复合米根霉直接发酵淀粉制备L_乳酸代谢调控提高产酸率的方法
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111 材料与仪器
米根 霉 31819 /31851 诱变 选 育 后 本 实 验 室 保 藏 ;马铃薯淀粉 甘肃省腾胜蔬菜土特产购销有限 责任公司提供 ;植酸 本实验室以麸皮为原料提取 [4 ] ; 锌离子 、镁离子 为分析纯 ,分别 以 ZnSO4 ·7H2 O、 M gSO4 ·7H2 O 的量计算 ;硫酸铵 、磷酸二氢钾 分析 纯 ; D315大孔弱碱树脂 华东理工大学华震科技贸 易公司 ; 732强酸性阳离子交换树脂 中胜德化工材 料有限公司 。
植酸促进米根霉代谢产酸的作用 体现 在两 方 面 ,一是对菌种本身的生长促进 、强化作用 ; 二是对 菌种生长代谢过程的调解 、激发作用 。 21111 植酸对米根霉自身生长的促进作用 植酸对 米根霉自身生长具有促进作用 ,在完全相同的发酵 条件下 ,投加植酸和未投加植酸的菌体生长状况进 行比较 ,结果如图 2,图 3。
图 2 发酵过程投加植酸与未投加植酸对菌体生长的影响 在米根霉发酵马铃薯淀粉的过程中 ,马铃薯淀
粉投加量相同 ,发酵条件相同 ,一组投加植酸 、另一 组未投加植酸 ,同时进行发酵实验 。最终实验得出 结论 ,得到相同生物量 (米根霉发酵产生的菌体 ) ,投 加植酸的发酵过程所需时间明显短于未投加植酸的 发酵过程 ,如图 3。说明植酸在米根霉直接发酵马铃 薯淀粉过程中对米根霉自身的生长具有促进 、强化 作用 ,使得发酵所需时间缩短约 10h。
L - 乳酸的研究和生产一直受到世界各国的重 视 ,由于 L -乳酸具有优良的性能使其具有广阔的市 场前景 ,目前已广泛应用在医药 、食品 、化工 、农业 、 环境等诸多方面 ,而且由于环境友好 、能消除白色污 染 、可生物降解 的新 材料 聚 L - 乳酸 的广 阔 应用 前 景 [ 1, 2 ] ,使得 L -乳酸得到愈来愈多的重视 。由于人体 只能利用 L -乳酸 ,因此世界卫生组织提倡在食品及 医药行业使用 L - 乳酸取代目前普遍使用的 DL - 乳 酸 [3 ] 。同时 ,生产 L - 乳酸的原料来源于可再生的生 物质原料 ,通过微生物发酵而得到 L - 乳酸 。但目前 微生物发酵过程的产酸率低 ,微生物对原料的利用 率低 ,容易累积产生其它非目标产物 ,生产周期长 , 而且大多数生产得到无旋光性的混合物 DL - 乳酸 , 制约了 L -乳酸生产的发展 。针对目前存在的问题 , 在微生物发酵过程中引入代谢调控手段 ,投加适量 植酸 、镁离子 、锌离子可促使 L -乳酸的产量得到进一
图 1 米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备 L -乳酸工艺流程图
113 实验过程
马铃薯淀粉经微波灭菌后投入到发酵罐 ,按比 例再投加氮源及无机盐等 ; 调配好发酵培养基后将 扩大培养好的种子按 15%接种量转入至发酵罐中 ; 发酵开始时即投加锌离子 ,发酵进行约 5h投加镁离 子 ,发酵进行约 10h 投加植酸 ; 发酵过程控制温度 32℃,控制 pH 为 512,转速 300 r /m in,供气量 85L / h; 发酵结束后对发酵醪液经高速冷冻离心机分离 ,膜 过滤 ,离子交换树脂及大孔树脂等纯化 ,最后经真空 浓缩得 L -乳酸成品 。
D ire c t fe rm e n ta tio n o f s ta rch to L - la c tic a c id by com po s ite fung i w ith m e tho d s o f co n tro lling m e ta bo lism to im p ro ving the yie ld
