一株高效降解木糖的耐酸、嗜热厌氧杆菌的生理特性及产物分析

【目的】分离高效降解木糖的嗜热厌氧杆菌菌株,用于发酵生产生物燃料乙醇,为后继的构建基因工程菌株及联合生物工艺提供材料。【方法】运用亨盖特厌氧操作技术从胜利油田油层采出液两年的富集样中分离到一株嗜热厌氧杆菌xyl-d。采用形态学观察、生理生化指标鉴定及基于16S rRNA的系统发育学分析确定其分类地位。【结果】菌株xyl-d为革兰氏阴性厌氧杆菌,菌体大小为(1.35-5.08)μm×(0.27-0.40)μm,单生、成对或成簇生长,芽胞圆形,端生。温度生长范围30-85℃(最适温度65℃);pH范围3.0-10.0(最适pH 7.5);NaCl浓度范围0%-4%(最适NaCl浓度2.0%)。发酵D-木糖的产物是乙醇、乙酸、CO2及少量的异丁醇、丙酸。菌株xyl-d的(G+C)mol%含量为45.6%,与热厌氧杆菌属模式菌株威吉利热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter wiegelii)DSM10319T及嗜热乙醇杆菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)DSM2246T的16S rRNA序列相似性均为99.3%。菌株利用D-木糖产乙醇的最佳初始pH为8.5;少量酵母粉能刺激生长并显著提高发酵D-木糖的产醇率,使乙醇成为主要的发酵产物;培养基中乙醇浓度达到7%(V/V)时菌体生长受到抑制,最佳生长条件下D-木糖的降解率可达91.37%,最佳产醇条件下发酵1摩尔D-木糖可产生1.29摩尔的乙醇。【结论】菌株xyl-d是从特殊生境(油藏)中分离到的一株高效降解D-木糖的耐酸、嗜热的厌氧杆菌,其为半纤维素降解产乙醇的联合生物工艺提供了菌源。     

D-异抗坏血酸钠前体产生菌E54发酵条件的优化

产酮产碱菌E54可利用D-葡萄糖发酵产生2-酮基-葡萄糖酸钙,再经甲酯化和化学转化而得到D-异抗坏血酸钢。通过大量摇瓶和罐上试验,进一步优化了培养基组分,改进了发酵条件,并采用批加工艺提高了投糖浓度。菌株在5L罐中发酵周期36h左右,利用D-葡萄糖浓度18～25g／100ml,充分子转化率达90％左在;在147L罐中发酵周期40h左右,利用D-葡萄糖浓度18～25g／100ml,充分子转化率达90％左右。     

D-异抗坏血酸钠前体产生菌E54发酵条件的优化

产酮产碱菌E54可利用D-葡萄糖发酵产生2-酮基-葡萄糖酸钙,再经甲酯化和化学转化而得到D-异抗坏血酸钢。通过大量摇瓶和罐上试验,进一步优化了培养基组分,改进了发酵条件,并采用批加工艺提高了投糖浓度。菌株在5L罐中发酵周期36h左右,利用D-葡萄糖浓度18～25g／100ml,充分子转化率达90％左在;在147L罐中发酵周期40h左右,利用D-葡萄糖浓度18～25g／100ml,充分子转化率达90％左右。     

