一种更环保的可持续性生产工艺：利用木质纤维素生物质生产γ-PGA

γ-PGA的微生物合成

糖酵解、磷酸戊糖途径、三羧酸循环、氨基酸代谢和谷氨酸合成都参与γ-PGA生物合成。谷氨酸是γ-PGA生物合成的前体，它是通过2-氧代戊二酸的三羧酸循环产生的。枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌是重要的产γ-PGA物种，可以使用独特的GS-GOGAT循环在体内产生谷氨酸。γ-PGA的合成以核糖体非依赖性的方式发生，其中严格调节的多酶系统在四个不同的阶段作用于谷氨酸前体：外消旋、聚合、调节和降解。

一些L-谷氨酸首先通过外消旋反应转化为D-谷氨酸，直接通过谷氨酸外消旋酶或D-氨基酸氨基转移酶间接转化。然后，L-谷氨酸和D-谷氨酸单体通过膜相关酶复合物γ-PGA合成酶从细胞质转移到细胞膜。Pgs负责将谷氨酸单体组装成γ-PGA，由四基因操纵子和γ-PGA释放基因编码。该复合物已被确定为芽孢杆菌物种中γ-PGA微生物合成的独特机制。

图 1.从各种己糖和戊糖中产生γ-PGA的生物合成途径

木质纤维素γ-PGA生产工艺

图 2.通过浸没发酵（SmF）生产γ-PGA的工艺流程

图 3.通过固态发酵（SSF）生产γ-PGA的工艺流程

木质纤维素γ-PGA产率

原料和预处理策略

一些木质纤维素生物质（LCB）已被用作γ-PGA生产的原料，包括农业副产品、林业副产品、工业废物和食品加工副产品（表2)。所选择的原料主要影响产量和生产成本，主要体现在LCB的购置成本、糖成分和加工成本方面。LCB通常被认为是一种丰富、低成本和可再生的原料，使其对生物精炼工艺具有吸引力。对于大多数研究，大约40-70%的LCB由聚合糖组成（表2）。此外，使用LCB可以降低约85%的γ-PGA生产成本，因为这些原料具有高糖成分，并且大多是副产品或废物，购置成本很少甚至为零。

木质纤维素生物质预处理方法分为物理、化学、生物或联合处理（图3），预处理能够选择性地回收木质纤维素成分，并改善微生物和酶作用的可及性（图4），最常见的方法是应用物理化学预处理以促进生物质的解构，然后进行酶促糖化（表2）。预处理策略的选择取决于生物量组成、预处理的目标以及用于发酵的微生物菌株的代谢能力。

图 4.普遍报道的木质纤维素生物质预处理技术

产γ-PGA菌株的代谢能力

γ-PGA主要由枯草芽孢杆菌属的细菌种类产生，如枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、淀粉芽孢杆菌，所使用的微生物菌株可以影响木质纤维素γ-PGA的产生。枯草芽孢杆菌菌株ZJU-7经过测试和优化，用于木糖分批发酵γ-PGA。肉汤的产量和产率分别约为28.15 g/L γ-PGA和0.74 g/L/h。使用含多种糖的底物的进一步研究结果为24.92 g/L，淀粉样淀粉B.淀粉碎机C1也表现出通过依次消耗混合物中的葡萄糖和木糖来产生γ-PGA的能力。菌株枯草芽孢杆菌NX-2可以从葡萄糖、木糖和阿拉伯糖中产生γ-PGA，但不能从半乳糖中产生（表3）。

木质纤维素生物质水解产物含有不同的碳源，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖。此外，生物质提取物可能含有相当量的果糖。因此，鉴定具有替代糖生物转化天然能力的菌株对于具有成本效益的木质纤维素γ-PGA生产是可取的。

使用葡萄糖作为碳源导致细胞密度略高，木糖比例越高，γ-PGA的产量越高。此外，当葡萄糖含量超过还原糖总量的一半时，γ-PGA的浓度没有显著变化。因此，在预处理过程中尽量减少半纤维素糖的损失是提高γ-PGA产量的关键。产γ-PGA菌株的遗传和代谢工程已被用于提高γ-PGA产量。代谢工程的主要目标包括加强原料利用、改善谷氨酸前体供应、增强γ-PGA合成酶基因簇的表达、防止γ-PGA降解以及删除副产物合成路线。

γ-PGA发酵参数

培养基成分、发酵方式、进料策略、反应器设计和生理条件等发酵条件也会影响γ-PGA的产量（表1）。尽管γ-PGA生产者的养分需求和培养基需求依赖于菌株，但碳源、氮源和无机盐是最常见的培养基成分，对γ-PGA生产有显著影响，并且通常通过统计方法进行优化以提高γ-PGA产量。木质纤维素生物质水解物的主要成分是还原糖。因此，有必要补充氮源以增加γ-PGA的产量。使用含氮量高的废弃木质纤维素材料提供了一种更便宜的氮源，可以降低介质成本。栽培条件，包括温度、pH值、接种物大小、溶解氧含量和初始水分（仅限SSF）也会影响γ-PGA产量。对于大多数γ-PGA生产商来说，30-37°C的温度、6.5-7.2的pH值、1-3 vvm的曝气、50%至65%的初始水分和200-300 rpm的搅拌速度是最佳的，γ-PGA发酵是一个有氧过程，需要大量的溶解氧（DO），特别是在肉汤粘度增加的后期阶段。

γ-PGA回收

γ-PGA的回收率取决于该化合物是细胞外产生还是细胞内产生。迄今为止研究的大多数菌株在细胞外产生γ-PGA，细胞外γ-PGA的主要回收步骤是：从培养液中分离细胞、从游离肉汤中沉淀出γ-PGA、透析以去除任何低分子量杂质、干燥纯化的γ-PGA以长期储存。发酵液的高粘度是影响γ-PGA回收纯化的关键瓶颈。高粘度会减慢离心过程中的沉降速度，并降低过滤过程中的跨膜流量，从而降低回收效率并增加生产成本，因此稀释发酵液和降低发酵液的pH值都是规避粘度挑战的有效方法。

总  结

1. 生产过程：γ-PGA的生产主要通过浸没发酵（SmF）和固态发酵（SSF）两种方式实现，涉及到生物质的预处理、酶促糖化、微生物菌株的选择与培养、发酵以及γ-PGA的回收和纯化。

2. 影响因素：原料的选择、预处理策略、微生物菌株的代谢能力、发酵条件以及γ-PGA的回收方法对生产效率和产率具有显著影响。

3.产率与成本：研究表明，SmF和SSF的γ-PGA产量范围较广，这与多种因素相关。使用木质纤维素生物质（LCB）作为原料可以显著降低生产成本。

4. 技术挑战：发酵液的高粘度是γ-PGA回收过程中的一个关键技术挑战，但通过稀释和调节pH值可以有效解决这一问题。

5.未来方向：为了提高γ-PGA的生产效率和降低成本，未来的研究应集中在优化原料利用、增强谷氨酸前体供应、提升合成酶活性、防止γ-PGA降解以及通过代谢工程改善菌株性能等方面。