1,3-丙二醇发酵过程中乳酸抑制的研究

目的:研究乳酸对克雷伯氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumonia)产1,3-丙二醇的影响。方法:通过在摇瓶和反应器水平下分析不同菌株(包含无乳酸、2,3-丁二醇产生的基因敲除菌)的乳酸代谢特性。结果:前期添加6 g/L的乳酸使1,3-丙二醇的产量降低了19%,而发酵10h后添加乳酸几乎不表现出抑制作用。通过对乳酸敲除菌株的代谢分析发现,发酵后期能够消耗培养基中的乳酸,这在一定程度上也反映了菌体发酵后期对乳酸的耐受性。结论:乳酸的抑制作用主要发生在1,3-丙二醇发酵的前期。解除了一株无副产物2,3-丁二醇生产株前期乳酸的过早积累后,1,3-丙二醇的的产量提高了56%。     

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。     

利用五碳糖产高纯度L-乳酸的大肠杆菌基因工程菌的构建

[目的]本研究以已敲除多个产杂酸酶基因的大肠杆菌(Escherichia coli)乙醇工程菌SZ470(△frdBC △ldhA △ackA △focA-pflB △pdhR::pflBp6-pflBrbs-aceEF-lpd)为起始菌株,进一步敲除其乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)基因,同时插入带有自身启动子的乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)的L-乳酸脱氢酶(L-lactate dehydrogenase,LLDH)基因,构建可利用五碳糖同型发酵L-乳酸重组大肠杆菌.[方法]利用λ噬菌体Red重组系统构建乙醇脱氢酶基因(adhE)缺失菌株Escherichia coli JH01,并克隆P.acidilactici的ldhL基因,利用染色体插入技术将其整合到JH01基因组,构建产L-乳酸大肠杆菌基因工程菌Escherichia coli JH12,利用无氧发酵15 L发酵罐测定重组菌株L-乳酸产量.[结果]工程菌JH12在15 L发酵罐中以6％的葡萄糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为1.46 g/(L·h),乳酸生产强度为1.14 g/(L·h),乳酸的产量达到41.13 g/L.发酵产物中未检测到琥珀酸、甲酸的生成,仅有少量乙酸生成,L-乳酸纯度达95.69％(L-乳酸在总发酵产物的比率).工程菌JH12以6％的木糖为碳源进行发酵,发酵到36 h的过程中葡萄糖的消耗速率为0.88 g/(L·h),乳酸生产强度为0.60 g/(L·h),乳酸的产量达到34.73 g/L.发酵产物中杂酸少,乳酸的纯度高达98％.[结论]本研究通过基因敲除、染色体插入及无氧进化筛选获得一株产L-乳酸的大肠杆菌工程菌JH12,该菌株不需利用外源质粒,稳定性好,可利用五碳糖进行发酵,发酵产物中杂酸少,L-乳酸的纯度高.本研究为L-乳酸大肠杆菌工程菌的构建提供一定的技术支持,同时也为大肠杆菌L-乳酸的工业化生产提供了参考依据.     

pH对米根霉发酵厨余垃圾生产L-乳酸的影响

为了强化厨余垃圾发酵L-乳酸的产量和光学纯度,研究了pH对米根霉AS3.819发酵厨余垃圾生产乳酸及其光学特性的影响。结果表明,在中温条件下(34℃),米根霉生长的最适pH为7,最适发酵条件为8。用米根霉发酵非灭菌的厨余垃圾生产乳酸,发酵液中还原糖浓度低,且呈先升高,后下降到最低的趋势。pH调节到近中性和偏碱性(pH6、7、8)的各组还原糖浓度高于偏酸性组(pH 5和对照组)。控制pH为8时,总乳酸产生速率达1 g/(L·h),L-乳酸是主要的异构体形式,L-乳酸在总乳酸中的比例在整个发酵时间段内都保持在0.75以上,L-乳酸浓度最高达到59.8 g/L,L-乳酸光学纯度可达到0.99。控制pH为8时,可以同时获得高的乳酸产量和光学纯度。     