D-乳酸生产菌菊糖芽孢乳杆菌来源的D-乳酸脱氢酶同工酶

【目的】菊糖芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus inulinus)作为典型的同型发酵产D-乳酸的优势菌株,能够高效生产高纯度的D-乳酸。该菌株发酵受到多方面环境因素影响。糖代谢的关键酶例如葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶以及乳酸脱氢酶均为由葡萄糖代谢成为乳酸的关键酶,该菌中相关代谢酶的研究是发酵调控至关重要的基础。分析S.inulinus的基因组表明有3个推测为D-乳酸脱氢酶的基因,其中已有报道研究了1个双功能蛋白[bifunctional protein(BP)]。本研究分别克隆并解析了另2个D-乳酸脱氢酶同工酶的性质。【方法】本研究以S.inulinus Y2-8基因组DNA为模板,克隆得到2个D-ldh基因(dldh、dhdh),经测序分别为D-乳酸脱氢酶[D-lactic acid dehydrogenase(DLDH)]和D-羟基酸脱氢酶[D-isomer specific 2-hydroxyacid dehydrogenase(DHDH)]的基因。构建的重组菌表达蛋白DLDH,DHDH均具有催化丙酮酸生成D-乳酸的功能。【结果】重组菌表达的蛋白经镍柱亲和层析达到电泳纯。SDS-PAGE分析表明DLDH的表观分子量为37 k Da,DHDH的表观分子量为39 k Da。此外,DLDH以丙酮酸为底物时Km值为(0.58±0.04)mmol/L,对底物有较高的亲和力,最适反应温度为35°C,最适p H为6.5;而DHDH以丙酮酸为底物时Km值为(1.70±0.08)mmol/L最适反应温度为30°C,最适p H为7.5。另有报道的BP以丙酮酸为底物时Km值为(3.40±0.02)mmol/L,最适反应温度为30°C,最适p H为5.5。【结论】根据对底物丙酮酸的亲和力,最适温度及最适p H,推测DLDH是乳酸发酵中产D-乳酸的主导催化剂。结合相关酶学性质的分析可为今后的发酵调控提供理论依据。     

培养基的组成及培养条件对茶树菇多糖产量的影响

本文研究了不同碳源,氮源以及发酵条件对茶树菇多糖产量的影响,并通过正交试验优化了深层发酵培养基。结果表明,茶树菇深层发酵最适的碳源为玉米粉,最适的氮源为酵母粉,最适的发酵条件为温度25℃,摇瓶装液量100mL/250mL,转速150r/min,接种量15%,起始pH自然。     

药用真菌桑黄液体深层发酵条件的优化

以菌丝体生物量和多糖产量为主要指标,对桑黄(鲍氏层孔菌)的深层发酵条件进行了优化,通过单因素试验和四因素三水平正交试验筛选出了桑黄液体发酵的培养基,结果表明,最适培养基为:葡萄糖5g/L,玉米粉40g/L,豆饼粉20g/L,KH2PO41.5g/L,MgSO41g/L。进一步通过培养条件的优化,得到最适菌丝体生长的液体发酵条件为:培养温度28℃,摇床转速140r/min,pH值自然,接种量10%,装液量100mL(250mL三角瓶),发酵周期132h。     

紫外诱变原生质体选育D-核糖生产菌株

以D-核糖产生菌枯草芽孢杆(Bacillus subtilis)B941为出发菌株,采用紫外诱变原生质体的方法,获得了4株可以在含有6．0％D-核糖的培养基上生长的D-核糖高产菌株,其摇瓶发酵产糖达55．0g／L左右。通过摇瓶发酵试验,研究了D-核糖高产菌株Buvp-24的遗传稳定性。研究结果表明,经多次传代,菌株Buvp-24的发酵产糖能力及对发酵产物D-核糖的耐受性没有改变,有望应用于工业生产中。     

粘质沙雷氏菌发酵生产D-乳酸的研究

本文对粘质沙雷氏菌发酵生产D-乳酸进行了研究。以粘质沙雷氏菌G1(Serratia marcescens G1)为出发菌种,摇瓶试验确定了发酵培养方式:前12 h为菌体生长阶段,有氧培养,温度28℃,pH值7.0;后36 h为D-乳酸合成积累阶段,无氧培养,温度44℃,pH值6.0。且发现使用葡萄糖为碳源时更有利于D-乳酸的合成积累。采用缺失2,3-丁二醇合成能力的基因工程菌株R1为出发株,经筛选后得到耐受较高浓度乳酸盐的菌株R150,以R150为发酵菌种,在3.7 L发酵罐上采用两阶段发酵法,并通过增加起始菌体浓度的方法,发酵生成的D-乳酸浓度达到83.5 g/L,光学纯度达到98.9%。本研究成果为使用粘质沙雷氏菌发酵生产D-乳酸的深入研究打下了基础。     

