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糖酸是重要的生物基平台化合物,以农林剩余物经生物转化制备糖酸具有工艺过程简单、产品得率高和生产效率高的优势,已经成为当前木质纤维素资源生物炼制的重要内容。同时,糠醛是木质纤维素生物炼制过程中产生的常见抑制物种类之一,糠醛的脱毒已经成为生物炼制抑制物脱毒的研究热点之一。结合封闭式通氧加压催化体系(COS-SSTR),氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans NL71)已被研究并应用于多种高附加值产品(木糖酸、二羟基丙酮、半乳糖酸钙等)的生产中。针对该菌株葡萄糖与木糖代谢不同步、2-酮基葡萄糖酸转化率低以及耐受抑制物的特点,系统研究了以玉米秸秆水解液为底物高效催化制取葡萄糖酸、木糖酸与2-酮基葡萄糖酸产品的调控催化技术与机理以及全细胞催化转化糠醛制取高附加值产品糠酸的生物转化生产工艺,进一步拓展了氧化葡萄糖酸杆菌在生物脱毒领域中的应用。主要研究结果如下:(1)采用稀硫酸预处理和纤维素酶水解工艺获得富含葡萄糖组分的玉米秸秆酶水解液与富含木糖的稀酸水解液。以玉米秸秆酶水解液替代山梨醇作为Gluconobacter oxydans NL71生长的碳源增殖细胞并联产葡萄糖酸,充分回收增殖细胞至稀酸水解液用于木糖酸的催化过程。采用分步细胞催化工艺,1 kg绝干玉米秸秆原料可以制得296.1 g葡萄糖酸和167.4 g木糖酸,糖酸产品总得率达到78.5%,在显著降低细胞增殖培养成本的同时,实现了氧化葡萄糖酸杆菌高效催化转化玉米秸秆水解液制取糖酸的工艺技术。(2)为了简化分步细胞催化工艺,针对Gluconobacter oxydans NL71催化葡萄糖和木糖的动力学差异,首次研究并提出二价锌离子选择性调控的细胞催化制取糖酸技术,分别在模拟液培养基以及酶水解液培养基中实现葡萄糖酸与木糖酸的同步高效转化,并结合荧光定量PCR(qRT-PCR)技术初步验证锌离子选择性调控机制。最终在模拟液培养基中一步法同步催化得到93.9%转化率的葡萄糖酸和93.4%的木糖酸;在玉米秸秆酶水解液中,以10 OD为初始接种量,催化得到96.3%转化率的木糖酸,78.9%葡萄糖酸和8.1%的2-酮基葡萄糖酸。基于转录组数据筛选受到二价锌离子选择性调控响应的8个关键脱氢酶基因,结合细胞周质脱氢酶体系、细胞催化脱氢反应动力学以及基因相对表达量差异多尺度综合解析认为:二价锌通过抑制负责催化葡萄糖酸转化至2-酮基葡萄糖酸的葡萄糖酸-2-脱氢酶基因(NL71GM001018)在转录过程中的表达从而抑制该酶的合成从而抑制2-酮基葡萄糖酸产物的形成,而负责催化木糖生成木糖酸的葡萄糖脱氢酶(NL71GM002051)活力保持。尽管葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖和木糖至相应糖酸的速率仍然存在差异,但保留了葡萄糖酸产物,进而最终实现细胞同步制取葡萄糖酸和木糖酸的效果。(3)以氧化葡萄糖酸杆菌催化转化制取高附加值产品2-酮基葡萄糖酸为目标,针对产品转化率低的问题,研究并提出过氧化氢调控的细胞催化制取2-酮基葡萄糖酸技术,在模拟液培养基中与玉米秸秆酶水解液中实现2-酮基葡萄糖酸产物转化率的提高。并结合qRT-PCR技术初步验证过氧化氢与玉米秸秆稀酸预处理降解产物调控机制。在模拟液培养基中,利用过氧化氢的调控作用将2-酮基葡萄糖酸产物的转化率提高了1.5倍;在玉米秸秆酶水解液中,将2-酮基葡萄糖酸产物的转化率提高了1.6倍。结合荧光定量PCR技术分析8个关键酶基因的表达量的差异,结合多尺度综合解析认为:过氧化氢的调控规律与二价锌离子调控规律相反,主要负责催化葡萄糖酸转化至2-酮基葡萄糖酸步骤的葡萄糖酸-2-脱氢酶(NL71GM001018)在转录阶段过表达,因而促进2-酮基葡萄糖酸的生产;在酶水解液体系中,8个关键酶基因的相对表达量均不同程度的上调,其中葡萄糖酸-2-脱氢酶基因上调至原始基因的9.7倍,从而促进了2-酮基葡萄糖酸的生产。(4)基于氧化葡萄糖酸杆菌细胞代谢转化糠醛等抑制物的能力,首次研究并建立了该菌株高效催化转化糠醛/糠醇制取糠酸的生物转化生产工艺,为糠酸的工业生产提供了新方法,并拓展了氧化葡萄糖酸杆菌细胞在生物脱毒领域中的应用潜力。在模拟液培养基中,选取碳酸钙作中和剂,以维持最适宜的细胞催化环境;添加适量浓度的辅助碳源葡萄糖与生长因子酵母粉YE,促进细胞的生长,积累细胞数量;以10 g/L糠醛为最高初始底物浓度,避免底物抑制与毒性作用;采用补料分批方式,催化转化39 g/L糠醛最终得到43.9 g/L糠酸;利用封闭式通氧加压(COS-SSTR)技术,在24 h内催化转化得到38.2 g/L的糠酸。综上所述,本论文利用锌离子、过氧化氢与酶水解液降解产物对氧化葡萄糖酸杆菌细胞催化代谢的调控作用,研究并建立了氧化葡萄糖酸杆菌全细胞高效催化玉米秸秆水解液制取葡萄糖酸、木糖酸和2-酮基葡萄糖酸的调控方法与制备工艺,并结合qRT-PCR技术初步探索并验证了调控机制,为木质纤维素生物炼制高附加值产品提供了方法参考与理论支撑;同时,建立了全细胞催化转化糠醛制取高附加值产品糠酸的生物转化生产工艺,实现了糠酸的高效生物转化,并进一步拓展了氧化葡萄糖酸杆菌在生物脱毒领域中的应用潜力。