高产光学纯(R,R)-2,3-丁二醇工程菌株构建与发酵优化

[目的]构建能够专一性合成光学纯(R,R)-2,3-丁二醇的大肠杆菌工程菌,并进行发酵条件优化。[方法]将来源于多粘芽孢杆菌的(R,R)-2,3-丁二醇脱氢酶基因bdh,来源于阴沟肠杆菌的α-乙酰乳酸合成酶基因bud B和α-乙酰乳酸脱羧酶基因bud A与表达载体p Tr C99A连接,导入大肠杆菌中构建人工合成途径。筛选最适的培养基和发酵条件,提高(R,R)-2,3-丁二醇的产量、产率和得率。[结果]获得高效合成(R,R)-2,3-丁二醇的工程菌株GXASB,筛选到最适碳源及其浓度为120 g/L木薯淀粉,最适pH为6.5,最适接种量为10%,在发酵罐中进行同步糖化法发酵,(R,R)-2,3-丁二醇产量达到105.28 g/L,光学纯为99.1%,得率为0.47 g/g,生产强度为1.95 g/(L·h)。[结论]在大肠杆菌中表达基因簇bud B-bud A-bdh能够专一性合成光学纯(R,R)-2,3-丁二醇,经优化发酵条件后,能够显著提高(R,R)-2,3-丁二醇的合成效率。同时工程菌能够利用非粮原料木薯淀粉高效生产(R,R)-2,3-丁二醇,补料发酵产量达到105.28 g/L,为使用廉价原料工业化生产(R,R)-2,3-丁二醇提供参考。     

2013生物基化学品 (Biobased Chemicals) 专刊序言

生物基化学品是生物经济和生物制造的核心内容之一。本专刊综述了国内外生物基化学品的重要研究进展,包括：丁二酸、己二酸、乳酸、3-羟基丙酸、葡萄糖二酸、甘油、木糖醇、高级醇、乙烯等生物基化学品的代谢工程和发酵调控,直接利用木质纤维素生产生物基化学品的菌株构建,生物基乳酸的衍生和生物转化技术,生物基化学品的盐析萃取分离纯化技术等。同时,本专刊也包括了国内学者在丁二酸、D-甘露醇、苹果酸、5-氨基乙酰丙酸、1,3-丙二醇和丁醇方面的研究论文。     

乳酸菌耐药性的研究进展

乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)是一种革兰阳性菌,其发酵产物主要是乳酸。根据乳酸菌种系进化过程中形成的不同生化指标可以分为:低GC含量的一群,例如,肠球菌属(En-terococcus),乳酸杆菌属(Lactobacillus),乳酸球菌属(Lactococ-cus),明串珠菌属(Leuconostoc),足球菌属(Pedio     

重组大肠杆菌转化甘油合成聚3-羟基丙酸-co-乳酸

聚羟基脂肪酸酯作为性质优良的生物塑料,引起了广泛的关注。由于聚羟基脂肪酸合成酶PhaC特异性较强,难以通过生物合成方法获得含乳酸单体聚合物。为了实现乳酸的聚合,PhaC的筛选至关重要。以甘油为底物,通过引入Klebsiella pneumoniae的甘油脱水酶DhaB123及其激活因子GdrAB以及Salmonella typhimurium LT2的丙醛脱氢酶基因PduP,获得3-羟基丙酰辅酶A;通过引入Megasphaera elsdenii DSM 20460的丙酰辅酶A转移酶PCT,获得乳酰辅酶A;并对3种不同聚羟基脂肪酸合成酶的作用进行考察。在Pseudomonas putida的原始酶PhaC1或者PhaC2的作用下,不能实现乳酸的聚合;而在双位点突变(Ser325Thr和Gln481Lys)的PhaC1(STQK)存在条件下,重组菌可以利用甘油合成聚3-羟基丙酸-co-乳酸。经过对溶氧、有机氮源等发酵条件的优化,聚3-羟基丙酸-co-乳酸的产量可以达到0.22g/L,占细胞干重的3.2%,是含乳酸单体聚合物生物合成研究的一次有益尝试。     

