摘要：己二酸（Adipic acid）是一种用于生产尼龙、化学纤维、工程塑料和食品包装等聚合物的重要单体。目前全球己二酸年产量约为 300 万吨，年复合增长率为 3-5%。然而，传统的己二酸生产工艺主要以环己醇/环己酮混合物为原料，经硝酸氧化合成，不仅重度依赖于石化

己二酸（Adipic acid）是一种用于生产尼龙、化学纤维、工程塑料和食品包装等聚合物的重要单体。目前全球己二酸年产量约为 300 万吨，年复合增长率为 3-5%。然而，传统的己二酸生产工艺主要以环己醇/环己酮混合物为原料，经硝酸氧化合成，不仅重度依赖于石化资源，还伴随大量温室气体一氧化二氮的排放，严重制约了其可持续发展。

为了实现，绿色、低碳、可再生的己二酸生产，近期，北京化工大学谭天伟等人在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 发表了一篇题为“Process of a Photobacterial Cascade Reaction for Biobased Adipic Acid”的研究。研究团队开发了一种创新的“微生物发酵+光催化”级联反应策略，即巧妙利用光催化代替了酶催化步骤，不仅解决了传统合成己二酸路径存在关键酶缺失或活性低下的问题，且全程在常温常压、可见光条件下进行，真正做到了绿色可持续生产生物基己二酸。

图｜利用“微生物发酵+光催化”级联反应策略生产生物基己二酸

研究人员首先通过代谢工程改造了谷氨酸棒杆菌，从而构建己二酸合成中重要前体 L-2-氨基己二酸（L-2-aminoadipate）的合成途径。研究人员通过共同表达地热嗜热菌 Geobacillus sp. 12AMOR1 中的一种高活性的 L-赖氨酸 6-脱氢酶（lysDH）与来自假单胞菌 Pseudomonas fulva 12-X的氨基己二酸半醛脱氢酶后，显著促进了 L-2-氨基己二酸的合成。通过对启动子的优化以及赖氨酸合成途径关键基因（如 lysC、dapA、lysA 等）的过表达，该团队成功将 L-2-氨基己二酸的产量提升至 1.02 g/L，较初始菌株提高了 6.4 倍，这一成果为后续的转化奠定了坚实基础。

解决了 L-2-氨基己二酸的生产问题后，如何将其转化为己二酸成为了下一个挑战。在传统己二酸转化过程中往往需要依赖未知或低效的酶，但研究团队另辟蹊径，引入可见光驱动的光催化反应体系，通过“电子-空穴对”实现脱氨氧化反应，从而替代酶催化步骤。

图 | 光催化实现重要前体L-2-氨基己二酸转化

在光催化剂筛选过程中，研究人员比较了三种材料：金属有机框架（MOF）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）以及经处理的油菜花粉（TRP）。

最终，在众多光催化材料中，TRP 表现出了优异的性能。它不仅具有与常用的氮化碳（g-C₃N₄）相似的光催化活性，而且制备成本更低，是一种极具性价比的选择。TRP 在可见光的照射下，能够产生电子-空穴对，完成 L-2-氨基己二酸的脱氨氧化过程，而电子则与水中的氧结合形成活性氧物种，进一步推动反应的进行。此外通过对光催化条件的优化，研究人员确定了最佳反应参数：催化剂用量为 1.5 mg/L，光强 60 mW/cm²，pH 值为 4。在这样的条件下，光催化反应能够高效地将 L-2-氨基己二酸转化为己二酸。

随后研究团队将工程菌株 CgN24 与 TRP 光催化剂组合，建立了微生物-光催化耦合系统。他们在发酵体系中引入可控光照，使 L-2-氨基己二酸在生成后即被转化为己二酸，避免了中间产物的积累与分解。

图 | 微生物-光催化耦合系统实现己二酸高效绿色合成

最终，实验结果令人振奋：在发酵 48 小时后，己二酸的产量达到了 235 mg/L，同时 L-2-氨基己二酸的浓度维持在较低水平，表明该耦合系统能够有效地将中间产物转化为目标产物，更重要的是，TRP 对微生物细胞几乎没有毒性，保证了整个生产过程的稳定性和可持续性，验证了“光-菌协同”策略的可行性和实用性。

总之，这项研究成功开发了一种微生物发酵与光催化耦合生产己二酸的新生产方式，为生物基化学品的合成提供了全新的思路。

参考链接：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.5c02522

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来源：生辉SciPhi