壳聚糖-聚乙烯醇固定化细胞在生物转化合成烟酸中的应用

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1598

化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (05): 2413-2420.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1598

壳聚糖-聚乙烯醇固定化细胞在生物转化合成烟酸中的应用

龙华¹(),龚劲松²,刘清华¹,李自云¹,史劲松²,许正宏²()

1. 山东昆达生物科技有限公司，山东临沂 276400
2. 糖化学与生物技术教育部重点实验室，江南大学药学院，江苏无锡214122

收稿日期:2018-08-06 修回日期:2018-11-07 出版日期:2019-05-05 发布日期:2019-05-05
通讯作者: 许正宏
作者简介:<named-content content-type="corresp-name">龙华</named-content>（1979—），男，工程师，主要研究方向为生物化工及工业生物催化。E-mail：<email>longhua@hongdabio.com</email>。|许正宏，工学博士，教授，主要从事生物催化及发酵工程研究开发。E-mail：<email>zhenghxu@jiangnan.edu.cn</email>。
基金资助:
国家自然科学基金(21406088);山东省重点研发计划（重大关键技术）(2016ZDJS07B08);山东省西部人才支持计划(2017GRC5217)

Application performance of chitosan-PVA immobilized cells in the biocatalytic synthesis of nicotinic acid

Hua LONG¹(),Jinsong GONG²,Qinghua LIU¹,Ziyun LI¹,Jinsong SHI²,Zhenghong XU²()

1. Shandong Kunda Biotechnology Co., Ltd., Linyi 276400, Shandong, China
2. Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Pharmaceutical Sciences, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China

Received:2018-08-06 Revised:2018-11-07 Online:2019-05-05 Published:2019-05-05
Contact: Zhenghong XU

摘要/Abstract

摘要：

传统的腈水解酶游离催化剂在腈类化合物生物转化过程中存在易失活、稳定性低、重复利用率不高等特点，本研究采用复合固定方式对基因工程腈水解酶进行固定化以期提升其应用性能。通过固定化壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）作为包埋材料，获得了具有高机械强度和酶活性的固定化细胞。初步探究了固定化聚乙烯醇和壳聚糖的浓度及固定剂的优选条件，分别为80g/L的PVA、40g/L的壳聚糖及60g/L三聚磷酸钠的饱和硼酸溶液；与游离细胞相比，固定化细胞的热稳定性和贮藏稳定性均显著提高，可增加约2倍；在525min的转化时间内，采用底物流加模式可转化合成烟酸208g/L。本文为复合固定化催化剂在腈化合物生物转化及烟酸合成中的应用奠定了坚实基础。

关键词: 固定化细胞, 生物转化, 腈水解酶, 腈化合物

Abstract:

The free nitrilase enzymes are usually easy to be inactivated in the biotransformation reaction of nitriles; and they showed poor stability and low reuse ratio. All of those would lead to high production costs. In this study, the combination immobilization of resting cells was employed to improve the application performance of nitrilase. Chitosan and polyvinyl alcohol were selected for encapsulation experiments, and the moderate residual activity and mechanical strength were observed. The immobilization conditions include the concentration of polyvinyl alcohol and chitosan, as well as immobilization reagents, which were preliminarily optimized. Results showed that 80g/L of polyvinyl alcohol, 40g/L of chitosan, and saturated boric acid solution containing 60g/L of sodium tripolyphosphate were the optimal immobilization conditions. Compared with free cells, the thermal stability and storage stability of immobilized cells were improved significantly. The 3- cyanopyridine bioconversion was carried out by feeding batch reaction with immobilized cells. Finally, 208g/L of nicotinic acid was obtained through 525min of conversion, and the results laid the foundation for the practical application of nicotinic acid bioproduction.

Key words: immobilized cells, biotransformation, nitrilase, nitrile compounds

中图分类号:

Q814

龙华, 龚劲松, 刘清华, 李自云, 史劲松, 许正宏. 壳聚糖-聚乙烯醇固定化细胞在生物转化合成烟酸中的应用[J]. 化工进展, 2019, 38(05): 2413-2420.

