糖蜜为碳源合成中链长度聚羟基脂肪酸酯及其柔性高阻氧包装膜性能研究

廖柳春 利园园 卢秋霖 梁晓盈

广西大学  邮编：530004

摘要

以制糖副产物糖蜜为廉价碳源，采用好氧瞬时供料策略，利用Pseudomonas putida KT2440合成中链长度聚羟基脂肪酸酯（mcl-PHA），并经溶剂流延制备柔性包装膜。考察了糖蜜预处理、供料方式对PHA积累量、单体组成及分子量的影响，并系统评价了膜力学与氧气阻隔性能。结果表明：离心-活性炭预处理可有效降低糖蜜灰分与胶体对发酵的抑制，瞬时供料使PHA含量达细胞干重（CDW）的38.6%，单体以3-羟基己酸（C6）、3-羟基辛酸（C8）和3-羟基癸酸（C10）为主；所得mcl-PHA薄膜断裂伸长率为486%，氧气透过系数为12.3 cm³·mm/(m²·d·atm)，显著优于短链PHB。研究为糖蜜高值化与柔性高阻氧可降解包装材料开发提供了新路径。

关键词： 糖蜜；中链长度聚羟基脂肪酸酯；好氧瞬时供料；阻氧性能；柔性包装膜

1 引言

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类由微生物胞内合成的可完全生物降解聚酯，短链PHA如PHB因结晶度高、脆性大，难以直接用于柔性包装[1]。中链长度PHA（mcl-PHA，单体碳数C6~C14）具有低结晶度、高断裂伸长率和良好的气体阻隔性，是理想的柔性包装材料，但其常用碳源（脂肪酸、植物油）成本高，制约产业化[4]。糖蜜是制糖工业副产物，含蔗糖、葡萄糖及有机氮、矿物质，年产量大且价格低廉，可作为mcl-PHA合成的替代碳源[2-3]。然而糖蜜成分复杂，灰分、胶体及金属离子可能抑制微生物代谢并影响PHA分子量与热加工性。好氧瞬时供料通过周期性“饱食-饥饿”波动可调节PHA单体组成与分子量，但基于糖蜜的供料策略尚未见报道。本文以糖蜜为碳源，采用好氧瞬时供料合成mcl-PHA，并制备包装膜评价其柔性与阻氧性能，旨在为制糖副产物高值化利用提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 菌株与糖蜜预处理

菌株为Pseudomonas putida KT2440（本实验室保藏）。甘蔗糖蜜取自广西某糖厂，总糖48.2%，灰分9.6%，胶体3.4%。糖蜜经以下预处理：①原糖蜜稀释至总糖20 g/L；②离心（8000 r/min，10 min）去沉淀；③上清液加2%活性炭，60 ℃搅拌30 min，过滤除炭。处理前后测定总糖、灰分、胶体含量。

2.2 培养基与发酵条件

种子培养基：LB肉汤，30 ℃、200 r/min培养12 h。发酵培养基（/L）：预处理糖蜜（以总糖计）20 g，(NH₄)₂SO₄ 1.0 g，Na₂HPO₄·12H₂O 3.5 g，KH₂PO₄ 2.0 g，MgSO₄·7H₂O 0.2 g，微量元素液1 mL，pH 7.0。采用5 L发酵罐，装液量3 L，接种量5%，30 ℃，pH 7.0，DO≥30%。

2.3 好氧瞬时供料

分三组：A组一次性批式培养；B组恒速补料（0.5 g糖/(L·h)）；C组好氧瞬时供料，每3 h脉冲补入糖蜜浓缩液（总糖100 g/L）30 mL，使瞬时总糖升至约8 g/L后自然消耗，重复至总碳源量与A、B组一致。每组总糖初始及补加总量相同。

2.4 PHA提取与纯化

发酵结束后离心收集菌体，冷冻干燥。以氯仿/甲醇（2:1）索氏提取8 h，提取液浓缩后加入冷乙醇沉淀PHA，真空干燥至恒重。

2.5 薄膜制备与性能测试

称取0.8 g纯化PHA溶于10 mL氯仿，流延于聚四氟乙烯板，室温挥发48 h后40 ℃真空干燥24 h，控制膜厚约80 μm。采用GPC测分子量；GC-MS测单体组成；DSC测热性能；万能试验机按ASTM D882测力学性能；氧气透过率按ASTM D3985测定（23 ℃，0% RH）；SEM观察膜断面。

