苯乳酸，可以降低成本，成为苯乳酸合成的主要发展方向。然而，常规的全细胞催化剂稳定性差，难以重复利用。通过常规载体固定化后的全细胞催化剂，其孔径小，传质阻力大，细胞浓度低，流失严重，转化活性率低，不能工业化应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提供一种微生物细胞晶胶及其制备方法和应用，它能作为生物催化剂，用于转化合成苯乳酸。
所述的一种用于转化合成苯乳酸的微生物细胞晶胶，其特征在于所述微生物细胞晶胶为整体床多孔材料，具有微米量级的超大孔隙，其基质骨架为交联后的干酪乳杆菌微生物细胞。
进一步，所述的一种用于转化合成苯乳酸的微生物细胞晶胶，其特征在于所述微生物细胞晶胶的孔径范围为1～50 µm，孔隙率为36.9～95.2%，对水的渗透率为1×10-15～3×10-13 m2，在水中具有很好的弹性。
所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于所述制备方法如下：将干酪乳杆菌细胞、交联剂和水混合均匀得悬浮液，悬浮液进行冷冻溶剂相变结晶致孔和交联反应，得到所述的微生物细胞晶胶。
进一步，所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于所述制备方法中悬浮液组分的质量百分比为：干酪乳杆菌细胞1～62%：交联剂1～4%：水的质量比为37%～95%。
进一步，所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于所述交联剂为聚乙烯醇缩戊二醛。
更进一步，所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于所述冷冻溶剂相变结晶致孔和交联反应的条件为：温度‒10℃～‒40℃，时间为70～170 h。
所述微生物细胞晶胶在合成苯乳酸中应用。
所述的应用具体为：以所述的微生物细胞晶胶为生物催化剂，以含有8 g/L关键底物苯丙酮酸和14 g/L葡萄糖的水溶液为反应溶液，在转化反应温度35℃、反应时间8h、转速75 rpm、生物催化剂与苯丙酮酸底物质量比0.1～40:1条件下，转化合成苯乳酸的最大摩尔转化率75%。
通过采用上述技术，本发明具有如下有益效果：
1）本发明提供的用于转化合成苯乳酸的微生物细胞晶胶，具有孔径微米级的超大孔隙，其孔径大，孔隙率高，渗透率大，用于转化合成苯乳酸时，底物和产物分子可以在超大孔隙内迅速扩散或对流传质，传质阻力小，克服了常规固定化载体中存在的传质受限问题；
2）本发明提供的用于转化合成苯乳酸的微生物细胞晶胶，其基质骨架为干酪乳杆菌细胞，菌株为食品微生物，具有很好的生物相容性和安全性；
3）本发明提供的微生物细胞晶胶，作为全细胞生物催化剂，其转化合成苯乳酸的反应条件温和、容积效率高、可重复使用，作为一种新型生物催化剂，具有广阔的应用前景；
4）本发明提供的微生物细胞晶胶的制备方法简单，成本低，规模化转化制备容易实现，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限与此：
实施例1
将0.242g干酪乳杆菌细胞、0.0121g聚乙烯醇缩戊二醛交联剂和0.29g水混合均匀，制备成为悬浮液，于温度‒10～‒40℃下进行相变结晶致孔和交联反应150 h，得到微生物细胞晶胶。经扫描电镜、流压测试和分析计算，其孔径1～15 µm，孔隙率为53.1%，对水的渗透率1.8×10-13 m2，在水中具有很好的弹性。在100 mM的磷酸盐缓冲液中，加入关键底物苯丙酮酸8.3 g/L和辅助底物葡萄糖14 g/L，以所得微生物细胞晶胶为生物催化剂，其用量与苯丙酮酸底物质量比13:1，进行生物转化，合成苯乳酸。于35℃、转速75 rpm下转化反应8 h后，从转化液中取样，离心后取上清液进行高效液相色谱检测分析，得到苯乳酸终浓度为3.9g/L，摩尔转化率为47%。
实施例2
