应用生物利用度探索浊点系统中萃取微生物转化的机理

萃取生物转化是增加难溶性底物反应速度、解除底物/产物对生物催化剂抑制、排出产物被生物催化剂进一步降解的重要手段。浊点系统中萃取微生物转化是我们开发的一种新型介质工程方法。在研究了浊点系统中生物相容性的基础上，本立题将系统地研究浊点系统中有机化合物的生物利用度。生物利用度不但是探索浊点系统中萃取微生物转化机理的理论基础，同时研究浊点系统中生物利用度的影响因素也将为浊点系统应用于萃取生物转化的系统选择和条件优化提供理论指导。具体地，本立题将研究有机化合物在表面活性剂胶束溶液和浊点系统中的增溶规律，采用剂量－响应分析方法测定增溶于表面活性剂胶束和浊点系统凝聚层相的有机化合物的生物利用度。考察浊点系统中影响生物利用度的关键因素，进一步指导浊点系统中萃取生物转化2－苯乙醇的系统选择和条件优化。

表面活性剂胶束能够增加不溶或微溶有机化合物在水溶液中的溶解度。微生物能否直接利用增溶在胶束结构中的有机化合物一直存在争议。本立题通过测定表面活性剂胶束溶液中有机化合物对微生物的生物毒性来测定增溶在胶束中有机化合物的生物利用度。实验结果表明：微生物不能直接利用增溶在胶束结构中的有机化合物。同时批驳支持微生物直接利用增溶在胶束中的有机化合物的两种主要观点，阐明了表面活性剂胶束能够加快水难溶性有机化合物的生物降解或生物转化的原因在于增溶在胶束中的有机化合物的生物可及性而不是生物利用度。. 微生物不能直接利用增溶在胶束中的有机化合物（生物利用度为零）是应用表面活性剂胶束溶液或浊点系统进行萃取发酵的理论基础。胶束增溶解除了底物、产物对微生物（酶）的抑制作用，同时也解除了产物被微生物进一步降解。实验表明：在酶促糖化木质纤维素生产发酵糖的过程中，木质纤维素的木质素组分增溶在表面活性剂胶束结构中从而解除了木质素对纤维素酶的抑制作用，加快了木质纤维素的水解，同时提高酶促水解木质纤维素的最终发酵糖浓度。. 增溶在胶束中有机化合物的生物利用度为零不但可以应用于萃取发酵胞外产物，而且我们发现也可以应用于微生物胞内产物的萃取发酵。在表面活性剂胶束溶液的萃取发酵胞内产物的过程中，胶束对胞外发酵产物的增溶作用显著降低了胞外表面活性剂胶束溶液中水溶液相的产物浓度，从而增加了产物在细胞内外的浓度差，改变了产物在细胞内外的分配。以微生物发酵胞内红曲色素为例，在表面活性剂胶束溶液中，成功地实现了胞内红曲色素的萃取发酵，从而解除了产物的抑制与降解，进一步实现了高细胞浓度、高产物浓度和高反应速率的红曲色素萃取发酵。. 特别有意思的是在应用表面活性剂胶束溶液萃取发酵胞内红曲色素的过程中，我们发现胶束的增溶作用不但改变了红曲色素在细胞内外的分配，而且调控次级代谢产物红曲色素的组成。在极端pH条件下，常规液态发酵产生胞内红曲橙色素，而萃取发酵产生红曲黄色素。这一新发现为利用非基因操作手段调控微生物的次级代谢提供了一种新途径。在食品等基因工程产品敏感的应用领域具有重要应用价值，希望将来有机会开展相关研究。