重组酵母发酵液中α-蒎烯的原位微萃取吸附技术开发与机制解析

【编辑推荐】针对α-蒎烯（α-pinene）发酵过程中高细胞毒性和挥发性导致的分离难题，大连理工大学团队创新性开发了固液相微萃取吸附（SLPMA）技术。通过将肉豆蔻酸异丙酯（IPM）嵌入聚苯乙烯骨架制备PS-IPM树脂，实现了α-蒎烯57.9倍的相间富集，回收率达95.82%，并显著缓解产物抑制效应。该研究为生物基化学品分离提供了新范式。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，生物合成的高附加值化合物成为研究热点。α-蒎烯（α-pinene）作为最具代表性的单萜类物质，不仅是松节油的主要成分（含量超80%），其二聚体经环化加氢后体积能量密度更与航空燃油JP-10相当，被誉为新一代生物航油候选。然而，这种极具潜力的化合物在微生物发酵生产中面临两大瓶颈：一是其强细胞毒性会显著抑制宿主（如酵母）的代谢活性；二是传统分离方法难以高效回收这种高挥发性物质。目前研究多聚焦于菌株改造提升产量，而对下游分离过程的探索几乎空白，这严重制约了其工业化进程。

针对这一挑战，大连理工大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表了一项突破性研究。他们首创性地将固液相微萃取吸附（Solid-Liquid Phase Microextractive Adsorption, SLPMA）技术应用于α-蒎烯发酵体系，通过将萃取剂原位固定于多孔材料，实现了产物高效回收与细胞生长的协同促进。该技术不仅使α-蒎烯在树脂相富集度达到发酵液的57.9倍，更将传统萃取发酵系统的浓度提升2.3倍，最终获得95.82%的回收率，同时有效解除了产物抑制效应。

研究团队采用悬浮聚合法将六种候选萃取剂（IPM、DBP等）嵌入聚苯乙烯（PS）骨架，制备出兼具吸附与萃取功能的复合材料。通过FTIR、SEM、BET比表面积分析和TGA等技术对材料进行系统表征，结合量子化学计算揭示作用机制。发酵实验采用重组酵母Saccharomyces cerevisiae Pi66（通过引入α-pinene synthase Pt30等基因构建），在3-L生物反应器中验证工艺效能。

材料表征与筛选
PS-IPM树脂以41.39 wt%的IPM负载量展现最佳性能，其比表面积达21.35 m²/g，平均孔径12.79 nm。FTIR证实IPM成功固定在PS骨架上，TGA显示材料在200°C以下保持稳定。相较于游离IPM，固定化设计使萃取界面面积扩大4.5倍，诱导产生微萃取效应。

发酵性能提升
在延迟24小时添加树脂的策略下，细胞密度（OD₆₀₀）提升至对照组的4.5倍。PS-IPM使发酵液中α-蒎烯浓度达到1.8 g/L，同时树脂相富集浓度达104.1 g/L。这种"吸附-萃取"协同作用使产物抑制常数（K_i）降低57.9%。

分离纯化效能
该树脂对无机盐、色素和蛋白的去除率均超98%。经过5次循环使用后，吸附容量仅下降7.3%，显示优异稳定性。量子化学计算表明，α-蒎烯与IPM间的范德华力（-26.8 kJ/mol）是分离的主要驱动力。

这项研究的意义在于三方面突破：技术层面，首创的SLPMA技术通过微萃取效应解决了生物基化学品分离的界面面积限制；理论层面，阐明了固定化萃取剂的多尺度作用机制；应用层面，为其他产物抑制型发酵体系（如丁醇、乳酸）提供了普适性解决方案。正如通讯作者Zhilong Xiu教授指出，该技术将萃取与吸附的优势有机结合，其"原位分离-解除抑制-促进合成"的闭环设计理念，为生物制造过程的强化提供了新思路。