刊首语

2022年是落实“十四五”发展规划,实施“碳达峰碳中和”战略目标的关键之年。绿色生物制造、合成生物等关键技术的快速发展为生物化工科学研究和技术创新注入了新的推动力,生物化工的技术进步也已成为解决资源和环境问题、落实“双碳”战略目标、保障人类健康的重要途径。为推动经济社会高质量发展,研讨交流生物化工领域的最新研究进展和技术成果,同时作为“中国化工学会百年庆祝系列活动”之一,中国化工学会生物化工专业委员会于2022年8月1—3日在西安顺利召开了“第五届生物化工青年学者论坛”。中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟教授,中国工程院院士、浙江工业大学郑裕国教授,中国工程院院士、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所姚斌研究员,中国科学院院士、天津大学副校长元英进教授,中国科学院院士、中国科学院过程工程研究所马光辉研究员以及来自全国80余所高校、科研院所的500多名学者参会。大会共设绿色生物制造分论坛、合成生物学分论坛和研究生论坛共3个分论坛。学术内容涉及生物化工领域的多个方面,包括合成生物学和代谢工程、生物过程工程、生物炼制技术、工业微生物育种、生物催化与转化、天然产物生物合成、一碳生物技术以及生物医药等方向。

稀有人参皂苷对CCl_(4)所致小鼠急性肝损伤的保护作用

探究了稀有人参皂苷改善急性肝损伤(Acute liver injury,ALI)的作用。通过酸水解法制备稀有人参皂苷Rk3、Rg5、Rh4,利用HPLC分离皂苷并检验皂苷单体纯度。体内实验用C57BL/6小鼠,小鼠随机分为对照组、ALI组、稀有人参皂苷Rk3组、稀有人参皂苷Rg5组、稀有人参皂苷Rh4组,除对照组外其余小鼠在灌胃人参皂苷1周后均腹腔注射CCl_(4),实验结束禁食2 h后采集小鼠肝脏组织固定后,进行石蜡包埋用于后续H&E染色;收集全血样本,离心后测量小鼠血清中丙氨酸转氨酶(ALT)和天冬氨酸转氨酶(AST)含量;使用生理盐水对肝脏组织进行匀浆,离心后检测上清液氧化应激相关指标。稀有人参皂苷Rk3、Rg5、Rh4均能有效改善ALI引起的转氨酶表达异常及氧化应激等病理进程,降低血清ALT和AST含量,降低肝脏MDA水平,提高血清SOD和肝组织GSH-Px活性,并减少CCl_(4)造成的小鼠肝细胞坏死灶数量。结果表明,3种稀有人参皂苷均能够有效改善CCl_(4)诱导的急性肝损伤。

生物化工领域多学科交叉融合培养创新人才的探索与实践

随着可持续发展理念的强化、新兴技术的快速发展和生物制造产业重要性的日益凸显,生物化工在未来生物制造和生物经济竞争中的地位更加显著。培养掌握先进生物化工技术、秉持可持续发展理念的生物化工领域创新人才,成为国家在未来竞争中保持主动的关键。文章对西安交通大学生物化工学科研究生培养实践进行了总结,介绍了知识平台、科研实践平台、人才培养模式和质量监控体系建设等创新人才培养举措,以期为生物化工人才培养提供有益的借鉴,助力国家生物制造战略的实施。

全碳素生物转化沼气制备生物航煤制造路线研究进展

作为一种清洁可再生能源,沼气具有替代化石燃料的潜能。沼气的传统利用是通过直接燃烧获得电力和热量,但该过程会产生二氧化碳(CO_(2)),不仅降低了沼气利用的碳原子经济性,还会带来温室气体排放等问题。为了实现沼气全碳素转化,本文提出以餐厨垃圾厌氧消化产生的沼气为原料,利用合成生物学技术和生物制造策略,将其中的全部碳素(CO_(2)和CH_(4))高效转化为生物航煤(SAF)。该制造路线利用光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌分别转化CO_(2)和CH4合成生物油脂,再将油脂提取并升级加工制备SAF。文章通过介绍光能自养微生物和好氧性嗜甲烷菌的关键酶和代谢途径,总结菌种改造策略和发酵工艺优化在提升油脂积累方面的研究进展。在比较了不同生物油脂预处理和升级加工的工艺特点之后,分析了相关技术的经济性和应用场景。基于SAF的燃烧性能及其在生产过程中的全球变暖潜势值,讨论了SAF制造路线的技术可行性。最后,借助技术经济可行性分析,展望了提升SAF制造路线经济性的策略,为生物技术在燃料生产领域的商业化应用提供参考。

