利用酱油制造业副产品酱油油微生物合成聚羟基脂肪酸酯的生物塑料生产研究

《Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry》：Microbial production of polyhydroxyalkanoate from soy sauce oil, a byproduct of soy sauce manufacturing

本研究针对生物塑料原料可持续性问题，探索了利用酱油副产品酱油油作为碳源，通过Cupriavidus necator菌株合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的新途径。实验结果表明，野生型菌株可产生63.7 wt%的P(3HB)，重组菌株可合成含7-8 mol% 3HHx的P(3HB-co-3HHx)，其热力学性质与商品化PHAs相当。该研究为食品工业副产物高值化利用提供了创新方案，对推动循环经济发展具有重要意义。

　　

随着全球塑料污染问题日益严重，开发可替代石油基塑料的环境友好材料迫在眉睫。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)作为一种由微生物合成的生物降解塑料，因其良好的生物相容性和可降解性而备受关注。目前，日本Kaneka公司已实现年产2万吨PHAs的工业化生产，但原料多依赖棕榈油等植物油，存在与粮食生产竞争的问题。因此，寻找可持续、低成本的替代原料成为该领域的研究热点。

在这项发表于《Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry》的研究中，日本岩手大学等机构的研究团队另辟蹊径，将目光投向酱油制造业的副产品——酱油油。酱油在生产过程中会产生约0.5%的油脂副产品，其主要成分与大豆油不同，是由微生物发酵产生的脂肪酸乙酯。全球酱油年产量约70万吨，可产生相当数量的酱油油，目前主要用作工业肥皂和油漆原料，其高值化利用潜力尚未充分挖掘。

研究人员采用工业常用的PHA生产菌株Cupriavidus necator H16及其重组菌株PHB^-4，在含1.5 wt%酱油油的氮限制矿物盐培养基中进行培养。通过系统优化培养条件，详细分析了菌株生长、PHA产量、聚合物组成及材料性能等关键指标。

关键技术方法包括：采用气相色谱(GC)分析PHA含量和单体组成；通过核磁共振(¹H NMR)鉴定聚合物化学结构；利用凝胶渗透色谱(GPC)测定分子量；使用差示扫描量热法(DSC)分析热力学性质；通过GC-MS对酱油油成分进行定量分析。

结果

P(3HB)生产性能

C. necator H16在酱油油培养基中培养4天时达到最佳生产状态，P(3HB)含量和产量分别为63.7±2.45 wt%和2.3±0.17 g/L。培养至第5天时，细胞干重和PHA产量均出现下降，表明4天为最佳收获期。脂肪酸乙酯消耗分析显示，菌株能均衡利用各类乙酯成分。

P(3HB-co-3HHx)合成特性

重组菌株C. necator PHB^-4携带A. caviae来源的PHA合酶基因(phaC_Ac)，培养3天时P(3HB-co-3HHx)含量和产量分别达到46.3±10.9 wt%和2.0±0.5 g/L。3HHx摩尔分数稳定在7.1-8.0 mol%，这一比例与使用植物油时的结果相当，表明酱油油同样适用于共聚物的合成。

材料性能表征

GPC分析显示，P(3HB)的分子量(M_w=6.16×10⁵, M_n=3.26×10⁵)与商品化产品相当。P(3HB-co-3HHx)的分子量(M_w=1.03×10⁵, M_n=3.58×10⁴)略低，但符合应用要求。DSC测定表明，P(3HB)的玻璃化转变温度(T_g)和熔点(T_m)分别为1.9℃和171.5℃，而P(3HB-co-3HHx)的T_g和T_m分别为-2.4℃和144.4℃，3HHx单体的引入有效改善了材料的加工性能。

讨论与结论

本研究首次证实酱油油可作为C. necator合成PHAs的有效碳源。尽管PHA积累量略低于传统植物油，但生产效率相近，且合成的P(3HB-co-3HHx)具有适宜的商业化应用特性。特别值得注意的是，酱油油中的脂肪酸乙酯成分能被菌株有效利用，这为新型碳源的开发提供了新思路。

研究还发现酱油油中含有微量氮元素(0.028 w/w%)，这可能促进细胞生长但抑制PHA积累，未来需通过优化培养条件进一步提高产量。此外，酱油油作为食品工业副产品，其利用不仅降低了PHA生产成本，更实现了废物的资源化利用，符合循环经济理念。

该研究为生物塑料生产开辟了新的原料途径，未来通过发酵工艺优化和代谢工程改造，有望实现酱油油到高性能生物塑料的高效转化，推动塑料工业的可持续发展。