B IO F- 2005全自动发酵罐 上海高机实业总公 司 ; YLD - 6000 生化培养箱 扬州鸿都电子有限公 司 ; SH Z- 82A 恒温振荡器 常州国华电器有限公司 ; W F- 4000微波灭菌系统 上海屹尧分析仪器有限公 司 ,用于对马铃薯生淀粉进行灭菌 ; R E - 52A 旋转蒸 发器 上海亚荣生化仪器厂 ; Su rveyo r高效液相色谱 (H PLC) F INN IGAN。
收稿日期 : 2007- 10- 16 作者简介 :隽惠玲 (1962- ) ,女 ,学士 ,主要从事天然药物研究与开发 、
临床医学 、生物化工等工作 。 基金项目 :国家科技部农业科技成果转化项目 (04EFN216200295) 。
步提高 ,有望突破 L -乳酸产酸率低的瓶颈 。
1 材料与方法
研究与探讨
食品工业科技 V ol. 29, N o. 06, 2008
复合米根霉直接发酵淀粉制备 L - 乳酸代谢调控提高产酸率的方法
隽惠玲 ,王国英 ,史高峰 ,李春雷 ,陈学福 (兰州理工大学石油化工学院 ,甘肃兰州 730050)
摘 要 :米根霉直接发酵淀粉制备 L -乳酸产酸率低 ,仅通过改良菌种本身难以进一步提高产酸率 。通过代谢调控可 进一步增加菌种的产酸能力 ,提高发酵水平 。在米根霉发酵过程中投加植酸 、镁离子 、锌离子对提高 L -乳酸的产酸率 起到促进作用 ,最终 L -乳酸产酸率提高至 12% ,与未经过调控过程相比产酸率提高 2%。 关键词 :米根霉 ,直接发酵 ,马铃薯淀粉 , L -乳酸 ,代谢调控
A b s tra c t: In the p roc e s s of d ire c t p rod uc tion of L - la c tic a c id from s ta rc h b y R h izop us o ryza e, the y ie ld of L - la c tic a c id is low 1 The re a re d iffic u ltie s to fu rthe r inc re a s ing L - la c tic a c id y ie ld , if im p rov ing the s tra in its e lf m e re ly1 M e ta b o lic re g u la tions c a n fu rthe r inc re a s e a c id - p rod uc ing a b ility a nd im p rove fe rm e n ta tion le ve l1 In the p roc e s s of fe rm e n ta tion, p hy tic a c id , z inc ion a nd m a g ne s ium ion, w h ic h w e re a d d e d in the fe rm e n to r, c ou ld fu rthe r im p rove the y ie ld of L - la c tic a c id 1 Fina lly, the y ie ld ra te of L - la c tic a c id w a s 12% a nd inc re a s e 2% c om p a re d w ith w ithou t m e ta b o lic re g u la tions 1 Ke y wo rd s: R h izop us o ryza e; d ire c t fe rm e n ta tion; p o ta to s ta rc h; L - la c tic a c id; m e ta b o lic re g u la tion 中图分类号 : TS20112 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 1002- 0306 (2008) 06- 0095- 05
JUN Hu i- ling, W ANG Guo- y ing, SH I Gao- feng, L I Chun - le i, CHEN Xue- fu