将0.0813g干酪乳杆菌细胞、0.016g聚乙烯醇缩戊二醛交联剂和0.48g水混合均匀，制备成为悬浮液，于温度‒10～‒40℃下进行相变结晶致孔和交联反应170 h，得到微生物细胞晶胶。经扫描电镜、流压测试和分析计算，其孔径1～10 µm，孔隙率为36.9%，对水的渗透率为1×10-15 m2，在水中具有很好的弹性。在100 mM的磷酸盐缓冲液中，加入底物苯丙酮酸2g/L和葡萄糖14 g/L，以所得微生物细胞整体晶胶为生物催化剂，其用量与苯丙酮酸底物质量比40:1，进行生物转化，合成苯乳酸。于35℃、转速75 rpm下转化反应8 h后，从转化液中取样，离心后取上清液进行高效液相色谱检测分析，得到苯乳酸终浓度为1.43 g/L，摩尔转化率为75%。
实施例3
将0.0024g干酪乳杆菌细胞、0.0121g聚乙烯醇缩戊二醛交联剂和0.29g水混合均匀，制备成为悬浮液，于温度‒10～‒40℃下进行相变结晶致孔和交联反应70 h，得到微生物细胞整体晶胶，对水的渗透率为3×10-13 m2，在水中具有很好的弹性。经扫描电镜、流压测试和分析计算，其孔径1～50 µm，孔隙率为95.2%。在100 mM的磷酸盐缓冲液中，加入关键底物苯丙酮酸8.3 g/L和辅助底物葡萄糖14 g/L，以所得微生物细胞整体晶胶为生物催化剂，其用量与苯丙酮酸底物质量比0.1:1，进行生物转化，合成苯乳酸。于35℃、转速75 rpm下转化反应8 h后，从转化液中取样，离心后取上清液进行高效液相色谱检测分析，得到苯乳酸终浓度为0.42 g/L，摩尔转化率为5%。
实施例4
将0.121g干酪乳杆菌细胞、0.0121g聚乙烯醇缩戊二醛交联剂和0.29g水混合均匀，制备成为悬浮液，于温度‒10～‒40℃下进行相变结晶致孔和交联反应120 h，得到微生物细胞整体晶胶。经扫描电镜、流压测试和分析计算，其孔径1～30 µm，孔隙率为68.4%，对水的渗透率范围为2.5×10-13 m2，在水中具有很好的弹性。在100 mM的磷酸盐缓冲液中，加入关键底物苯丙酮酸8.3 g/L和辅助底物葡萄糖14 g/L，以所得微生物细胞整体晶胶为生物催化剂，其用量与苯丙酮酸底物质量比6:1，进行生物转化，合成苯乳酸。于35℃、转速75 rpm下转化反应8 h后，从转化液中取样，离心后取上清液进行高效液相色谱检测分析，得到苯乳酸终浓度为3.1 g/L，摩尔转化率为37%。

Claims (8)

1.一种微生物细胞晶胶，其特征在于所述的微生物细胞晶胶为整体床多孔材料，具有微米量级的超大孔隙，其基质骨架为交联后的干酪乳杆菌微生物细胞。
2.根据权利要求1所述的微生物细胞晶胶，其特征在于所述的微生物细胞晶胶的孔径为1～50 µm，孔隙率为36.9～95.2%，对水的渗透率为1×10-15～3×10-13 m2。
3.一种根据权利要求1所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于将干酪乳杆菌细胞、交联剂和水混合均匀得悬浮液，悬浮液进行冷冻溶剂相变结晶致孔和交联反应，得到所述的微生物细胞晶胶。
4.根据权利要求3所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于悬浮液组分的质量百分含量为：干酪乳杆菌细胞1～62%交联剂1～4%水37%～95%。
5.根据权利要求3所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于交联剂为聚乙烯醇缩戊二醛。
6.根据权利要求3所述的微生物细胞晶胶的制备方法，其特征在于冷冻溶剂相变结晶致孔和交联反应的条件为：温度‒10℃～‒40℃，反应时间为70～170 h。
7.一种根据权利要求1所述微生物细胞晶胶在合成苯乳酸中应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于以所述的微生物细胞晶胶为生物催化剂，将苯丙酮酸转化合成为苯乳酸，其最大摩尔转化率达75%。
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