土霉素残留对蔬菜发酵过程微生物群落演替及代谢产物的影响

【目的】探究土霉素残留对蔬菜自然发酵过程中微生物群落演替和代谢产物动力学的影响,为评估抗生素残留对蔬菜发酵的影响提供理论基础。【方法】超高效液相色谱-串联质谱法测定土霉素残留;高效液相色谱法测定有机酸、电子鼻和气相色谱-质谱联用测定挥发性成分和高通量技术测定微生物种类。【结果】蔬菜自然发酵过程中,土霉素残留从4.00 mg/L下降到2.53 mg/L;不含抗生素残留的蔬菜发酵含有同型和异型乳酸发酵,而土霉素残留的蔬菜发酵仅含有同型乳酸发酵;同时,其特征微生物由Lactobacillus pentosus和Lactobacillus plantarum转变为Lactobacillus paratarrginis、Lactobacillus buchneri和Lactobacillus kisonensis;土霉素残留明显影响了乳酸、柠檬酸、乙酸、香茅醇、3-辛醇、异硫氰酸烯丙酯、乙酸香叶酯、乙烯基硬脂醚和异硫氰酸苯乙酯等代谢产物的含量。【结论】土霉素残留影响了蔬菜乳酸发酵的类型、微生物群落的演替、有机酸和挥发性化合物的形成过程,因此应将抗生素残留纳入发酵蔬菜原料的质量控制指标。     

2,3-丁二醇生产菌株生产能力的比较和培养基优化

对5株克雷伯氏肺炎杆菌 (包括两株乳酸途径被敲除的工程菌株) 发酵生产2,3-丁二醇能力进行了比较,其中K. pneumonia HR521 LDH (乳酸合成途径中ldhA基因被敲除) 具有最佳的发酵性能。通过正交试验优化了其发酵培养基的主要组分,优化后的培养基组成为：葡萄糖 90 g/L,(NH4)2HPO4 3 g/L,玉米浆 (CLSP) 6 g/L,乙酸钠 5 g/L,KCl 0.4 g/L,MgSO4 0.1 g/L,FeSO4·7H2O 0.02 g/L,MnSO4 0.01 g/L。在优化后的发酵培养基中进行摇瓶发酵,24 h发酵乙偶姻和2,3-丁二醇的终浓度为37.46 g/L,比未优化前增加了10 g/L,2,3-丁二醇得率达到了理论得率的90.53％,生产强度1.56 g/(L·h),检测不到副产物乳酸的生成,利于后提取工艺的进行和工业生产的应用。     

嗜热子囊菌利用短链有机酸生产角质酶

以嗜热子囊菌(Thermobifida fusca WSH03-11)发酵生产角质酶为模型,研究微生物利用市政污泥厌氧酸化所产短链有机酸为碳源发酵生产高附加值产品的可能。发现：(1)以丁酸、丙酸和乙酸为碳源时,有机酸和氮元素浓度分别为8.0 g/L和1.5 g/L有利于角质酶的生产;而以乳酸为碳源时,最适有机酸和氮源浓度分别为3.0 g/L和1.0 g/L;(2)改变诱导物角质的浓度,以丁酸、丙酸、乙酸和乳酸为碳源,分别比优化前提高了31.0%、13.3%、43.8%和73.2%;(3)在四种有机酸中,T. fusca WSH03-11利用乙酸的速率最快,平均比消耗速率是丙酸的1.3倍,丁酸的2.0倍及乳酸的2.2倍;以丁酸为碳源时的酶活(52.4 U/mL)是乳酸的1.7倍、乙酸的2.5倍和丙酸的3.2倍;角质酶对乳酸的得率(12.70 u/mg)分别是丁酸的1.4倍、丙酸的3.0倍和乙酸的3.8倍;(4)以混合酸为碳源生产角质酶,T. fusca WSH03-11优先利用乙酸,而对丁酸的利用受到抑制。进一步研究发现,混合酸中0.5 g/L的乙酸将导致丁酸的消耗量降低66.7%。这是首次利用混合酸作碳源发酵生产角质酶的研究报道。这一研究结果进一步确证了利用市政污泥厌氧酸化所产有机酸为碳源发酵生产高附加值产品的可行性,为以廉价碳源生产角质酶奠定了良好的基础。     

