一种基于共价有机框架材料的抗菌型发酵添加剂、其制备及应用制造技术

本发明专利技术针对发酵过程中的调控问题，创造性地设计共价有机框架材料作为具有广泛适用性的新型载体材料，通过吸附手段高效负载抗菌分子(如蛋白、酶、多肽、抗生素等)，从而制备智能pH响应工业添加剂，用于发酵过程的杂菌污染调控。用此技术制备的新型发酵添加剂具有高稳定性和耐用性，成功解决生物制造领域发酵过程中的杂菌污染问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共价有机框架材料的抗菌型发酵添加剂、其制备及应用
本专利技术涉及材料化学和生物学、微生物学，尤其是涉及基于共价有机框架材料的抗菌型发酵添加剂，其制备方法以及在生物制造领域方面的应用。
技术介绍
绿色生物制造对于实现经济社会可持续发展具有十分重要的意义，其中，发展智能调控能够提高培养基发酵效率，节省人力成本，有效避免经济损失，是生物制造领域当前的趋势。然而，如何实现精细调控是其中的一大难点，特别是在发酵过程中，发酵液中含有丰富的营养成份,是微生物生长的良好培养基,如果在发酵过程中调控不善,引起的有害微生物的污染会造成巨大的经济损失。为了预防和控制发酵过程中的有害微生物，通常添加合成抗菌剂。但是市场对减少其使用和用天然成分替代的要求越来越高。因此，天然添加剂是满足这一市场需求的有力的选择。但是生物分子的不稳定性和成本问题阻碍了它们的应用。因此，迫切需要探索开发抗菌剂的新剂型来保护生物分子同时实现智能调控。共价有机框架材料(Covalentorganicframeworks,COFs)是近年来迅速发展的新一代多孔材料。它们凭借高比表面积、高孔道率，孔道大小容易调控等性能，在气体吸附与分离、传感、生物催化、生物医药等方面的应用发展迅速。共价有机框架材料具有很好的结晶性、明确的空间结构和孔道环境，表现出了非凡的吸附能力，并能对其所吸附的客体分子进行智能响应释放，同时，共价有机框架材料清晰的结构可以清楚地研究和分析材料与其所吸附/负载、释放的客体分子间的相互作用和相关机理，这些非凡性能使得多孔框架材料在生物制造领域的应用价值开始引起关注。目前尚无关于其在发酵领域方面的深入研究。本专利技术首次研究和发展了共价有机框架材料在发酵工业中的创新性应用，并实现了良好的技术效果。本研究将首次将抗菌分子通过孔道封装的手段引入共价有机框架材料中，形成的一种智能响应的复合制剂可以有效的抑制啤酒发酵过程中的微生物污染，保障发酵过程的有序进行。实现了酵母菌发酵过程中的精准调控，抵制杂菌污染。并且，在共价有机框架材料的保护壳下，生物分子能较好的抵制恶劣环境，这为绿色生物制造领域提供了新的解决方案。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于共价有机框架材料的抗菌型发酵添加剂，解决生物制造领域发酵过程中的杂菌污染问题，此技术简便高效、成本较低，在实现对于发酵体系智能响应调控的同时，还可以可显著提高生物分子的稳定性，可有效降低其成本，避免经济损失。本专利针对制备应用于发酵工业中的添加剂，有效避免发酵过程中的杂菌污染，创造性地利用共价有机框架材料(COFs)与生物分子形成生物分子-多孔框架材料复合物，实现智能pH响应的同时，保护生物分子耐受较为恶劣的环境，提高其稳定性。一方面，本专利技术提供一种发酵添加剂，其特征在于，包括发酵添加剂中的抗菌分子和用于负载抗菌分子的载体，其中载体为共价-有机框架材料，抗菌分子位于共价-有机框架材料的孔道中。优选的，所述共价有机框架材料为亚胺键类COFs材料，该材料可以实现pH响应。优选的，所述共价有机框架材料随着pH的变化，其带电性质发生改变。优选的，共价有机框架材料包括但不限于：TPA-DMTP、TPB-DMTP、TPT-DMTP。优选的，pH越低，所述发酵添加剂释放的抗菌分子越多。优选的，抗菌分子，包括但不限于多肽、蛋白质、抗体、酶、抗生素、核酸中的任意一种或几种。优选的，所述多肽为乳酸链球菌素。用于发酵添加剂应用的共价有机框架材料，其特征在于，共价有机框架材料可以负载抗菌分子，而不会破坏其活性，同时可以实现pH响应，随着pH的降低，抗菌分子与材料之间的静电斥力变强，从而引起抗菌分子的释放。优选地，用于制备发酵添加剂的共价有机框架材料，其特征在于，共价有机框架材料可以对所负载的分子进行智能响应释放。