酪氨酸酚裂解酶固定化与转化条件优化

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L-酪氨酸是组成蛋白质的20种氨基酸之一,对人和动物的生长发育及新陈代谢具有重要的作用,广泛应用于食品、医药和日化等领域。以苯酚、氨和丙酮酸为底物,利用酪氨酸酚裂解酶(Tyrosine Phenol Lyase,TPL)可催化来生成L-酪氨酸,但目前酶法催化合成的效率仍待加强。固定化细胞技术具有可循环利用菌株、易于制备和分离等优势,结合全细胞催化方法,可以很大程度的减少酶的活力损失,从而实现高效合成目标产物和降低生产成本。为了更高效的合成L-酪氨酸,本文以重组大肠杆菌为研究对象,对全细胞催化的转化条件、固定化条件以及底物添加量进行了优化。主要研究结果如下:1)对固定化细胞催化合成L-酪氨酸过程中底物苯酚、氨、丙酮酸钠的浓度和辅酶磷酸吡哆醛(Pyridoxal Phosphate,PLP)的浓度进行优化。结果表明,在固定化细胞催化过程中,当苯酚浓度为0.08 mol·L-1,氯化铵为0.65 mol·L-1,丙酮酸钠为0.1 mol·L-1,辅酶磷酸吡哆醛的浓度为0.15μmol·L-1,反应时间为10 h时L-酪氨酸的总产量达到27.6g·L-1。在反应底物中添加表面活性剂(如曲拉通、吐温-80和十二烷基硫酸钠),对比三种表面活性剂对合成L-酪氨酸的影响,0.1%吐温-80对于L-酪氨酸的总产量有一定促进作用,比不添加任何表面活性剂提高了120%,L-酪氨酸总产量达到31.6 g·L-1。2)考察了几种常见的固定化载体及其浓度、固定化条件等对L-酪氨酸产量的影响。结果表明,当以海藻酸钠(4%)与明胶(6%)混合载体为载体,CaCl2(4%)为成型剂,添加碳酸钙(0.6%)作为辅助剂时,可以改变固定化细胞的稳定性从而提高固定化球的重复使用性,固定化细胞可重复利用9轮次,L-酪氨酸的总量达到62.6 g·L-1。由于磷酸盐会使得固定化细胞破碎和裂解,比较了不同金属离子对固定化球的耐磷酸程度。结果表明这四种金属离子对于固定化球耐磷酸盐程度为铝离子(29)锰离子(29)钙离子(29)镁离子,在硫酸铝的浓度为1%时,固定化细胞可重复利用12轮次,L-酪氨酸的总量达到115.6 g·L-1。3)为了提高底物的转化率,建立了反应体系回用-底物添加策略。对固定化细胞催化合成L-酪氨酸过程中的底物苯酚、丙酮酸钠和氯化铵的添加量进行优化。当苯酚的添加量为40 mmol·L-1、丙酮酸钠的添加量为75 mmol·L-1及氯化铵的添加量为65 mmol·L-1时,固定化细胞可重复利用16轮次,L-酪氨酸的总量为111.6 g·L-1,苯酚的转化率为90.7%,但整个转化过程中L-酪氨酸的积累呈上升后缓慢下降再急剧下降的趋势。因此,又对过程中不同轮次中的底物添加量进行了优化,结果表明底物在前5轮次保持上述添加量,再改变成苯酚的添加量改为50 mmol·L-1、丙酮酸钠的添加量为35 mmol·L-1及氯化铵的添加量为25 mmol·L-1时,固定化细胞可重复利用17轮次,L-酪氨酸的总量达到132.6 g·L-1,苯酚的转化率为87.2%。
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