Hua LONG, Jinsong GONG, Qinghua LIU, Ziyun LI, Jinsong SHI, Zhenghong XU. Application performance of chitosan-PVA immobilized cells in the biocatalytic synthesis of nicotinic acid[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(05): 2413-2420.

图/表 12

参考文献 17

1	BANERJEE A , SHARMA R , BANERJEE U C . The nitrile-degrading enzymes: current status and future prospects [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2002, 60: 33-44.
2	BHALLA T C , KUMAR V , THAKUR N , et al . Nitrile metabolizing enzymes in biocatalysis and biotransformation[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2018, 4: 1-22.
3	GONG J S , SHI J S , LU Z M , et al . Nitrile-converting enzymes as a tool to improve biocatalysis in organic synthesis: recent insights and promises[J]. Critical Reviews in Biotechnology, 2017, 37(1): 69-81.
4	SCHMID A , DORDICK J ,S, HAUER B , et al . Industrial biocatalysis today and tomorrow[J]. Nature, 2001, 409:258-266.
5	MARTINKOVA L , KREN V . Biocatalytic production of mandelic acid and analogues: a review and comparison with chemical processes[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2018, 102: 3893-3900.
6	LIU Z Q , LU M M , ZHANG X H , et al . Significant improvement of the nitrilase activity by semi-rational protein engineering and its application in the production of iminodiacetic acid[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 116:563-571.
7	DIAS J , REZENDE R , LINARD V . Bioconversion of nitriles by Candida guilliermondii CCT 7207 cells immobilized in barium alginate[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2001, 56: 757-761.
8	LIU Z Q , ZHOU M , ZHANG X H , et al . Biosynthesis of iminodiacetic acid from iminodiacetonitrile by immobilized recombinant Escherichia coli harboring nitrilase[J]. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 2012, 22: 35-47.
9	MAKSIMOVA Y G , VASILYEV D M , OVECHKINA G V , et al . Transformation of 2- and 4-cyanopyridines by free and immobilized cells of nitrile-hydrolyzing bacteria[J]. Applied Biochemistry and Microbiology, 2013, 49: 347-351.
10	KABAIVANOVA L V , CHERNEV G E , SALVADO I M M , et al . Silica-carrageenan hybrids used for cell immobilization realizing high-temperature degradation of nitrile substrates[J]. Central European Journal of Chemistry, 2011, 9: 232-239.
11	GONG J S , LI H , LU Z M , et al . Engineering of a fungal nitrilase for improving catalytic activity and reducing by-product formation in the absence of structural information[J]. Catalysis Science & Technology, 2016, 6: 4134-4141.
12	KAUL P , BANERJEE A , BANERJEE U C . Stereoselective nitrile hydrolysis by immobilized whole-cell biocatalyst[J]. Biomacromolecules, 2006, 7: 1536-1541.
13	KUMAR S , MOHAN U , KAMBLE A L , et al . Cross-linked enzyme aggregates of recombinant Pseudomonas putida nitrilase for enantioselective nitrile hydrolysis[J]. Bioresource Technology, 2010, 101: 6856-6858.
14	LIU Z Q , LU M M , ZHANG X H , , et al . Significant improvement of the nitrilase activity by semi-rational protein engineering and its application in the production of iminodiacetic acid[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 116: 563-571.
15	ZHANG X H , LIU Z Q , XUE Y P , et al . Nitrilase-catalyzed conversion of (R,S)-mandelonitrile by immobilized recombinant Escherichia coli cells harboring nitrilase[J]. Biotechnology and Applied Biochemistry, 2016, 63: 479-489.
16	ZHANG Z J , PAN J , LI C X , et al . Efficient production of (R)-(−)-mandelic acid using glutaraldehyde cross-linked Escherichia coli cells expressing Alcaligenes sp. nitrilase[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2014, 37: 1241-1248.
17	ZHANG J F , LIU Z Q , ZHANG X H , et al . Biotransformation of iminodiacetonitrile to iminodiacetic acid by Alcaligenes faecalis cells immobilized in ACA-membrane liquid-core capsules[J]. Chemical Papers, 2014, 68: 53-64.