另一方面，本专利技术提供一种发酵添加剂的制备方法，其特征在于，该共价有机框架材料负载抗菌分子可以通过吸附负载到材料孔道中，形成抗菌分子-COFs材料复合物。本专利技术也对筛选得到的共价有机框架材料进行了细胞毒性测试以确保其安全性。另一方面，本专利技术还提供一种发酵添加剂的用途，其特征在于，该发酵添加剂作为抗菌剂应用于工业发酵过程，该过程优选为啤酒发酵。本专利技术将共价有机框架材料与抗菌分子nisin(乳酸链球菌素)形成复合物用于发酵工业。该复合物中的抗菌分子与共价有机框架材料构成的复合物，随着pH的降低，抗菌分子的释放速率加快，这可以很好的应用于发酵工业，例如在啤酒发酵过程中，发酵过程未进行时，抗菌剂释放量少或无释放，发酵过程中(pH5～6)，适度的释放量可以防止预防杂菌的污染。如若出现染菌情况，引起的pH值的降低可以激发材料释放更多的抗菌剂，来杀死有害菌种，保证发酵过程的有序进行。更重要的是，复合物对于发酵菌种，酿酒酵母无任何影响。进一步证明了形成的复合物可以应用于整个发酵过程，提高生产效率，避免杂菌污染引起的经济损失。附图说明：图1：Nisin在不同pH下从COFs复合材料中的释放曲线。图2：Nisin在不同pH下(pH为5和3)从COFs复合材料中的交替循环释放曲线。图3：Nisin@COFs复合物在不同pH下的抑菌圈。图4：在短乳杆菌和酿酒酵母共存的条件下，不同pH值下nisin@TPB-DMTP复合物对酿酒酵母菌的抑制情况。图5：在短乳杆菌和酿酒酵母共存的条件下，不同pH值下nisin@COFs复合物材料对短乳杆菌的抑制情况。具体实施方式：除非本专利上下文中另有其他说明，否则本专利中所用技术术语及缩写均具有本领域技术人员所知的常规含义；除非另有说明，否则下述实施例中所用原料化合物均为商购获得。按照本专利技术所提到的，共价有机框架材料的合成、各种性能的表征测试及其对活性物质的活性测试的方法，其具体实施方式如下。下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。申请人声明，本专利技术通过上述实施例来说明本专利技术的基于共价-有机框架材料的发酵添加剂的制备和应用，但本专利技术并不局限于上述实施例，即不意味着本专利技术必须依赖上述实施例才能实施。所属
的技术人员应该明了，对本专利技术的任何改进，对本专利技术产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本专利技术的保护范围和公开范围之内。实施例1：用于负载的共价有机框架材料TPA-DMTP、TPB-DMTP、TPT-DMTP的合成，具体实施步骤如下：TPA-DMTP：分别称取配体三(4-氨基苯基)胺(TPA11.6mg)和2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛(DMTP11.7mg)加入厚壁耐热玻璃管中，再加入0.2mL邻二氯苯、0.8mL正丁醇和0.2mL,3M乙酸，然后在液氮中快速冰冻，再抽真空，然后用氢氧机火焰封管。将封好的玻璃管放入120℃的烘箱中反应3天。TPB-DMTP：分别称取配体1,3,5-三(4-硝基苯基)苯(TPB14,1mg)和2,5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发酵添加剂，其特征在于，包括发酵添加剂中的抗菌分子和用于负载抗菌分子的载体，其中载体为共价有机框架材料，抗菌分子位于共价有机框架材料的孔道中。/n

【技术特征摘要】
1.一种发酵添加剂，其特征在于，包括发酵添加剂中的抗菌分子和用于负载抗菌分子的载体，其中载体为共价有机框架材料，抗菌分子位于共价有机框架材料的孔道中。


2.根据权利要求1所述的发酵添加剂，其特征在于，所述共价有机框架材料为为亚胺键类COFs材料，该类材料可以实现pH响应。


3.根据权利要求1或2所述的发酵添加剂，其特征在于，所述共价有机框架材料随着pH的变化，其带电性质发生改变。


4.根据权利要求1或2所述的发酵添加剂，其特征在于，所述共价有机框架材料为TPA-DMTP、TPB-DMTP、TPT-DMTP。


5.根据权利要求1或2所述的发酵添加剂，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑶，张振杰，段文杰，张赛男，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12