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以化學結合生物製程將甲殼廢棄物之幾丁質轉變為酪胺酸及L-DOPA

2021/04/09 @國際

摘要

甲殼廢棄物含有豐富幾丁質(Chitin),為提升此低成本、可再生資源的利用與增值,新加坡國立大學Yan Ning副教授帶領研究團隊開發一種較永續、合併化學與生物程序的製程,以稀酸處理蝦殼廢棄物,得到未純化的水溶性幾丁質與殘餘蛋白質之水解混合物(含GlcNAc),將此基質作為碳與氮源,利用經改造的大腸桿菌菌株將其轉化為酪胺酸(Tyrosine)及L-DOPA等高價值的含氮化合物(簡稱NCCs)。研究團隊期盼將此經濟、高效的化學與生物綜合製程延伸應用到其他類廢棄物,並邁向技術商業化。

示意圖

以化學結合生物製程將甲殼廢棄物之幾丁質轉變為酪胺酸及L-DOPA

  全球食品加工業每年產生多達800萬公噸的甲殼廢棄物,欲將其富含的幾丁質(chitin)加工製得高價值的含氮化合物(簡稱NCCs),新加坡國立大學(National University of Singapor, NUS) Yan Ning副教授帶領研究團隊開發一種將化學製程與生物程序相結合的途徑,因為化學製程反應快,可以利用各種極端條件分解各式各樣的廢棄物,但只能產生簡單的物質,而生物程序生產速度慢,且需特殊條件才能使微生物活躍,優點是可以產生具有更高價值的複雜物質,藉由結合化學和生物製程,可以從兩種方法中受益,創造出高價值的材料。此外,為考量經濟與高效率,製程趨向簡化、溫和的加工條件,避免使用濃酸/鹼、昂貴的助溶劑、嚴苛的預處理條件,研究成果發表於《Proceedings of the National Academy of Sciences》。
  幾丁質作為基質可以提供碳及氮源,故將甲殼廢棄物完全除去蛋白質和純化N-乙醯葡糖胺(GlcNAc)可能是非必要的,因為基因工程菌應可在含有殘留蛋白質和/或其水解產物的情況下同化GlcNAc及其寡聚物。實驗第一步將蝦殼廢棄物(簡稱SSW)進行化學預處理,以稀酸去除碳酸鈣、礦物質、些許蛋白質,得到SSW衍生幾丁質,再經球磨與酸處理,產生未純化的水溶性幾丁質與殘餘蛋白質之水解混合物(含GlcNAc)。第二步為生物程序,利用經改造的大腸桿菌菌株將此未純化基質轉化為酪胺酸(Tyrosine)及L-DOPA(用於治療帕金森氏症的藥物)。 【延伸閱讀】蝦殼有助於對抗耐抗生素的超級細菌
  研究團隊生產L-DOPA的產率可與傳統利用糖生產比擬,且葡萄糖成本約400~600美元/噸,蝦廢棄物的成本僅為100美元/噸,團隊計畫與合作夥伴將該技術商業化,並期盼延伸應用此新穎的化學生物綜合製程,依據不同廢棄物的類型及目標終產品來訂製製程,以永續的方式從可再生資源生產各種高價值的含氮化合物,例如以木材廢棄物生產脯胺酸(Proline),比起純生物程序製造,新的綜合製程可以達到更高、更快的產率,其結果發表於《Angewandte Chemie》。

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