来自詹氏乳杆菌的耐热D-乳酸脱氢酶的酶学性质研究

【目的】D-乳酸脱氢酶是催化丙酮酸合成D-乳酸的关键酶。由于其不耐热,从而限制了D-乳酸高温发酵菌株的构建。本文从詹氏乳杆菌中克隆新型D-乳酸脱氢酶研究其酶学性质,为构建D-乳酸高温发酵菌株,进一步降低D-乳酸生产成本奠定基础。【方法】通过克隆詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶,将其进行体外表达,并与来自植物乳杆菌中的D-乳酸脱氢酶的最适温度、最适pH、动力学参数及热稳定性和热失活性相比较,研究詹氏乳杆菌D-乳酸脱氢酶的耐热性。【结果】詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶最适温度(45 °C)比植物乳杆菌中的D-乳酸脱氢酶的最适温度(30 °C)高很多,热失活的时间和温度均要比植物乳杆菌中D-乳酸脱氢酶高很多。同时其催化效率(kcat/Km)是植物乳杆菌D-乳酸脱氢酶的3倍左右。【结论】詹氏乳杆菌的D-乳酸脱氢酶具有更好的耐热性和更高的催化活力。     

碱性β-甘露聚糖酶发酵工艺的研究

本文报道碱性β-甘露聚糖酶16L罐的发酵工艺。在发酵过程中,通气量影响菌体生长,最适通气量为1:0.75—1:1.0vvm。搅拌速度影响菌体产酶,最适搅拌速度为500r/min。碳源为魔芋粉,其适宜浓度为2%。发酵周期为40小时。发酵液中β-甘露聚糖酶的酶活力达300u/ml,比摇床上培养提高了2倍。     

重组巴斯德毕赤酵母高密度发酵表达植酸酶

对巴斯德毕赤酵母的高密度发酵条件进行了试验,并根据摇瓶发酵的优化结果进行了补料方式的研究。在摇瓶发酵时,最佳种龄为16h,接种量为3％,甲醇的诱导浓度为15g／L,生长阶段最适pH为5．0,诱导阶段最适pH为5．5。在间歇补料、恒速补料、变速补料三种补料方式中以变速流加最优。     

无需覆土的蘑菇属食用菌——中国美味蘑菇

采集于新疆的"中国美味蘑菇"是一种个体巨大的野生蘑菇,迄今未有人工栽培报道。本文已成功对其进行驯化栽培并完成了它的生物学特性研究,可为今后商业化栽培提供科学依据。结果表明,中国美味蘑菇菌丝生长的最佳碳源是葡萄糖,最佳氮源是大豆蛋白胨;菌丝生长最适温度是25℃,最适p H值为6。该种蘑菇可利用稻草、麦杆、芦苇等基质进行栽培;它还有一重要的特点就是出菇可不需覆土,而覆土为一般栽培的蘑菇属种类生产中的必须环节。初步驯化表明,该种蘑菇以芦苇为基质比以稻草为基质的生物学效率高15.01%。     

表面活性剂对D-阿拉伯糖醇发酵的影响

为提高D-阿拉伯糖醇的产量,研究不同类型表面活性剂对德巴利汉逊酵母(Debaryomyces hansenii)发酵生产D-阿拉伯糖醇的影响。结果表明:阳离子和阴离子表面活性剂对D-阿拉伯糖醇的生成几乎没有影响,部分非离子表面活性剂对D-阿拉伯糖醇的生产有促进作用,其中Trition X-100的影响最为显著。在不同发酵时间加入不同浓度的Trition X-100均对D-阿拉伯糖醇的生产有促进作用,当发酵24 h添加30 g/LTrition X-100时,D-阿拉伯糖醇的产量达到最高(92.9 g/L),相比于对照增加了27.2%。     

