自絮凝酵母超高濃度乙醇發(fā)酵及其生理生化研究.pdf

1、超高濃度(VHG)乙醇發(fā)酵是非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，它具有提高終點(diǎn)乙醇濃度的潛力，可以大大降低能耗，節(jié)省成本。然而，在VHG發(fā)酵條件下，隨著滲透壓的增大和乙醇濃度的不斷升高酵母處于脅迫環(huán)境下，菌體活性降低，從而導(dǎo)致發(fā)酵不完全。本文對(duì)尋找可提高自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵水平的方法進(jìn)行了研究，并探討了與此相關(guān)的菌體生理生化的變化。主要研究?jī)?nèi)容如下： ⑴考察了不同起始葡萄糖濃度對(duì)自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著葡萄糖起始濃度

2、的提高，殘?zhí)菨舛仍黾?，發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)用葡萄糖起始濃度為300 g/L進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，所得的終點(diǎn)乙醇濃度最高，為13.1％(v/v)。提示葡萄糖濃度為300 g/L可能是當(dāng)前發(fā)酵條件下自絮凝酵母對(duì)葡萄糖耐受性的濃度界限點(diǎn)。因此，選擇葡萄糖起始濃度為300 g/L進(jìn)行后續(xù)的VHG乙醇發(fā)酵研究。 ⑵考察了作為氮源的酵母浸出膏或蛋白胨濃度的改變，外源添加不同濃度的金屬離子Mg2+或Ca2+對(duì)自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵的影響。當(dāng)培養(yǎng)基中酵母浸

3、出膏和蛋白胨的含量分別為12.0 g/L和6.0 g/L時(shí)，終點(diǎn)乙醇濃度分別達(dá)到14.7％(v/v)和14.4％(v/v)，比對(duì)照組(13.1％，v/v) 分別提高了12％和10％。而當(dāng)Mg2+和Ca2+的添加濃度分別為6.0 mmol/L和1.0 mmol/L時(shí)，終點(diǎn)乙醇濃度可分別達(dá)到14.3％(v/v)和14.4％(v/v)。比較金屬離子和氮源對(duì)VHG乙醇發(fā)酵的促進(jìn)作用可以發(fā)現(xiàn)，外源添加6.0 mmol/L Mg2+或1.0 mmo

4、l/LCa2+，與提高蛋白胨濃度（從3.0到6.0 g/L）或酵母浸出膏（從5.0到12.0 g/L） 所達(dá)到的終點(diǎn)乙醇濃度相近，這表明Mg2+或Ca2+可以部分取代酵母浸出膏或蛋白胨來促進(jìn)VHG乙醇發(fā)酵，這是一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這將會(huì)明顯降低乙醇的生產(chǎn)成本。 ⑶考察了培養(yǎng)基中含12.0 g/L酵母浸出膏或6.0 g/L蛋白胨、外源添加6.0 mmol/L Mg2+或1.0 mmol/L Ca2+條件下菌體生理生化的變化，以探索這

5、些因素促進(jìn)VHG乙醇發(fā)酵的可能機(jī)理。發(fā)酵培養(yǎng)基中含12.0 g/L酵母浸出膏或6.0 g/L蛋白胨可以增強(qiáng)自絮凝酵母抵抗高濃度葡萄糖脅迫的能力進(jìn)而促進(jìn)發(fā)酵，且這種促進(jìn)作用與菌體質(zhì)膜ATP酶的激活和胞內(nèi)海藻糖的積累密切相關(guān)。而Mg2+對(duì)發(fā)酵的促進(jìn)作用主要是激活A(yù)TP酶使菌體適應(yīng)高濃度葡萄糖的脅迫，Ca2+則是通過迅速增加胞內(nèi)海藻糖含量以抵抗外界不利條件的影響。這是首次關(guān)于質(zhì)膜ATP酶和胞內(nèi)海藻糖對(duì)酵母細(xì)胞抵抗高濃度葡萄糖脅迫起積極作用進(jìn)而

6、促進(jìn)VHG乙醇發(fā)酵的報(bào)道。 ⑷采用均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化了（基于300 g/L起始濃度葡萄糖的）培養(yǎng)基組成，得出培養(yǎng)基最佳優(yōu)化組合為Mg2+6.3 mmol/L、Ca2+5.0 mmol/L、蛋白胨15.0 g/L、酵母浸出膏21.5 g/L。預(yù)測(cè)最優(yōu)結(jié)果為17.4％(v/v)，實(shí)測(cè)均值為17.1％(v/v)，相對(duì)誤差為1.7％。在該優(yōu)化條件下，終點(diǎn)乙醇濃度比優(yōu)化前提高了30％，發(fā)酵時(shí)間縮短了24 h。與單因素條件相比，在該條件下的菌體