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固定方式	机械强度^①	残留酶活^②/%
游离细胞	-	100.00±1.49
壳聚糖-PVA	+++	51.78±3.20
海藻酸钠-PVA	+	54.08±4.08
壳聚糖-海藻酸钠	++	44.84±3.05

固定方式	机械强度^①	残留酶活^②/%
游离细胞	-	100.00±1.49
壳聚糖-PVA	+++	51.78±3.20
海藻酸钠-PVA	+	54.08±4.08
壳聚糖-海藻酸钠	++	44.84±3.05

[1]	赵婧, 王盼, 刘彦楠, 傅荣湛, 段志广, 范代娣. 人参皂苷的定向生物转化研究进展[J]. 化工进展, 2021, 40(3): 1238-1247.
[2]	王冬祥, 王晨, 王世杰, 徐桂转, 常春. 粗甘油高值化利用研究现状及发展趋势[J]. 化工进展, 2020, 39(8): 3041-3048.
[3]	李彬, 王雪, 姜爽, 张天永, 杨靓怡, 王景超, 邵笑, 马骁媛. 高附加值萘二酚类中间体的合成与应用进展[J]. 化工进展, 2019, 38(04): 1903-1912.
[4]	王凯, 贺明丽, 王梦, 谭天伟. 以CO₂为原料的绿色生物制造[J]. 化工进展, 2019, 38(01): 538-544.
[5]	李刚, 李恒, 陆震鸣, 李会, 龚劲松, 许正宏, 史劲松. 亚麻刺盘孢表面磁纳米修饰及其羟化去氢表雄酮[J]. 化工进展, 2017, 36(11): 4194-4199.
[6]	李晓姝, 张霖, 高大成, 师文静, 樊亚超. 发酵法生产1,3-丙二醇的研究进展[J]. 化工进展, 2017, 36(04): 1395-1403.
[7]	龚劲松, 李恒, 杨涛, 钱建瑛, 陆震鸣, 许正宏, 史劲松. 表面活化甲壳素固定化Gibberella intermedia生物转化制备异烟酸[J]. 化工进展, 2015, 34(10): 3731-3736.
[8]	付敏杰1，聂尧1，穆晓清1，徐岩1，2，肖荣3. 新型异亮氨酸双加氧酶及其重组大肠杆菌合成羟基异亮氨酸[J]. 化工进展, 2014, 33(11): 3037-3044.
[9]	杨振兴，陶志成，何玉财，王利群，张跃，邢震，龚磊，潘雪鹤. 红球菌CCZU10-1选择性氧化拆分外消旋苯甲亚砜的性能[J]. 化工进展, 2014, 33(10): 2744-2747.
[10]	马强强，赵广荣. 左旋多巴合成研究进展[J]. 化工进展, 2013, 32(06): 1367-1371.
[11]	李会静1，于炜婷2，戴小敏1，刘袖洞1，马小军2. 微生物转化生产2-苯乙醇的原位产物转移技术研究进展[J]. 化工进展, 2012, 31(03): 633-638.
[12]	肖雅琴，陈国，陈宏文，方柏山. 3-羟基丙醛制备工艺的最新研究进展 [J]. 化工进展, 2009, 28(5): 836-.
[13]	粟桂娇，刘雄民，朱萍，陈敏，莫祺红. 反式茴脑生物降解菌株的筛选及其生物转化 [J]. 化工进展, 2009, 28(1): 141-.
[14]	王龙耀，王岚. 生物转化过程中的膜分离技术 [J]. 化工进展, 2008, 27(6): 804-.
[15]	陆军，张伟国. 两相体系生物转化L-苯丙氨酸生成2-苯乙醇 [J]. 化工进展, 2008, 27(3): 417-.

壳聚糖-聚乙烯醇固定化细胞在生物转化合成烟酸中的应用

Application performance of chitosan-PVA immobilized cells in the biocatalytic synthesis of nicotinic acid

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