稀有人参皂苷对特发性肺纤维化的影响

探究稀有人参皂苷是否可以缓解特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)。体内实验选用C57BL/6小鼠,小鼠分为对照组、博来霉素(bleomycin,BLM)诱导IPF组、稀有人参皂苷Rk1、Rk3、Rh4、Rg5组,除对照组外其余小鼠均腹腔注射BLM 28 d以构建IPF模型,各治疗组同时分别灌胃给予人参皂苷Rk1、Rk3、Rh4、Rg5,实验结束后收集小鼠的肺脏组织,通过苏木精-伊红染色法(HE)观察小鼠肺部的病理变化;测量小鼠肺部组织羟脯氨酸(hydroxyproline,HYP)含量;检测小鼠肺部组织IPF相关基因的表达。体外实验选用人胚肺成纤维细胞(MRC-5),使用(TGF-β1)诱导IPF细胞模型,通过细胞毒性实验、HYP含量测定和实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析4种皂苷对IPF相关基因表达的影响。4种稀有人参皂苷均能有效缓解IPF引起的肺泡结构破坏等病理进程,降低HYP含量,下调IPF相关基因的表达,表明稀有人参皂苷能够有效缓解IPF。

重组E.coli工程菌高密度培养生产人源型胶原蛋白

Several technical parameters were studied during the fermentation of recombinant E.coli for the production of collagen-like biopolymer.The effects of dissolved oxygen as well as glucose concentration on fermentation were observed.The OD 600 value could reach 98 when dissolved oxygen was controlled at 50% and glucose around 1%.The production of human-like collagen with a yield of 29.4% was obtained.

人参皂苷Rg5通过诱导凋亡抑制原发性肝癌小鼠肿瘤生长

利用二甲基亚硝胺(DEN)和四氯化碳(CCl_(4))诱导的原发性肝癌小鼠模型,采用每天给予100 mg/kg人参皂苷Rg5与阳性药索拉非尼(Sorafenib)进行治疗,通过检测小鼠肝脏肿瘤大小、肿瘤组织病理学切片染色、小鼠血清和肝脏中谷丙转氨酶(ALT)与谷草转氨酶(AST)水平以及小鼠肝脏组织中促凋亡相关蛋白水平,以探究人参皂苷Rg5对小鼠肝脏肿瘤生长的抑制作用及机制。结果表明:人参皂苷Rg5可以显著抑制原发性肝癌小鼠肝脏肿瘤的数量及大小,且与阳性药Sorafenib相比无显著性差异;此外,人参皂苷Rg5改善了原发性肝癌小鼠肝损伤、肝纤维化和肝硬化;在机制方面,人参皂苷Rg5通过诱导细胞凋亡抑制原发性肝癌小鼠肝脏肿瘤生长。本研究结果表明,人参皂苷Rg5可能通过诱导肿瘤细胞凋亡抑制原发性小鼠肿瘤生长,为人参皂苷Rg5用于原发性肝癌的治疗提供理论基础。

红霉素发酵工艺优化研究

通过摇瓶正交实验，得出７种营养成分对红霉素生物合成的影响程度，对发酵工艺条件进行了优化研究，找到了红色链霉菌抗噬菌体６８＃菌种生长的优化组合，得出快速碳源（葡萄糖）与慢速碳源（淀粉）配比为２６４时，有利于红霉素的生物合成。还原糖／氮为２０，总糖／氮为８０～１２０时对红霉素发酵极为有利。借助磷酸三钙、沸石对ＮＨ＋４的独特吸附和释放作用，将二者按５∶１混合配成吸附和吐纳效果很好的捕集剂，对发酵液中游离无机氮源进行控制，可使抗生素生物合成提高１５％～２９％。

红霉素摇瓶发酵实验工艺条件

主要研究了红霉素摇瓶发酵工艺条件对发酵水平的影响。通过正交实验得到了优化的发酵温度为 :前期温度 35℃ ,中期温度 31℃ ,后期温度 ( 2 9± 0 .5)℃。同时 ,得到优化的前期和中期 p H值均为 6.8。利用均匀设计 ,得出了优化补料配方 ,使效价提高约 3.8% ,同时得到了效价与各基质浓度的回归方程。由实验得到了一组优化的摇床转速控制方式和优化的前体添加水平。通过以上的工艺条件优化 ,使摇瓶发酵红霉素效价提高约 47.3%。

气升式内环流反应器在红霉素发酵中应用初探

针对需要流加补料的发酵过程 ,设计出分段导流筒气升式内环流反应器。对在该反应器内进行的红霉素发酵过程进行了实验研究 ,从不同角度考察了该反应器用于红霉素发酵生产过程的可能性。

基因工程菌发酵生产l-苯丙氨酸工艺优化

对重组 l-苯丙氨酸工程菌 E.coli HB1 0 1 . 发酵过程中的营养物质消耗及产物 l-苯丙氨酸的积累进行实验分析。得出 :l-苯丙氨酸在培养温度为 3 8.5℃ ,p H为 7.0～ 7.5 ,溶氧控制在 2 0 %,含糖量控制在 1 .5 %,酪氨酸添加量为 1 .0～ 1 .2 g/L时 ,产酸量最大 ,为工艺优化控制提供了有用的基础数据。