( Schoo l of Petroleum and Chem ical Engineering, Lanzhou University of Science and Techno logy, Lanzhou 730050, China)
投加植酸与未投加植酸对菌体的促进作用 ,在
9 6 2008年第 06期
整个发酵过程中的前 30h没有明显区别 ,而在 40h之 后植酸对米根霉生长的促进作用明显增强 ,见图 2。 在相同的发酵条件下 ,投加植酸的工艺中 ,米根霉生 长达到的最终生物量近 9g /L ,而未投加植酸的工艺 中米根霉最终的生物量近 7g /L。实验过程表明 ,在 米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备乳酸的过程中 ,投 加适量植酸能够促进米根霉菌体的生长 ,但这种促 进作用约 30h后才能充分发挥 。
112 工艺流程
米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备 L -乳酸整个过 程主要由三部分组成 :微生物种子培养 ;发酵过程控
2008年第 06期 9 5
食品工业科技
S cience and Technology of Food Industry
; 发酵液分离提纯获取 高纯度 L -乳酸最终产品 。工艺流程如图 1所示 。
米根霉在直接发酵生产乳酸时自身可以产生淀 粉酶 ,只是速度慢 ,需要较长时间 ,使得发酵周期延 长 [5 ] 。而在发酵过程中投加植酸促进米根霉自身产 生淀粉酶 ,使其加快速度 ,缩短发酵周期 ,以满足工 业化生产的要求 。为了确定米根霉是否可以直接利 用马铃薯淀粉 ; 米根霉在利用马铃薯淀粉时需要发 酵多长时间能够产生更大量的 L - 乳酸 ;植酸是否有 促进米根霉自身酶系产生的潜在能力等三方面的可 行性 ,我们进行了一组无限延长时间的发酵实验 ,直 至酸产量不再增加 ,最终得到淀粉转化率和乳酸产 率比发酵 90h 均 有 明 显 提 高 (发 酵 90h 产 酸 率 为
211 植酸代谢调控的机理及对菌种产酸的影响
米根霉发酵马铃薯淀粉制备 L - 乳酸过程中 ,米 根霉的生长代谢较缓慢 ,发酵周期长 ,但米根霉代谢 产生得到高光学纯度的 L - 乳酸 ,这也正是研究用米 根霉发酵制备 L -乳酸的价值所在 。而针对米根霉生 长代谢缓慢 、发酵周期长 、产酸率低的弱点 ,从米根 霉自身结构和代谢途径分析 ,通过实验分析研究证 实 :在米根霉发酵过程中 ,投加植酸对提高 L -乳酸产 酸率有促进作用 ,并能促进菌种生长代谢 。
图 3 得到相同生物量投加植酸对其产生的影响 21112 植酸在菌种生长代谢过程中的作用 植酸对 米根霉在代谢过程中整个代谢网络的调控和促进作 用 ,促使菌种 自身 酶的 产生 , 迫 使菌 种快 速产 生酶 系 ,并激发酶活性 ,将淀粉转化为丙酮酸 ,这仅是整 个代谢的前部分 ,还需要进一步的复杂转化 ,将丙酮 酸再转化为目标产物 L -乳酸 。正是植酸的存在才促 使米根霉自身的酶系在短时间内产生 ,并激发酶活 性 ,使得整个发酵周期缩短 ,这样可解决目前因发酵 周期过长而增加发酵企业生产成本的问题 。
2 结果与讨论
发酵过程的核心是对微生物的有效利用 ,微生 物的生长一般处于“失控 ”状态 ,并不能非常有效的 将底物理想地转化为我们想得到的目标产物 。诱变 筛选等菌种选育手段可以提高菌种的性能 ,但对菌 种自身性能的改良是有一定极限的 ,不可能无限制 的提高上去 ,这也是限制了目前一些发酵产品发展 的瓶颈所在 。若想要微生物更好的发挥其作用 、更 好的为人类服务 ,就要在其生长过程中进行人为的 “限制 ”和“引导 ”,使其朝我们想要得到的目标产物 的方向生 长 , 这就 要在 发酵 过程 中 进行 代谢 调控 。 在采用马铃薯淀粉发酵制备 L -乳酸的过程中 ,我们 采用投加植酸 、Zn2 + 、M g2 + 的调控手段 (通过实验得 出该三种物质对 L - 乳酸产量影响最明显 ) ,将诱变 选育的菌种经过调控后 ,其产酸水平得到提高 ,菌种 生长旺盛 ,缩短发酵周期 。在马铃薯淀粉直接发酵 制备 L -乳酸的发酵过程中 ,对代谢调控手段对产酸 水平产生的影响做了初步分析 。
