真菌Talaromycesverruculosus可以直接从廉价的植物废料中生产化学物质赤异柠檬酸,因此具有工业应用价值。

一种真菌将纤维素直接转化为一种新型平台化学物质

耶拿的一个研究小组利用非转基因真菌的天然能力,发现了一种将纤维素高效转化为异柠檬酸的方法。这种新生产方法只需一个生物过程,就可以大大简化以前从纤维素中获取平台化学品的复杂多阶段过程。

由于这种新的经济有效的方法,大量使用的柠檬酸的很少使用的姊妹分子可以造福于可持续的循环经济——前提是存在市场。

该研究由莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所——汉斯克诺尔研究所(Leibniz-HKI)的研究团队在《ACS可持续化学与工程》杂志上发表。

柠檬酸和异柠檬酸是大多数生物体的天然代谢产物,是自然界中分布最广泛的酸之一。工业上利用黑曲霉大量生产柠檬酸。全球年产量约为280万吨,是产量最高的生物技术产品之一。

它的应用范围非常广泛:无论是作为除垢剂、防腐剂、护理产品还是增味剂——这种用途广泛的天然化学物质是工业中重要且廉价的添加剂,因为生物技术生产极其高效且简单。

从技术上讲,用柠檬酸生产生物塑料和生物燃料也是可行的。然而,由于柠檬酸是由糖制成的,因此与食品生产直接竞争,这些应用领域迄今为止既不经济也不可持续。事实上,柠檬酸的生产目前消耗了全球糖产量的1%以上。

异柠檬酸与柠檬酸非常相似,只有一个羟基位于不同的碳原子上。这使得分子不对称,并且有两种不同的变体,称为非对映体,称为苏式异柠檬酸和赤式异柠檬酸。每种非对映体都有两种镜像变体,即D型和L型。

柠檬酸和异柠檬酸的性质几乎相同,可以假设异柠檬酸的用途同样广泛。但事实并非如此,因为目前还没有一种有效的纯异柠檬酸生产工艺,因此它目前只能作为一种研究化学品。

目前,一公斤异柠檬酸的价格约为18,000欧元。然而,新的生产工艺能够利用植物废料和残留物(如稻草、废纸或木材残渣)进行可持续且廉价的生产,这使得未来生产异柠檬酸的成本甚至比柠檬酸更低。

到目前为止,使用此类可再生材料需要一个复杂的三阶段过程。首先需要昂贵的酶将纤维素酶解成糖,然后才能被微生物利用

一种真菌——一种工艺

一种很有前景的方法是所谓的整合生物处理(CBP),其中使用合适的微生物将各种工艺步骤合并为一个。新生物技术程序的明星是霉菌Talaromycesverruculosus。

在筛选测试中,第一作者IvanSchlembach发现,从自然界中分离出的野生型T.verruculosus可以将木质纤维素直接转化为赤藓糖醇,而且只需一个过程就能非常高效地转化,而在这个过程中,真菌本身会产生所需的所有酶。

研究人员在实验中确定了纤维素降解和异柠檬酸生成的理想条件,包括氮含量、pH值、温度和营养物浓度等因素。他们还开发了新方法,在发酵过程中精确测量纤维素酶的活性,而纤维素酶对于纤维素的降解至关重要。这样就可以对生产过程进行最佳控制。

MiriamRosenbaum是莱布尼茨-HKI生物试验工厂的负责人,也是耶拿弗里德里希席勒大学的合成生物技术教授。她解释说:“T.verruculosus具有独特的能力,能够以惊人的效率将木质纤维素直接转化为赤藓酸。

“它的转化率与葡萄糖的转化率相当,葡萄糖在实验室中用作发酵过程的起始材料。利用真菌,我们开发出了一种更简单、更便宜的工艺。”

产品寻求市场

异柠檬酸可以很容易地通过化学方法转化为衣康酸,而衣康酸在可持续塑料和涂料的生产中已经有很大的需求。如果赤式异柠檬酸很容易获得,那么就不会缺少客户。

然而,与任何新物质一样,也存在同样的障碍:由于赤异柠檬酸迄今为止尚未大量供应,因此必须首先建立它的市场。

现已开发出的成本显著降低的工艺开辟了新的可能性和应用。

另一个特殊之处是,该过程中只生成赤式异柠檬酸,而不是不同非对映体的混合物。这使得该分子在特殊应用领域(例如制药行业)特别有吸引力。

对于药物而言,通常只有一种非对映体有效,因此必须费力地从两种变体的混合物中分离出来。赤异柠檬酸可以作为化学合成中有价值的手性结构单元。

迄今为止,人们对赤式异柠檬酸的具体生物学特性研究甚少。然而,其姊妹分子苏式异柠檬酸已被证实具有许多有用的特性。

后者可以作为柠檬酸的宝贵添加剂,特别是在医疗、制药、化妆品或食品行业中,例如作为螯合剂、血液样本中的抗凝剂、功能性食品补充剂、化妆品中的成分、防腐剂或生活方式产品中的抗衰老化合物。

研究结果强调,诸如T.verruculosus之类的生物可以实现生物废物的可持续利用,并使利用可再生生物质生产有价值的化学品具有经济可行性。

“大自然拥有应对全球可持续发展挑战的巨大潜力。真菌T.verruculosus为低成本绿色技术奠定了基础,异柠檬酸也有许多工业用途。目前唯一缺少的是市场对新工艺的开放性,”IvanSchlembach强调道。

研究团队目前正在进一步优化该工艺,并阐明异柠檬酸形成过程中涉及的生化反应。通过改进生化参数,耶拿的研究人员希望为向可持续和资源高效的生物经济转型做出贡献。

未来,他们希望与感兴趣的工业合作伙伴合作,确定这项现已获得专利的工艺是否也能在市场上占有一席之地。