西南大学邹祥教授团队: 生物基水溶性PHA高分子及单体碳减排生物制造

TK生物基材料

木质纤维素生物质，如农业和森林残留物，在通过生物精炼过程增值时可以替代化石燃料，因此构成能源和化学生产的来源（例如，丁醇和其他增值化学品）。已经对木质纤维素生物质衍生的木糖有效转化为目标产品进行了许多研究，并探索了在三维（3D）打印领域的应用，但是对木质纤维素生物精炼厂中的木糖废物处理几乎没有关注。

玉米是世界上收获最多的作物之一，主要生产木糖和木糖醇。目前，商业木糖醇年产量超过10万吨。木糖醇是通过木糖催化加氢生产的，排放出以木糖为主要产品的结晶母液10多万吨，由于中国木糖醇产业的快速增长，引发了强烈的环境问题。因此，应考虑木质纤维素生物精炼厂的可持续和闭环利用。

聚苹果酸（PMA）是一种新型可溶解PHA，主要由酵母样真菌金刚支链淀粉产生，在生物医学，生物塑料和环境领域具有一些理想的特性。除葡萄糖外，支链淀粉还可以利用戊糖，包括木糖和阿拉伯糖，产量范围为0.4至0.77g/g。然而，木质纤维素水解物抑制PMA生物合成。此外，释放单体l-苹果酸（L-MA）的PMA的酸水解被认为是生产平台化学品L-MA的竞争性过程。目前，MA主要由马来酸酐合成，产生外消旋dl-苹果酸。由于D-MA不可用，这可能会对食品和饮料行业构成潜在的安全风险。与甲酸和琥珀酸发酵类似，在PMA发酵中，必须通过添加CaCO将肉汤pH值控制和稳定在约6.53作为中和剂。因此，大量的钙固体废物（CaSO4）产生的产品在下游过程中被延续，严重污染环境。因此，支链淀粉转化木糖基水解物以进一步大规模生产PMA和L-MA的应用遇到了几个瓶颈，包括木糖基培养基的低效利用，不适应低pH条件以及低产品回收效率。

为了解决这些问题，近日西南大学药学院邹祥教授团队在Chemical Engineering Journal(IF：16.744)上发表了题为“Bio-refinery of xylose processing wastes for green polymalic acid production and L-malic acid recovery by engineered Aureobasidium pullulans in a non-waste-disposal system”的研究论文。本论文从生物炼制角度，从木糖醇的废弃母液出发，以前期课题组开发的聚苹果酸发酵及酸水解生产L-苹果酸创新路线出发，采用适应性进化策略，筛选高糖母液和低酸耐受的适应性出芽短梗霉菌株；引入外源白僵菌钙调信号编码基因，通过钙调信号工程策略进一步强化菌株的低酸抗逆性能，建立以Na2CO3为中和剂的高强度低酸发酵策略，并在下游提取过程提出全水相苹果酸提取结晶新方法，不产生钙渣排放，实现上下游系统集成、无废弃物排放的绿色碳减排生物制造新范式。

小组专注于菌株的基因改造和工艺优化。具体而言，采用玉米芯水解物的逐渐适应来提高对抑制剂的耐受性，适应的菌株在批量发酵中表现出良好的产量性能，并且在抑制剂（包括糠醛、HMF、乙酸和甲酸）的胁迫下生长良好。基于T-DNA突变文库，产生突变体FJ-D2的PMA可以消耗含木糖的母液（WXML）中的所有糖，包括葡萄糖、木糖和阿拉伯糖[。尽管如此，所有这些支链淀粉菌株均在分批发酵模式下运行，同时保持约6.5的相对较高的培养基pH值（添加CaCO3），并且在高木糖基培养基培养基中生长不良，不利于进一步降低PMA和L-MA工业化的生产成本。

在这项研究中，小组研究了在低pH条件下使用高浓度WXML高效生产PMA和L-MA回收而不浪费钙（CaSO4）污染。首先，他们展示了使用高浓度WXML和低pH值的多适应进化。其次，采用工程化的钙调磷酸酶信号通路，过表达来自Beauveria bassiana的外源性CNB基因来调节细胞耐受性。第三，在高浓度的WXML下进行发酵，以在低pH控制下使用Na2一氧化碳3。最后，我们使用一种新的直接水相晶体（DAPC）方法从酸性发酵液中回收MA晶体。本文讨论了用Na2一氧化碳3在中性条件下使用 CaCO3控制并提出了一种工业上可行的无钙固废CaSO的MA回收工艺4.特别是，本研究中展示的过程增加了PMA和L-MA在非废物处理系统中商业化的可行性，并为木质纤维素生物精炼厂提供绿色和可持续的路线，用于大规模生物聚合物和羧酸生产。