米根 霉 31819 /31851 诱变 选 育 后 本 实 验 室 保 藏 ;马铃薯淀粉 甘肃省腾胜蔬菜土特产购销有限 责任公司提供 ;植酸 本实验室以麸皮为原料提取 [4 ] ; 锌离子 、镁离子 为分析纯 ,分别 以 ZnSO4 ·7H2 O、 M gSO4 ·7H2 O 的量计算 ;硫酸铵 、磷酸二氢钾 分析 纯 ; D315大孔弱碱树脂 华东理工大学华震科技贸 易公司 ; 732强酸性阳离子交换树脂 中胜德化工材 料有限公司 。
植酸促进米根霉代谢产酸的作用 体现 在两 方 面 ,一是对菌种本身的生长促进 、强化作用 ; 二是对 菌种生长代谢过程的调解 、激发作用 。 21111 植酸对米根霉自身生长的促进作用 植酸对 米根霉自身生长具有促进作用 ,在完全相同的发酵 条件下 ,投加植酸和未投加植酸的菌体生长状况进 行比较 ,结果如图 2,图 3。
图 2 发酵过程投加植酸与未投加植酸对菌体生长的影响 在米根霉发酵马铃薯淀粉的过程中 ,马铃薯淀
粉投加量相同 ,发酵条件相同 ,一组投加植酸 、另一 组未投加植酸 ,同时进行发酵实验 。最终实验得出 结论 ,得到相同生物量 (米根霉发酵产生的菌体 ) ,投 加植酸的发酵过程所需时间明显短于未投加植酸的 发酵过程 ,如图 3。说明植酸在米根霉直接发酵马铃 薯淀粉过程中对米根霉自身的生长具有促进 、强化 作用 ,使得发酵所需时间缩短约 10h。
L - 乳酸的研究和生产一直受到世界各国的重 视 ,由于 L -乳酸具有优良的性能使其具有广阔的市 场前景 ,目前已广泛应用在医药 、食品 、化工 、农业 、 环境等诸多方面 ,而且由于环境友好 、能消除白色污 染 、可生物降解 的新 材料 聚 L - 乳酸 的广 阔 应用 前 景 [ 1, 2 ] ,使得 L -乳酸得到愈来愈多的重视 。由于人体 只能利用 L -乳酸 ,因此世界卫生组织提倡在食品及 医药行业使用 L - 乳酸取代目前普遍使用的 DL - 乳 酸 [3 ] 。同时 ,生产 L - 乳酸的原料来源于可再生的生 物质原料 ,通过微生物发酵而得到 L - 乳酸 。但目前 微生物发酵过程的产酸率低 ,微生物对原料的利用 率低 ,容易累积产生其它非目标产物 ,生产周期长 , 而且大多数生产得到无旋光性的混合物 DL - 乳酸 , 制约了 L -乳酸生产的发展 。针对目前存在的问题 , 在微生物发酵过程中引入代谢调控手段 ,投加适量 植酸 、镁离子 、锌离子可促使 L -乳酸的产量得到进一
图 1 米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备 L -乳酸工艺流程图
113 实验过程
马铃薯淀粉经微波灭菌后投入到发酵罐 ,按比 例再投加氮源及无机盐等 ; 调配好发酵培养基后将 扩大培养好的种子按 15%接种量转入至发酵罐中 ; 发酵开始时即投加锌离子 ,发酵进行约 5h投加镁离 子 ,发酵进行约 10h 投加植酸 ; 发酵过程控制温度 32℃,控制 pH 为 512,转速 300 r /m in,供气量 85L / h; 发酵结束后对发酵醪液经高速冷冻离心机分离 ,膜 过滤 ,离子交换树脂及大孔树脂等纯化 ,最后经真空 浓缩得 L -乳酸成品 。
D ire c t fe rm e n ta tio n o f s ta rch to L - la c tic a c id by com po s ite fung i w ith m e tho d s o f co n tro lling m e ta bo lism to im p ro ving the yie ld
B IO F- 2005全自动发酵罐 上海高机实业总公 司 ; YLD - 6000 生化培养箱 扬州鸿都电子有限公 司 ; SH Z- 82A 恒温振荡器 常州国华电器有限公司 ; W F- 4000微波灭菌系统 上海屹尧分析仪器有限公 司 ,用于对马铃薯生淀粉进行灭菌 ; R E - 52A 旋转蒸 发器 上海亚荣生化仪器厂 ; Su rveyo r高效液相色谱 (H PLC) F INN IGAN。
