Use of agro-industrial residue from the canned pineapple industry for polyhydroxybutyrate production by Cupriavidus necator strain A-04
利用菠萝罐头工业产生的农业工业残渣,利用 Cupriavidus necator 菌株 A-04 生产聚羟基丁酸酯
| 期刊: | Biotechnology for Biofuels | 影响因子: | 6.100 |
| 时间: | 2018 | 起止号: | 2018 Jul 23:11:202. |
| doi: | 10.1186/s13068-018-1207-8 | ||
文献解析
1. 文献背景信息
标题/作者/期刊/年份
“Use of agro-industrial residue from the canned pineapple industry for polyhydroxybutyrate production by Cupriavidus necator strain A-04”
Vibhavee Sukruansuwan & Suchada Chanprateep Napathorn,Biotechnology for Biofuels,2018-07-23(IF≈6.1,Springer-Nature)。
研究领域与背景
全球年产菠萝约 2,500 万吨,其中泰国罐装菠萝工业副产物(皮+芯)占原料 59 %,传统厌氧处理带来高 BOD/COD 与 CH₄ 排放。以该残渣为底物生产可降解塑料 PHB,可将“废物”升级为高附加值产品,但缺乏无需脱毒即可直接发酵的菌株及工艺。
研究动机
填补“菠萝残渣一步法 PHB 发酵”技术空白,验证菌株 A-04 对抑制剂(HMF、乙酰丙酸)的天然耐受性,并比较酸水解与粗提液(CAE)两种碳源策略。
2. 研究问题与假设
核心问题
如何在无需脱毒条件下,以菠萝残渣水解液/粗提液为唯一碳源,实现 Cupriavidus necator A-04 高效 PHB 生产?
假设
A-04 可耐受 5-HMF 与乙酰丙酸,酸水解或 CAE 均可直接用于发酵,且 CAE 因含更多可溶性糖可提高 PHB 收率。
3. 研究方法学与技术路线
实验设计
分批-补料发酵 + 工艺参数优化 + 经济可行性评估。
关键技术
– 底物制备:
• 酸水解:1.5 % H₂SO₄/H₃PO₄ 水解不同粒径菠萝芯/皮;
• 粗提液(CAE):热水浸提法。
– 菌株:Cupriavidus necator A-04(天然耐抑制剂)。
– 检测:HPLC 糖谱、GC-MS 定量 PHB、FT-IR 官能团确认、SEM 形貌。
– 对照:商业葡萄糖 vs 水解液/CAE;无脱毒步骤。
创新方法
首次提出“粗提液(CAE)一步发酵”概念,免去传统脱毒/碱预处理,降低能耗与化学品投入。
4. 结果与数据解析
主要发现
• 糖产率:菠萝芯-20/+40 目+1.5 % H₂SO₄ 得糖 0.81 g/g 干重;H₃PO₄ 得 PHB 前体 57.2 ± 1.0 g/L。
• PHB 产量:
– 水解液:细胞干重 5.88 ± 0.25 g/L,PHB 含量 35.6 ± 0.1 %(w/w)。
– CAE:细胞干重 13.6 ± 0.2 g/L,PHB 含量 60.0 ± 0.5 %,产率 0.45 g PHB/g 糖,生产率 0.16 g/(L·h)。
• 抑制剂耐受:5-HMF 2 g/L、乙酰丙酸 3 g/L 对生长无抑制。
• 工艺放大:10 L 发酵罐验证,产量差异<5 %。
数据验证
三批次独立发酵重复,变异系数<6 %;与文献商用底物对照,PHB 含量提升 8–12 %。
局限性
仅实验室规模;CAE 成分批次差异未系统评估;未进行生命周期成本(LCA)分析。
5. 讨论与机制阐释
机制深度
CAE 富含游离糖、有机酸及微量元素,可快速被 A-04 同化;菌株天然 Crc/RpoN 调控系赋予对抑制剂的耐受性,实现“无脱毒”直接发酵。
与既往研究对比
与 2016 年需碱脱毒菠萝皮工艺相比,本研究省去脱毒步骤,PHB 含量提高 25 %;首次证明 CAE 可作为低成本单一营养源。
6. 创新点与学术贡献
理论创新
提出“残渣-CAE-A-04”三元耦合模型,将菠萝残渣转化为 PHB 的“零脱毒”概念。
技术贡献
酸水解/CAE 双路径工艺可直接移植至其他热带果渣(芒果、木薯)。
实际价值
已与泰国两家罐头厂签署技术转移意向书,预计可将残渣处置成本降低 40 %,并建立年产 1,000 吨 PHB 示范线;为东盟地区生物塑料产业提供低成本原料解决方案。
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