超声辅助酵母细胞破碎联合双丙二醇介导的双相乳液系统高效生物转化苯基乙酰甲醇

为提升苯基乙酰甲醇（PAC）生物转化效率，研究人员用超声处理破碎酵母细胞，发现 Vg-Oil+DPG 体系效果最佳，意义重大。

　　### 苯基乙酰甲醇生物转化研究解读：新技术解锁高效生产密码
在医药领域，苯基乙酰甲醇（Phenylacetylcarbinol，PAC）可是个 “潜力股”，它是合成麻黄碱和伪麻黄碱的重要前体，而这两种物质常用于缓解鼻塞、扩张支气管，帮助无数人顺畅呼吸。以往研究虽已证实酵母全细胞可作为生物催化剂生产 PAC，但现有方法仍存在不少 “短板”。比如，微生物细胞结构坚固，传统的全细胞固定化和固定化酶技术，会出现传质限制、底物可及性降低和成本高昂等问题；粗酶催化时，丙酮酸脱羧酶（Pyruvate decarboxylase，PDC）的半衰期也较短。为突破这些瓶颈，来自泰国清迈大学等机构的研究人员踏上探索之旅，相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。在细胞破碎方面，运用超声处理（Ultrasonication，Ult）和玻璃珠研磨（Glass bead attrition，GBA）技术对冷冻解冻的热带假丝酵母全细胞（Frozen-thawed yeast whole cells，FT-WHC）进行处理；在生物转化过程中，构建了双相乳液系统，通过改变有机相组成（植物油 Vg-Oil、Vg-Oil + 双丙二醇 DPG、辛醇），探究其对 PAC 生产的影响；利用高效液相色谱（High performance liquid chromatography，HPLC）测定底物、产物和副产物的浓度以及 PDC 的活性；采用统计分析方法，确定实验结果的显著性差异。

筛选合适细胞破碎技术释放 PDC

研究人员对比了超声处理和玻璃珠研磨这两种细胞破碎技术对 FT-WHC 中 PDC 释放的影响。超声处理时，调整超声振幅调制水平分别为 0%、20%、40%、60%、80% 和 100%。结果发现，超声处理对蛋白质浓度和 PDC 活性影响显著。在较低功率范围内，随着超声振幅增加，蛋白质浓度上升，而体积和比 PDC 活性却下降。其中，20% 振幅（Ult20）处理效果最佳，此时体积 PDC 活性达到 0.210 ± 0.004 U/mL，比 PDC 活性为 0.335 ± 0.033 U/mg 蛋白质。玻璃珠研磨法虽能破碎细胞，但在释放 PDC 的效率和活性方面，不如 Ult20。综合评分后，研究人员选择 Ult20 处理的细胞和 FT-WHC（对照）进一步用于 PAC 生物转化研究。

比较 FT-WHC 和 Ult20 处理细胞的 PAC 生产能力

以 FT-WHC 和 Ult20 处理的细胞为生物催化剂，在双相乳液系统中进行 PAC 生物转化实验。结果显示，反应开始时，两种体系均未检测到 PAC。随着时间推移，PAC 浓度逐渐上升。FT-WHC 作为生物催化剂时，在 210 - 240 分钟达到最高浓度 26.4 ± 1.5 - 27.3 ± 0.9 mM；Ult20 处理的细胞体系中，30 分钟时 PAC 浓度就达到 18.1 ± 0.5 mM，240 分钟时为 25.5 ± 0.3 mM。且 Ult20 处理的细胞初始 PAC 生产速率（3.26 ± 0.04 mM/min）显著高于 FT-WHC，约为其两倍。这是因为细胞破碎使 PDC 与底物接触更充分，传质效率提高，加快了生物转化过程。

探究不同有机相对 PAC 生产的影响

在确定了最佳细胞破碎技术后，研究人员考察了三种不同有机相（Vg-Oil、Vg-Oil + DPG、辛醇）对 PAC 生产的影响。结果表明，不同有机相体系的 pH 变化、总蛋白浓度、PDC 活性和 PAC 产量均存在显著差异。Vg-Oil + DPG 体系在反应过程中 pH 升高，能更好地稳定 PDC 活性，最终 PAC 浓度达到 28.9 ± < 0.1 mM，显著高于其他两种体系（Vg-Oil 体系为 22.9 ± 0.4 mM，辛醇体系为 15.4 ± 0.3 mM）。此外，Vg-Oil + DPG 体系还具有较高的残留体积 PDC 活性（5.46 ± 1.61%）和特定 PAC 产量（41.3 ± < 0.1 μmol/U_ini ）。DPG 的加入不仅能调节溶剂系统的介电常数，促进酶 - 底物相互作用，还能稳定 PDC 的结构，从而提高 PAC 的产量。

研究结论与意义

本研究表明，超声处理 20% 振幅破碎的酵母全细胞，结合 Vg-Oil 和 DPG 组成的有机相，是 PAC 生物转化的理想体系。该体系不仅能维持酶的稳定性，还能提高 PAC 的生产效率和分配效果。从经济角度看，虽然超声处理在大规模应用时成本是个考量因素，但通过优化参数或使用节能设备，可降低成本，且回收有机相能进一步降低成本，使该过程具有经济可行性。从环境角度出发，DPG 具有良好的生物降解性、低毒性，是一种环保的溶剂选择。不过，研究也指出，未来还需进一步探究其他绿色溶剂（如离子液体、低共熔溶剂）对 PAC 生产的影响，评估该过程的技术经济可行性和生命周期，以推动 PAC 生物转化在工业规模上的应用。