枯草芽孢杆菌LB5a同时生产表面素和2,3-丁二醇的替代底物优化研究进展

摘要

本文简要介绍了利用不同的废弃物组成最佳培养基，同时生产表面素和2,3-丁二醇的白色工艺。此外，我们结合了两种类型的2,3-丁二醇分析:固相微萃取和液-液萃取。同时生产生物化学品是最有趣的战略之一，它可能导致生产的商业可行性。

关键字

Surfactin;2、3-Butanediol;枯草芽孢杆菌;同时生产;培养基优化

介绍

白色的生物技术是绿色化学概念的一个重要分支。它涉及新的生产/应用或用生物化学品代替化学品。因此,生物技术过程的酶在世界范围内，生物表面活性剂、多肽等在工业规模上的应用正在增加。一些理论指出了生物表面活性剂生产的原因微生物:(i)抑制其他细胞的生长，(ii)储存能量，(iii)调节细胞膜的附着和脱离，(iv)溶解疏水化合物，(v)增加膜的通透性，以及(vi)保护(层)微生物免受高离子强度的影响[1，2］.在生物表面活性剂中，表面素是最著名的一种，它是一种与β -羟基脂肪酸(12-16个碳)相连的七肽(环)[3.，4］.表面素显示出强大的表面活性(例如，水:在低至10毫克/升的浓度下，从72至27毫克/米)，并具有抗病毒、抗肿瘤等生物学特性。[3.，4］.

其他显著的生化物质是2,3-丁二醇，它可用于生产印刷油墨、香水、熏蒸剂、润湿剂、柔软剂、炸药、防冻剂[5];调味剂、聚氨酯前体[6];化妆品(7];食品、药品[5，7];增塑剂(5，6];橡胶，[5-7］.

在任何生物科技生产期间(发酵)合成了许多化合物(例如酶、香精等)，其中一些生物化学物质可能具有高附加值。因此，同步生产总是需要调查的。同时生产不需要任何实施(设施)，然而，值得注意的是，必须达到两种(或更多)生化物质的高生产率(有时两种生化物质的最佳生产条件并不相同)。此外，还需要建立一个全新的净化过程。在我们前期的研究中，通过实验证明了同时生产表面素和2,3-丁二醇的技术可行性枯草芽孢杆菌LB5a，其中培养基由木薯废水、乳清(2)、工业乳清(2)组成废物)和活性炭。

利用工业废弃物作为培养基生产表面素

据预测，培养基约占生产成本的30% [8，9］.因此，使用工业废物作为培养基将对生产的商业可行性产生重大影响。一些工业废水已被研究作为生产表面素的培养基，许多报告详细描述了以木薯废水为底物生产表面素的方法。

Andrade等人已经报道了泡沫溢出法回收表面素的方法。8］.泡沫溢出是一种非常有利的生物表面活性剂回收策略，因为它是一种非常简单的技术，并且生物表面活性剂的回收率很高[8］.在生产表面素的过程中，培养基中存在活性炭会影响泡沫溢出，因为活性炭吸附表面素胶束[10］.另一方面，活性炭(作为生物膜刺激细胞生长)提高了表面素的产量(36倍)。

利用工业废弃物作为培养基生产2,3-丁二醇

2,3-丁二醇的生产是一个与生长相关的过程[11，12］.Zhang等人的研究表明，产量通常可达100 g/L。[qh]11在他们的研究中，粘质沙雷氏菌H30以蔗糖作为碳源生产2,3-丁二醇。其中乙托因和2,3-丁二醇的最高浓度为139.92 g/L。如前所述，工业废料在生物技术过程是一种非常有趣的方法。在这个意义上，Wong等人。[12描述了2,3-丁二醇的生产克雷伯氏菌sp. Zmd30以水解稻草为培养基。作者报道了2,3-丁二醇的最高产量为≈25 g/L。

生物化学的同步生产

同时生产是克服生产成本的最具潜力的策略之一。然而，这个话题并没有得到太多的研究。大多数研究集中在糖化和发酵同时进行，如Li等。[13] He等利用侧柏叶片通过细菌同时糖化和发酵产生氢气。[14]，描述了利用纳皮尔草半同步糖化和发酵生产丙酮-丁醇-乙醇(ABE发酵)。

其他几项研究专门针对同时生产两种生化物质，例如Wu等人。[15详细说明了生物聚合物细菌同时产生胞外鞘聚糖Ss和胞内聚r -3-羟基丁酸酯(PHB)Sphingomonas sanxanigenensNX02和Alonso等人。[16研究了一种由葡萄糖和乳清组成的培养基，用于同时生产乳酸和葡萄糖酸。据我们所知，我们之前的报告是第一个同时处理表面素的生物技术生产。

与生产表面素和2,3-丁二醇的两种生物过程相比，同步策略产生(就生产力而言)较少的残留物。此外，不存在与表面素和2,3-丁二醇的潜在有害影响相关的环境问题。因此，废物处理程序应侧重于生物工艺后培养基的生物量(细菌)灭菌。

在培养基方面，木薯废水中含有氰化物，对环境有害。因此，木薯废水的热预处理对于木薯废水的氰化物脱除和后续利用至关重要。从这个意义上说，乳清没有任何特定的有害化合物。然而，乳清和木薯废水具有较高的生化需氧量，这也意味着环境问题。

值得注意的是，木薯作物种植和乳清生产(奶酪制作过程)是全年进行的，其中其成分的变化可以忽略不计(优势供应)。这一特性允许一个良好控制的生物过程，甚至使用两种农业工业残留物作为底物。

结论

任何生物过程的同步生产都应进行调查。这种类型的战略可能导致生产的商业可行性，因为它有望降低生产成本。从这个意义上说，使用工业废物作为培养基非常符合绿色化学概念(白色工业)，也有利于商业可行性。在我们之前的研究中，表面蛋白和2,3-丁二醇的最佳培养基组成为乳清(27.7 g/L)、活性炭(25 g/L)和木薯废水(74 g/L)。因此，这两种高价值的生化物质都是用低附加值的底物生产的。

致谢

作者感谢圣保罗州立研究基金会(Fapesp)的资金支持(项目编号2011/24184-8)，巴西纳米技术国家实验室(CNPEM机构)和圣保罗大学理工学院化学工程系在我们之前的研究中的合作。

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