3 结果与讨论

3.1 糖蜜预处理与供料方式对PHA合成的影响

图1为本文技术路线。糖蜜原液直接发酵时细胞生长缓慢，PHA含量仅18.2% CDW，主要原因是灰分中高浓度金属离子（如Fe³⁺、Cu²⁺）对微生物胞内酶活产生抑制，胶体物质则降低了培养基中溶解氧传质效率。经离心联合活性炭预处理后，灰分由9.6%降至2.1%，胶体由3.4%降至0.5%，培养基澄清度明显改善，PHA含量提升至28.4% CDW。进一步采用好氧瞬时供料（C组），PHA含量达38.6% CDW，生物量5.8 g/L，PHA产量2.24 g/L，较B组恒速补料提高36%。

其机制在于周期性脉冲补糖使细胞反复经历“富碳—限碳”波动，维持了碳源过量状态，延长了PHA合成关键酶（如PhaC合成酶）的高表达窗口，同时避免了一次性高糖浓度造成的底物抑制[1,4]。此外，供料周期内残糖浓度在1.2~8.4 g/L之间波动，DO随之起伏，证实微生物代谢强度对碳脉冲作出了快速响应。

图1技术路线图

3.2 mcl-PHA单体组成与分子量

GC-MS表明，C组所得PHA以3-羟基己酸（C6，12.5 mol%）、3-羟基辛酸（C8，45.2 mol%）和3-羟基癸酸（C10，38.7 mol%）为主，另有少量3-羟基十二酸（C12）。GPC测得其重均分子量（Mw）为1.8×10⁵ Da，多分散指数1.9，明显高于原糖蜜组（1.2×10⁵ Da，PDI 2.6）。说明去除灰分与胶体后，糖蜜中残留金属离子对PHA聚合酶的抑制被削弱，分子链得以延伸[5]。

3.3 薄膜力学与阻氧性能

如表1所示，糖蜜基mcl-PHA薄膜拉伸强度为6.2 MPa，断裂伸长率486%，杨氏模量85 MPa，呈现典型柔性特征；而对照PHB膜断裂伸长率仅3.5%。mcl-PHA膜氧气透过系数为12.3 cm³·mm/(m²·d·atm)，比PHB低约40%，高阻氧性归因于mcl-PHA中长侧链形成的致密非晶区对氧分子扩散的阻碍[4]。SEM显示膜断面无相分离和杂质颗粒，说明预处理有效避免了糖蜜色素与胶体残留。

表1 糖蜜基mcl-PHA与PHB包装膜性能对比

性能指标	糖蜜基mcl-PHA	PHB对照
断裂伸长率/%	486	3.5
拉伸强度/MPa	6.2	31.0
氧气透过系数/(cm³·mm·m⁻²·d⁻¹·atm⁻¹)	12.3	20.5

4 结论

离心-活性炭预处理可显著降低糖蜜灰分与胶体对P. putida发酵的抑制，结合好氧瞬时供料，mcl-PHA产量达2.24 g/L，单体以C8、C10为主。所得mcl-PHA薄膜断裂伸长率486%，氧气透过系数12.3 cm³·mm/(m²·d·atm)，综合柔性-阻隔性能优于PHB，可用于需高阻氧的柔性包装场景。

本研究为制糖副产物糖蜜的高值化利用及绿色柔性包装材料开发提供了可行路线。

参考文献

[1]黄世雄,高凡彗,彭小伟.聚羟基脂肪酸酯（PHA）生物制造研究进展[J/OL].生物加工过程,1-18[2026-09-08].https://link.cnki.net/urlid/32.1706.Q.20260715.0906.002.

[2]谭文兴,蚁细苗,钟映萍,等.糖蜜酒精废液资源化利用的研究进展[J].甘蔗糖业,2014,(5):60-65.

[3]何永兴.废弃甘蔗糖蜜发酵浓缩液资源化利用研究[D].武汉理工大学,2024.DOI:10.27381/d.cnki.gwlgu.2024.003600.

[4]YANG E J ,CHOI J Y ,LEE H S , et al.Metabolic Engineering of Escherichia coli for the Biosynthesis of Poly (3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxyvalerate)[J].한국생물공학회 학술대회,2015,428-428.

[5]Cramer F ,Korwitz A ,Limouzin A , et al.Synthesis and Recycling‐on‐Demand of Novel Bio‐Based Poly(Ester‐co‐Acetal)s Designed for Circularity[J].Macromolecular Materials and Engineering,2026,311(8):e70332-e70332.DOI:10.1002/MAME.70332.

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