收稿日期 : 2007- 10- 16 作者简介 :隽惠玲 (1962- ) ,女 ,学士 ,主要从事天然药物研究与开发 、
临床医学 、生物化工等工作 。 基金项目 :国家科技部农业科技成果转化项目 (04EFN216200295) 。
步提高 ,有望突破 L -乳酸产酸率低的瓶颈 。
1 材料与方法
研究与探讨
食品工业科技 V ol. 29, N o. 06, 2008
复合米根霉直接发酵淀粉制备 L - 乳酸代谢调控提高产酸率的方法
隽惠玲 ,王国英 ,史高峰 ,李春雷 ,陈学福 (兰州理工大学石油化工学院 ,甘肃兰州 730050)
摘 要 :米根霉直接发酵淀粉制备 L -乳酸产酸率低 ,仅通过改良菌种本身难以进一步提高产酸率 。通过代谢调控可 进一步增加菌种的产酸能力 ,提高发酵水平 。在米根霉发酵过程中投加植酸 、镁离子 、锌离子对提高 L -乳酸的产酸率 起到促进作用 ,最终 L -乳酸产酸率提高至 12% ,与未经过调控过程相比产酸率提高 2%。 关键词 :米根霉 ,直接发酵 ,马铃薯淀粉 , L -乳酸 ,代谢调控
A b s tra c t: In the p roc e s s of d ire c t p rod uc tion of L - la c tic a c id from s ta rc h b y R h izop us o ryza e, the y ie ld of L - la c tic a c id is low 1 The re a re d iffic u ltie s to fu rthe r inc re a s ing L - la c tic a c id y ie ld , if im p rov ing the s tra in its e lf m e re ly1 M e ta b o lic re g u la tions c a n fu rthe r inc re a s e a c id - p rod uc ing a b ility a nd im p rove fe rm e n ta tion le ve l1 In the p roc e s s of fe rm e n ta tion, p hy tic a c id , z inc ion a nd m a g ne s ium ion, w h ic h w e re a d d e d in the fe rm e n to r, c ou ld fu rthe r im p rove the y ie ld of L - la c tic a c id 1 Fina lly, the y ie ld ra te of L - la c tic a c id w a s 12% a nd inc re a s e 2% c om p a re d w ith w ithou t m e ta b o lic re g u la tions 1 Ke y wo rd s: R h izop us o ryza e; d ire c t fe rm e n ta tion; p o ta to s ta rc h; L - la c tic a c id; m e ta b o lic re g u la tion 中图分类号 : TS20112 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 1002- 0306 (2008) 06- 0095- 05
JUN Hu i- ling, W ANG Guo- y ing, SH I Gao- feng, L I Chun - le i, CHEN Xue- fu
