通过途径基因过表达工程化构建高产核黄素枯草芽孢杆菌及其发酵工艺优化

本研究针对化学法合成吡哆醇(PN)存在的环境污染问题，开发了基于DO-stat限制性混合碳源补料与两阶段压力控制发酵的整合策略。通过优化培养基组分(CRS-67)使摇瓶PN产量提升75.5%，在5-L生物反应器中实现142.8的OD600和3.33 g/L的PN产量，创下微生物法生产维生素B6的最高记录，为绿色生物制造提供了可规模化推广的解决方案。

　　

维生素B₆作为重要的辅酶因子，在医药、食品和化妆品领域具有广泛应用。其中吡哆醇(Pyridoxine, PN)是维生素B₆的主要商业形式，目前主要依赖化学合成法生产，存在高原料消耗、复杂工艺和严重环境污染等问题。微生物发酵法作为绿色替代方案备受关注，但存在生物量低、产量有限等瓶颈，制约其工业化应用。

针对这些挑战，研究人员在《Technical Innovations》发表了创新性研究成果。该研究采用DO-stat限制性混合碳源补料技术，结合两阶段压力控制发酵条件（0-24小时0.1 bar，24小时后0.2 bar），并通过Taguchi设计优化培养基配方。使用工程化大肠杆菌(Escherichia coli)菌株TZ03，在5-L生物反应器中开展系统发酵优化实验。

研究结果显示，DO-stat补料策略能动态调节氧气和碳源供应，实现70.5的OD₆₀₀和1.116 g/L的PN产量。通过单因素和正交实验优化获得的CRS-67培养基，使摇瓶PN产量达到639.99±21.48 mg/L，较CS培养基提高275 mg/L。压力控制实验表明，0.2 bar压力条件下PN产量最高（3.09 g/L），而0.4 bar则产生抑制效应。

最终采用两阶段压力控制策略，在5-L生物反应器中实现了142.8的OD₆₀₀和3.33 g/L的PN产量，生产率达到45.0 mg/L/h，最高生产率达111.8 mg/L/h。这一产量较文献报道最高水平（2.12 g/L）提高57%，创造了微生物法生产维生素B₆的新纪录。

该研究的创新性在于首次将DO-stat限制性混合碳源补料与压力控制发酵相结合，系统解决了PN生物合成中的细胞生长限制和氧传递效率问题。通过培养基组分优化（FeSO₄、MnSO₄、酵母提取物和蛋白胨的协同调控）和发酵参数精确控制，实现了代谢通量的优化重排。

研究结论表明，这种整合策略能有效协调细胞生长与PN生物合成的代谢平衡，防止底物积累和代谢抑制。两阶段压力控制根据微生物代谢的相位依赖性氧需求动态调节氧供应，显著提高了PN生产效率和细胞生长。该技术为维生素B₆的工业生物制造提供了可靠且可扩展的工艺方案，对推动绿色生物制造产业发展具有重要意义。