罗氏真养菌W50的D-木糖代谢途径工程改造

【目的】拓宽高产聚-β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)罗氏真养菌(Ralstonia eutropha)W50的碳源使用范围,使其获得D-木糖代谢能力。【方法】运用PCR技术扩增大肠杆菌(Escherichia coli)K-12W3110来源的D-木糖转运蛋白基因xylE,利用同源重组技术将xylE基因整合到R.eutropha W50的染色体上构建菌株W50-E。运用PCR技术扩增E.coli K-12 W3110来源的D-木糖代谢基因xylAB和R.eutropha H16来源的PHA合酶基因phaC1的启动子片段P pha C1,同表达载体连接后构建重组质粒p1-AB。将重组质粒分别转入菌株R.eutropha W50和W50-E中构建工程菌株W50-AB和W50-EAB。通过摇瓶发酵研究W50-AB和W50-EAB的D-木糖代谢特性。【结果】酶活分析结果表明,xylA和xylB基因在菌株R.eutropha W50中得到表达。摇瓶发酵结果表明,W50-AB在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中的最大比生长速率为0.025 h-1,在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中没有生长;W50-EAB在含0.01 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中表现出一定生长,在含0.1 mol/L D-木糖的基础发酵培养基中最大比生长速率为0.035 h-1。PHB含量分析结果表明,摇瓶发酵终点时,W50-AB和W50-EAB菌株内的PHB含量分别为细胞干重的15.07±1.01%和15.07±1.64%,其相应的D-木糖-PHB转化率分别为0.0920 g·g-1和0.0838 g·g-1,低于两重组菌株利用葡萄糖发酵的糖-PHB转化率(0.22 g·g-1)。另外,重组菌株W50-AB和W50-EAB在含葡萄糖(0.01 mol/L)和D-木糖(0.09 mol/L)的混合糖培养基中的发酵结果表明,两重组菌株均表现出更高的生长速率和D-木糖消耗速率以及胞内PHB积累量。【结论】来源于E.coli K-12W3110菌株的xylAB基因的表达使R.eutropha W50获得了一定的D-木糖代谢能力,通过D-木糖转运蛋白基因xylE的表达能提高菌株的D-木糖代谢能力,同时重组菌株利用D-木糖能积累一定量PHB。     

D-核糖发酵条件研究

对枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis ptn15-1的发酵条件进行优化。采用优化后的培养基对发酵液的pH、发酵温度、摇床转速、接种量、装液量等进行单因素实验。确定发酵最适发酵条件为：pH7.0,发酵温度37℃;摇床转速180r/min,接种量10%,300mL三角瓶装30mL发酵液,发酵时间为68h。在此条件下,该菌的D-核糖产量从31.7g/L提高到43.1g/L,提高了35.9%。     

无需覆土的蘑菇属食用菌——中国美味蘑菇

采集于新疆的“中国美味蘑菇”是一种个体巨大的野生蘑菇,迄今未有人工栽培报道。本文已成功对其进行驯化栽培并完成了它的生物学特性研究,可为今后商业化栽培提供科学依据。结果表明,中国美味蘑菇菌丝生长的最佳碳源是葡萄糖,最佳氮源是大豆蛋白胨;菌丝生长最适温度是25℃,最适pH值为6。该种蘑菇可利用稻草、麦杆、芦苇等基质进行栽培;它还有一重要的特点就是出菇可不需覆土,而覆土为一般栽培的蘑菇属种类生产中的必须环节。初步驯化表明,该种蘑菇以芦苇为基质比以稻草为基质的生物学效率高15.01%。     

