《Journal of Biotechnology》：Development of Efficient Resin-Based Method for Purifying 3-Hydroxyphenazine-1-Carboxylic Acid from
Aspergillus sclerotiorum ASJ82 Crude Extract
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3-OH-PCA從復(fù)雜生物轉(zhuǎn)化介質(zhì)中高效分離純化研究采用HZ-818樹脂優(yōu)化吸附脫附參數(shù)， Langmuir模型擬合吸附數(shù)據(jù)，動態(tài)吸附柱實(shí)驗(yàn)顯示純度96.5%，回收率85.32%。
Malik Jan|Kashif Hayat|Israr Khan|Aadil Ahmed Memon|Ibrar Khan
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成微生物組研究中心，中國廣東省深圳市光明區(qū)公長路
摘要
通過Aspergillus sclerotiorum ASJ82的全細(xì)胞生物催化作用，從吩嗪-1-羧酸中獲得了新的代謝物3-羥基吩嗪-1-羧酸（3-OH-PCA）。盡管從生物技術(shù)的角度來看具有很大潛力，但由于缺乏從復(fù)雜生物轉(zhuǎn)化介質(zhì)中分離和純化3-OH-PCA的有效方法，導(dǎo)致大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究受到嚴(yán)重阻礙，因?yàn)榧兓玫降幕衔锪坎蛔恪Ｒ虼耍狙芯恐荚陂_發(fā)一種簡單高效的技術(shù)，用于從A. sclerotiorum ASJ82的粗提物和培養(yǎng)基中分離和純化3-OH-PCA。評估了五種大孔樹脂（HP-20、HZ-818、HZ-801、D001和D155）的靜態(tài)吸附和脫附性能。與其他樹脂相比，HZ-818樹脂在吸附和脫附3-OH-PCA方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。此外，還利用Langmuir和Freundlich等溫模型對HZ-818樹脂的平衡吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Langmuir等溫模型擬合良好，為了解3-OH-PCA在HZ-818樹脂上的吸附行為提供了寶貴信息。進(jìn)一步使用裝有HZ-818樹脂的色譜柱進(jìn)行了動態(tài)吸附和脫附實(shí)驗(yàn)，以確定和優(yōu)化有效分離和純化3-OH-PCA所需的操作參數(shù)。在優(yōu)化的分離和純化條件下，3-OH-PCA的平均吸附容量為21.1±1.2 mg/g干樹脂，脫附率為88±1.2%。經(jīng)過HZ-818樹脂處理后，3-OH-PCA的含量顯著增加，純度達(dá)到96.5±2.1%，回收率為85.32%。結(jié)果表明，HZ-818樹脂作為吸附劑在從復(fù)雜介質(zhì)中有效分離和純化3-OH-PCA方面具有巨大潛力。總體而言，該方法在3-OH-PCA的分離和純化方面顯示出巨大前景，可應(yīng)用于工業(yè)中從A. sclerotiorum ASJ82提取物中大規(guī)模生產(chǎn)3-OH-PCA，為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用提供了可能。
引言
天然產(chǎn)物如吩嗪是藥物發(fā)現(xiàn)的重要來源，大多數(shù)吩嗪最初是從海洋和陸地微生物中發(fā)現(xiàn)的（Valliappan等人，2014年；Huang等人，2024年）。迄今為止，已研究了超過6000種合成吩嗪和180種天然存在的吩嗪衍生物（Yan等人，2021年；Zhou等人，2025年）。吩嗪衍生物的物理和化學(xué)性質(zhì)因官能團(tuán)的位置和類型而異。這些芳香雜環(huán)化合物因其鮮艷的色素和廣泛的抗菌活性而受到科學(xué)界的關(guān)注。它們的氧化還原和熒光特性使其更具重要性，其中一些還被用作生化和生物工業(yè)中的染料，還有一些被制成熒光探針，用于體內(nèi)生化譜型的研究（Gu等人，2015年；Song等人，2025年）。
研究表明，吩嗪衍生物pyocyanin可用作天然紡織染料，具有優(yōu)異的耐久性和廣泛的農(nóng)業(yè)應(yīng)用（DeBritto等人，2020年）。此外，吩嗪衍生物還被用于開發(fā)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），并且與其他化合物相比表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（Gu等人，2015年）。對天然吩嗪衍生物需求的增加也源于研究人員對生物體健康的關(guān)注。吩嗪具有多種生物活性，如抗真菌、抗菌、殺蟲、抗腫瘤、抗瘧疾和抗癌化學(xué)預(yù)防作用（Krishnaiah等人，2018年；Velez-Haro等人，2024年）。近年來，開展了多項(xiàng)研究以改造高產(chǎn)微生物菌株并優(yōu)化發(fā)酵過程以生產(chǎn)吩嗪衍生物（Liu等人，2016年；Hu等人，2017年）。最近，我們的研究小組分離并鑒定出真菌菌株A. sclerotiorum ASJ82，該菌株能夠?qū)CA的產(chǎn)量提高到1.3 g/L，并產(chǎn)生約1 g/L的3-羥基吩嗪-1-羧酸（3-OH-PCA）（Jan等人，2023年）。代謝物3-OH-PCA呈深紅色，可用作紡織工業(yè)的著色劑，并對植物病原體Rhizoctonia solani的生長具有顯著的抑制作用（Jan等人，2023年）。
