ε-聚赖氨酸生产关键技术研究

ε-聚赖氨酸（简称ε-PL）是由25～35个L-赖氨酸以α-COOH和ε-NH2相互脱水缩合而形成的一种同型氨基酸聚合物，主要由小白链霉菌经液态好氧发酵分泌产生。目前，ε-PL主要作为一种天然食品防腐剂，在日本、韩国、美国和中国等国家的食品工业中应用。由于它在抑菌谱、适用pH范围、水溶性和稳定性等方面，能够与乳酸链球菌素和纳他霉素等其他天然食品防腐剂形成有效互补，被认为是推动天然食品防腐剂替代化学食品防腐剂的关键品种。

近年来，以江南大学为主的高校及研究机构对ε-聚赖氨酸生产的关键技术进行了深入的研究。郑根成等（2016）借助基因组重排和核糖体工程两种育种手段强化ε-PL产生菌的合成能力，并利用pH冲击工艺评价不同碳源对ε-PL发酵的影响。赵俊杰等（2019）利用抗性筛选和基因组重排技术对S.albulusMZ18进行菌种选育以获得高产ε-聚赖氨酸菌株。通过引入巴龙霉素抗性到S.albulusM-Z18中，获得两株性状优良的菌株S.albulusP-1和S.albulusP-2，ε-聚赖氨酸产量分别为2.20 g/L和2.16 g/L；运用正交实验优化实验条件，最终获得一株高产ε-聚赖氨酸的融合子S.albulusG12，产量为2.73 g/L，相比M-Z18提高了70.63%。孙启星等（2015）为了解决ε-聚赖氨酸(ε-PL)补料分批发酵过程中后期ε-PL产率下降的问题，提出了在补料阶段利用调节pH值和流加有机氮源(酵母粉)两种手段来提高ε-PL产率，实现ε-PL平均产率分别达到4.62 g/(L·d)和5.16 g/(L·d)，较未调控补料分批发酵 (典型补料分批发酵)分别提高了27.3%和42.15%；同时，实现ε-PL产量分别达到36.95 g/L和41.32 g/L，较未调控补料分批发酵分别提高了27.4%和42.48%。进一步细胞活性染色和关键酶活性分析发现，两种策略均能显著提高细胞活力和关键酶活性。李芳良（2017）以ε-PL分离和提取为研究对象，研究了ε-PL后提取试生产中涉及到膜分离工序的设备选型和工艺参数选择，探讨了利用超滤技术对试生产中出现的杂质的有效去除，并初步提出了基于两级超滤的ε-PL提取新工艺，实现ε-PL收率达到70.22%，纯度为99.13%。中国专利CN201510021744.6公开了一种低pH值胁迫提高ε-聚赖氨酸产量的方法，在发酵过程中引入酸性pH胁迫工艺，即人为或自发使pH降为2.5～3.0，维持12～48 h之后，将pH再提高到3.5～4.5，保持稳定直到发酵结束。采用此种pH调控方法，能够显著提高ε-聚赖氨酸产生菌的比生长速率和ε-聚赖氨酸比合成速率；结合补料-分批发酵方式，ε-聚赖氨酸的产量较普通两阶段pH调控工艺提高50%以上。CN201811117709.4公开一种pH响应的ε-聚赖氨酸及其制备方法和应用，所述pH响应的ε-聚赖氨酸在ε-聚赖氨酸链上修饰有pH响应小分子，pH响应小分子具有微酸响应性，不仅可以使ε-聚赖氨酸在细菌感染部位的微酸环境中起到杀菌作用，又能降低抗菌肽对生理环境中哺乳动物细胞的毒性作用，具有很高的选择性。CN201810873130.4提供一种采用细胞固定化和离位、间歇吸附分离ε-聚赖氨酸的发酵方法，以丝瓜络或海绵作为细胞固定载体，安装固定于发酵罐内搅拌子、轴及档板，随后加入发酵培养基，灭菌冷却后接入液体种子。发酵过程细胞吸附至固定化载体，实现细胞固定化；在ε-聚赖氨酸合成阶段间歇流加灭过菌的有机氮源溶液；当发酵液中ε-聚赖氨酸积累至3.0 g/L时，采用离子交换树脂离位分离ε-聚赖氨酸，当发酵液重新积累至3.0 g/L时重复分离过程。该发明采用细胞固定化和离位分离技术相结合用于ε-聚赖氨酸发酵，并结合有机氮源间歇流加，可有效促进细胞生长、产物合成以及延长合成期，显著提高ε-聚赖氨酸发酵产量，具有实际应用推广前景。

ε-PL在市场上的需求量日益增加，但目前国内的工业化水平仍较低，必须通过菌株选育、发酵优化、提取的全链条技术创新，大幅降低ε-PL生产成本，提高产品得率和品质。