( Schoo l of Petroleum and Chem ical Engineering, Lanzhou University of Science and Techno logy, Lanzhou 730050, China)
投加植酸与未投加植酸对菌体的促进作用 ,在
9 6 2008年第 06期
整个发酵过程中的前 30h没有明显区别 ,而在 40h之 后植酸对米根霉生长的促进作用明显增强 ,见图 2。 在相同的发酵条件下 ,投加植酸的工艺中 ,米根霉生 长达到的最终生物量近 9g /L ,而未投加植酸的工艺 中米根霉最终的生物量近 7g /L。实验过程表明 ,在 米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备乳酸的过程中 ,投 加适量植酸能够促进米根霉菌体的生长 ,但这种促 进作用约 30h后才能充分发挥 。
112 工艺流程
米根霉直接发酵马铃薯淀粉制备 L -乳酸整个过 程主要由三部分组成 :微生物种子培养 ;发酵过程控
2008年第 06期 9 5
食品工业科技
S cience and Technology of Food Industry
; 发酵液分离提纯获取 高纯度 L -乳酸最终产品 。工艺流程如图 1所示 。
米根霉在直接发酵生产乳酸时自身可以产生淀 粉酶 ,只是速度慢 ,需要较长时间 ,使得发酵周期延 长 [5 ] 。而在发酵过程中投加植酸促进米根霉自身产 生淀粉酶 ,使其加快速度 ,缩短发酵周期 ,以满足工 业化生产的要求 。为了确定米根霉是否可以直接利 用马铃薯淀粉 ; 米根霉在利用马铃薯淀粉时需要发 酵多长时间能够产生更大量的 L - 乳酸 ;植酸是否有 促进米根霉自身酶系产生的潜在能力等三方面的可 行性 ,我们进行了一组无限延长时间的发酵实验 ,直 至酸产量不再增加 ,最终得到淀粉转化率和乳酸产 率比发酵 90h 均 有 明 显 提 高 (发 酵 90h 产 酸 率 为
211 植酸代谢调控的机理及对菌种产酸的影响
米根霉发酵马铃薯淀粉制备 L - 乳酸过程中 ,米 根霉的生长代谢较缓慢 ,发酵周期长 ,但米根霉代谢 产生得到高光学纯度的 L - 乳酸 ,这也正是研究用米 根霉发酵制备 L -乳酸的价值所在 。而针对米根霉生 长代谢缓慢 、发酵周期长 、产酸率低的弱点 ,从米根 霉自身结构和代谢途径分析 ,通过实验分析研究证 实 :在米根霉发酵过程中 ,投加植酸对提高 L -乳酸产 酸率有促进作用 ,并能促进菌种生长代谢 。
图 3 得到相同生物量投加植酸对其产生的影响 21112 植酸在菌种生长代谢过程中的作用 植酸对 米根霉在代谢过程中整个代谢网络的调控和促进作 用 ,促使菌种 自身 酶的 产生 , 迫 使菌 种快 速产 生酶 系 ,并激发酶活性 ,将淀粉转化为丙酮酸 ,这仅是整 个代谢的前部分 ,还需要进一步的复杂转化 ,将丙酮 酸再转化为目标产物 L -乳酸 。正是植酸的存在才促 使米根霉自身的酶系在短时间内产生 ,并激发酶活 性 ,使得整个发酵周期缩短 ,这样可解决目前因发酵 周期过长而增加发酵企业生产成本的问题 。
2 结果与讨论
发酵过程的核心是对微生物的有效利用 ,微生 物的生长一般处于“失控 ”状态 ,并不能非常有效的 将底物理想地转化为我们想得到的目标产物 。诱变 筛选等菌种选育手段可以提高菌种的性能 ,但对菌 种自身性能的改良是有一定极限的 ,不可能无限制 的提高上去 ,这也是限制了目前一些发酵产品发展 的瓶颈所在 。若想要微生物更好的发挥其作用 、更 好的为人类服务 ,就要在其生长过程中进行人为的 “限制 ”和“引导 ”,使其朝我们想要得到的目标产物 的方向生 长 , 这就 要在 发酵 过程 中 进行 代谢 调控 。 在采用马铃薯淀粉发酵制备 L -乳酸的过程中 ,我们 采用投加植酸 、Zn2 + 、M g2 + 的调控手段 (通过实验得 出该三种物质对 L - 乳酸产量影响最明显 ) ,将诱变 选育的菌种经过调控后 ,其产酸水平得到提高 ,菌种 生长旺盛 ,缩短发酵周期 。在马铃薯淀粉直接发酵 制备 L -乳酸的发酵过程中 ,对代谢调控手段对产酸 水平产生的影响做了初步分析 。