盡管從生物轉(zhuǎn)化介質(zhì)中分離和純化3-OH-PCA具有巨大潛力，但由于缺乏有效方法，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究受到嚴(yán)重阻礙。3-OH-PCA具有與其前體代謝物PCA相似的芳香結(jié)構(gòu)，因此從粗提物中分離和純化3-OH-PCA至關(guān)重要。在生物加工行業(yè)中，最昂貴的階段是下游過程（Liu等人，2008年）。已采用多種傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行吩嗪衍生物的分離和純化，如高效色譜、薄層色譜、高效毛細(xì)管電泳和自由流電泳（FFE），隨后通過制備型高效液相色譜（HPLC）進(jìn)行分析（Shao等人，2010年；Bien等人，2018年）。例如，自由流電泳（FFE）是一種基于重力的分離技術(shù)，已被用于從Pseudomonas M18的發(fā)酵液中純化吩嗪-1-羧酸（PCA），但獲得的PCA濃度相對較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。然而，所有這些方法都有缺點(diǎn)，包括耗時耗力、過程復(fù)雜、溶劑浪費(fèi)以及不適合大規(guī)模制備。以往關(guān)于吩嗪衍生物的研究主要集中在生產(chǎn)和鑒定上，對高效純化方法的關(guān)注較少。對于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的需求，基于大孔樹脂的分離和富集方法因高效、低成本和操作簡便而顯得很有前景（Aljawarneh等人，2024年；Bilal等人，2018年）。目前，大孔樹脂因其從傳統(tǒng)中藥（TCM）中回收大分子、代謝物和化合物的潛力而受到廣泛研究。這些化合物包括香豆素、黃酮類、木脂素、酚類和萜類（Mei等人，2025年；Yao等人，2015年）。大孔樹脂成本低廉、耐用，且由于具有高結(jié)合能力和易于再生，能夠有效從復(fù)雜混合物中富集所需化合物（Jatoi等人，2023年；Tang等人，2021年）。
迄今為止，僅有一篇報道描述了使用不同大孔樹脂從發(fā)酵液中純化吩嗪-1-羧酸（PCA）的方法，為當(dāng)前的研究提供了基礎(chǔ)（Mei等人，2025年）。由于醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ψ脏貉苌锏男枨蟛粩嘣鲩L，本研究旨在開發(fā)一種高效且簡單的方法，用于初始分離和純化3-OH-PCA。對可能影響五種不同樹脂吸附和脫附比例及容量的多個參數(shù)進(jìn)行了徹底研究。此外，還采用了一種基于樹脂的吸附色譜方法來評估其分離和純化3-OH-PCA的效率和實(shí)用性。本研究的結(jié)果將有助于推進(jìn)3-OH-PCA分離和純化技術(shù)的發(fā)展。
部分內(nèi)容摘錄
化學(xué)品和試劑
大孔樹脂（HZ-818、HZ-801、D001和D155）由上海華振科技有限公司（中國上海）提供，而HP-20大孔樹脂由日本三菱化學(xué)公司提供。所選樹脂的物理化學(xué)性質(zhì)詳見表1。用于靜態(tài)脫附和動態(tài)洗脫的甲醇（>99.9%）由上海Macklin生化有限公司提供。用于HPLC分析的乙腈和甲酸選擇用于3-OH-PCA純化的大孔樹脂
大孔樹脂（MARS）的效率與其物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，如表面積、極性和平均孔徑（Sandhu和Gu，2013年）。此外，氫鍵和范德華相互作用也參與了溶質(zhì)在樹脂上的吸附過程（Guo等人，2025年；Liu等人，2021年）。在本研究中，評估了五種不同類型的大孔樹脂（HP-20、HZ-801、HZ-818、D155和D001）以及3-OH-PCA的分離條件結(jié)論
本研究探討了從A. sclerotiorum ASJ82的生物轉(zhuǎn)化液中富集、分離和純化3-OH-PCA的方法。在多種操作條件下使用了五種不同的大孔吸附劑來評估其純化效果。在所研究的樹脂中，HZ-818樹脂在吸附容量和純化效率方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其吸附容量為21.2±1.2 mg/g干樹脂。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Israr Khan：撰寫 – 審稿與編輯。Kashif Hayat：撰寫 – 審稿與編輯，概念構(gòu)思。Malik Jan：撰寫 – 初稿撰寫，可視化，方法設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)分析，概念構(gòu)思。Ibrar Khan：撰寫 – 審稿與編輯。Aadil Ahmed Memon：撰寫 – 審稿與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財(cái)務(wù)利益或個人關(guān)系。