不同营养基质与条件对灰树花生长的影响

探讨了不同营养基质与条件对灰树花[Grifola frondosa(Fr.)S.F.Gray]生长的影响。试验结果表明：菌丝生长的最适pH为5-6;最适氮源为蛋白胨、牛肉膏和谷氨酰胺,葡萄糖和蛋白胨最适浓度分别为100和1g/L;菌丝在黑暗环境下生长良好;使用马铃薯蛋白胨培养基进行振荡培养,菌丝球生长较好;母种采用马铃薯麦麸培养基,栽培种选用棉子壳麦麸石培养料,可缩短制种周期,获得质量较高的菌种;菌丝含有较多的钙、铁和锌等元素。     

碱性β-甘露聚糖酶发酵工艺的研究

本文报道碱性β-甘露聚糖酶16L罐的发酵工艺。在发酵过程中,通气量影响菌体生长,最适通气量为1:0.75—1:1.0vvm。搅拌速度影响菌体产酶,最适搅拌速度为500r/min。碳源为魔芋粉,其适宜浓度为2%。发酵周期为40小时。发酵液中β-甘露聚糖酶的酶活力达300u/ml,比摇床上培养提高了2倍。     

食用真菌蛋白——美味丝葚霉D-100的研究——Ⅲ.丝状真菌连续发酵的研究

本文研究了以丝状真菌D-100直接利用淀粉连续发酵的工艺条件。通过氮源试验,摇瓶生长曲线和发酵罐生长曲线的对比试验,发酵过程中淀粉糖化酶的定量检测,以及连续发酵过程中四个主要参数在三水平上的正交试验,确定了以0.1—0.2%NH_4NO_3为氮源,0.5%玉米粉为碳源,稀释速率D值为0.15,搅拌转速为200 r/min,pH 5.5的条件为最佳连续发酵条件。连续发酵结果是:以玉米淀粉为底物的菌体产率是37.5%,其菌体蛋白质含量38.5%,发酵罐效率是0.35g菌体干重/L·h,试验还证明该菌淀粉糖化酶的生成受还原糖的反馈控制,故发酵过程培养基中还原糖浓度衡定在一定值。培养基浓度增加时,超过玉米粉浓度1.25%以上其比生长速率不明显增加。     

大肠杆菌琥珀酸和乙酸合成途径的删除及其重组菌株的D-乳酸发酵

菌株CICIM B0013-030 (B0013,ack-pta,pps,pflB) 可积累D-乳酸作为主要发酵产物,然而副产物琥珀酸和乙酸的含量分别高达乳酸的11.9％和7.1％。为构建副产物含量低的产D-乳酸重组大肠杆菌菌株,本研究删除了菌株B0013-030的琥珀酸 (frdA) 和乙酸 (tdcDE) 合成途径,并考察了重组菌株在摇瓶和发酵罐中经两阶段发酵 (好氧生长菌体和厌氧发酵产酸) 利用葡萄糖发酵D-乳酸的性能。结果表明,分别构建含有frdA::difGm和tdcDE::difGm突变盒的重组质粒,并利用Red重组系统将突变盒整合于染色体上的目的基因,再利用Xer重组系统去除抗生素抗性基因,依次获得了重组菌株B0013-040B (B0013-030,frdA) 和B0013-050B (B0013-040B,tdcDE)。摇瓶发酵结果表明,frdA基因的删除使得菌株B0013-040B副产物琥珀酸的含量降低了80.8％;在7 L发酵罐中进行乳酸发酵,菌株B0013-040B的D-乳酸产量达114.5 g/L,光学纯度大于99.9％,但仍积累1.0 g/L琥珀酸和5.4 g/L乙酸。进一步删除了tdcD和tdcE基因的菌株B0013-050B,在7 L发酵罐中生产111.9 g/L D-乳酸,乙酸和琥珀酸的合成量分别降低为0.4 g/L,其他副产物含量也维持较低水平,表明该菌株具有较优良的D-乳酸发酵性能。