摇瓶的体积氧传递系数和氧通透率的测定

通过设计特殊摇瓶,用亚硫酸钠法测出摇瓶的体积氧传递系数和氧透过纱布层的通透率。以氧电极测其内外氧的分压降后,可以算出摇瓶表观体积氧传递系数(k_La)_(app)及真实体积氧传递系数k_La,并进一步求出氧通透率。由实验得出:氧分压降低6.1％,氧传递系数增加一倍;在37℃、220r/min、500ml摇瓶(内盛液50ml)8层纱布的氧通透率P_m=43.7mol/m^2·h·atm;并且关联出摇瓶容积V、装液量V_L、转速n、摄氏温度t之间的模型式: (k_La)_(app)=1.84×10^(-7)[t]^(1.8497)·[n]^(2.3906)·[V_L/V]^(-0.6360) (k_La)=2.02×10^(-7)[t]^(1.8525)·[n]^(2.3941)·[V_L/V]^(-0.6370)

西洋参细胞液体培养及动力学研究

本文对西洋参细胞在改良ＭＳ培养液中发酵过程和发酵动力学进行了研究，结果表明，细胞生长动力学为：ｄＸ／ｄｔ＝μｍａｘ·Ｓ·Ｘ／Ｋｓ＋Ｓ，式中μｍａｘ＝０．１６１３ｄ＾－１，Ｋｓ＝４７．５９ｇ／Ｌ；基质消耗动力学为：－ｄＳ／ｄｔ＝１．７５ｄＸ／ｄｔ。西洋参细胞液体培养收获最佳期２３天以上，皂甙累积的高峰期为２３天以后，液体培养时，细胞中大部分皂甙释放到培养液中，经薄层层析后仅含Ｒｇ１；

以摇瓶所得摄氧率为基准进行发酵放大

通过设计特殊摇瓶,用亚硫酸盐法测出摇瓶口纱布层氧通透率的基础上,在实际发酵情况下通过测定瓶内气、液相氧的变化得出其发酵过程中的摄氧率(OUR)及氧传递系数(K_La)。以特制摇瓶取得的菌体OUR为基准进行发酵过程和发酵罐的放大。通过质谱仪在线检测及采样分析,研究了3种不同供气流量及搅拌转速下的放大结果。摇瓶与发酵罐在菌体OUR、菌体产量方面吻合很好,而在整个放大过程中,发现摇瓶与发酵罐内的氧传递系数(K_La)、溶解氧(c_L)差异较大。

西洋参组织培养及MgSO_4含量对培养结果的影响

本文报道了西洋参不同生长期、材料不同部位、生命活动代谢盛期愈伤组织的诱导及西洋参组织培养；细胞液体培养时，ＭｇＳＯ４含量对其生长状况、生长速度的影响。结果表明，当ＭｇＳＯ４含量为９２．５ｍｇ／ｌ时，与ＭＳ培养基中ＭｇＳＯ４含量３７０ｍｇ／ｌ相比，嫩茎愈伤组织生长速度提高１．３３倍，液培细胞生长速度提高１．２７倍。

西洋参细胞液体培养人参皂甙的动力学研究

重点研究了西洋参细胞在改良 ＭＳ培养液中代谢生长状况（ＭＳ培养基加 ＫＴ０． ２ ｍｇ／Ｌ，ＩＢＡ５ｍｇ／Ｌ，ＭｇＳＯ４９２·５ｍｇ／Ｌ），对其发酵曲线及细胞生长作了检测，并对细胞 生长动力学作了研究，结果表明细胞生长动力学基本符合Ｍｏｎｏｄ比生长速度式，μｍａｘ＝ ０．１６１３ｄ－１，Ｋｓ＝４７．５９ｇ／Ｌ。

气升式生物反应器内红霉素发酵的动力学分析(英文)

研究了气升式生物反应器内红霉素发酵的动力学行为,根据所归纳出的动力学方程,调整发酵过程中的补料策略,得出了比较优化的工艺和工程参数,如发酵液的C/N(碳源/氮源)比、氧摄取速度(OUR)等。根据此动力学模型,调整的优化发酵工艺使得菌体代谢周期缩短了13%,而红霉素发酵水平提高了10%。

以摄氧率为基准的放大技术

以菌体最大摄氧率（ＯＵＲ）ｍａｘ为基准进行发酵放大，考察了ＯＵＲ与菌体产生量（ｘ）之间的关系。得出在啤酒酵母、苏云金杆菌的发酵过程中，ＯＵＲ与ｘ密切相关，ＯＵＲ增加，ｘ增加；同时得出进出口流量改变对求得的ＯＵＲ值差异影响很大，但不管以什么基准求ＯＵＲ。

摇瓶发酵参数的测定及其应用的探索

研究制作了一种可在线检测发酵过程中气相氧、溶解氧及中间补料、采样的特殊摇瓶，取得了摇瓶规模下的菌体摄氧率、氧传递系数等重要工程参数，并以摇瓶所得摄氧率（ＯＵＲ）为依据进行发酵放大，通过质谱仪在线检测，验证发酵罐发酵与摇瓶发酵所得数据的异同。

苏云金杆菌摇瓶发酵工艺与工程参数

用设计的特殊摇瓶，以苏云金杆菌为研究对象，供冷模（亚硫酸盐氧化法）在求出瓶口过滤层氧通透率的基础上，由特制摇瓶在线检测发酵过程中气液相氧浓度变化数据，取得发酵过程中的菌体摄氧率、氧传递系数等有用的工程参数。