嗜热子囊菌利用短链有机酸生产角质酶

以嗜热子囊菌(Thermobifida fusca WSH03-11)发酵生产角质酶为模型,研究微生物利用市政污泥厌氧酸化所产短链有机酸为碳源发酵生产高附加值产品的可能。发现：(1)以丁酸、丙酸和乙酸为碳源时,有机酸和氮元素浓度分别为8.0 g/L和1.5 g/L有利于角质酶的生产;而以乳酸为碳源时,最适有机酸和氮源浓度分别为3.0 g/L和1.0 g/L;(2)改变诱导物角质的浓度,以丁酸、丙酸、乙酸和乳酸为碳源,分别比优化前提高了31.0%、13.3%、43.8%和73.2%;(3)在四种有机酸中,T. fusca WSH03-11利用乙酸的速率最快,平均比消耗速率是丙酸的1.3倍,丁酸的2.0倍及乳酸的2.2倍;以丁酸为碳源时的酶活(52.4 U/mL)是乳酸的1.7倍、乙酸的2.5倍和丙酸的3.2倍;角质酶对乳酸的得率(12.70 u/mg)分别是丁酸的1.4倍、丙酸的3.0倍和乙酸的3.8倍;(4)以混合酸为碳源生产角质酶,T. fusca WSH03-11优先利用乙酸,而对丁酸的利用受到抑制。进一步研究发现,混合酸中0.5 g/L的乙酸将导致丁酸的消耗量降低66.7%。这是首次利用混合酸作碳源发酵生产角质酶的研究报道。这一研究结果进一步确证了利用市政污泥厌氧酸化所产有机酸为碳源发酵生产高附加值产品的可行性,为以廉价碳源生产角质酶奠定了良好的基础。     

产D-乳酸重组大肠杆菌ptsG基因的敲除及其混合糖同步发酵

为构建能够同时高效利用五碳糖和六碳糖发酵产D-乳酸的重组大肠杆菌工程菌,以能高效利用五碳糖发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌E.coli JH13为出发菌株,通过Red同源重组技术敲除葡萄糖跨膜转运基因pts G。实验结果表明,pts G缺陷菌株E.coli JH15在10%混合糖(5%葡萄糖和5%木糖)培养基中发酵,可同时利用五碳糖和六碳糖以完成发酵;而对照菌葡萄糖消耗完才利用木糖,发酵结束还有18 g/L木糖残留;JH15乳酸产量为83.04 g/L,相比于对照菌株提高了25.86%;在稻草秸秆水解液中发酵,JH15同时利用葡萄糖、木糖和L-阿拉伯糖,乳酸产量为25.15 g/L,转化率为86.42%。JH15作为能利用混合糖同步发酵产D-乳酸的大肠杆菌工程菌,它的成功构建为利用廉价的木质纤维素水解物为原料发酵生产D-乳酸提供参考依据。     

通气对乳酸发酵过程的影响

对拟干酪乳杆菌发酵产乳酸的过程进行研究,通过改变不同的通气量(不通气、0.1vvm、0.2 vvm、0.5 vvm)确定0.1vvm的通气量最有利于产生乳酸;再通过优化通气策略,在发酵0～15 h不通空气,15～50 h通0.1 vvm空气使得乳酸的产量比全程通0.1 vvm空气又提高了11.7%,同时乳酸产率也提高了16.2%。最后通过对胞内NAD~+、NADH、乳酸脱氢酶和NADH氧化酶活性、以及发酵过程氧化还原电位(Oxidation-reduction potential,ORP)变化进行分析,阐述了通气影响乳酸发酵过程的机理。     

芽孢乳杆菌发酵葡萄糖制备D(-)-乳酸的研究

在国内首次报道了发酵法制备D(-)-乳酸,采用芽孢乳杆菌(Sporolactobacillus sp．)从葡萄糖发酵制备D-乳酸。该发酵为微需氧,发酵培养基组成(g/L):葡萄糖60,酵母膏6,玉米浆5,NH4NO3l,麸皮2,NaH2PO4 4,CaCO340。发酵液的初始pH为7．0.在最佳条件下,37℃发酵72h可产40．7g/L的D-乳酸,葡萄糖转化率67．83％。通过离子配位色谱分析,产物的D-乳酸光学纯度为96．04％e．e．。     

聚合级L-乳酸的非粮生物质发酵研究进展

乳酸在化工、医药和食品加工等领域有着广泛的用途。随着聚乳酸产业的兴起,对聚合级L-乳酸的需求量也不断增加。开发低成本的非粮生物质乳酸发酵工艺、实现发酵-分离耦合是降低聚合级L-乳酸成本、摆脱原料价格不断上涨压力的技术趋势。文中简要综述了近2~3年使用非粮生物质发酵生产聚合级L-乳酸的技术进展,并对未来乳酸发酵工艺作了展望。     

克雷伯氏菌产1,3-丙二醇ldhA基因缺失菌株的构建

克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)甘油歧化发酵生产1,3-丙二醇(1,3-PD)的过程中,乳酸是氧化途径最主要的副产物,乳酸的产生和积累,不仅限制了菌体本身的生长,而且严重影响了1,3-丙二醇的转化率。利用λRed重组技术对Klebsiella pneumonia中的酶乳酸脱氢酶基因(ldhA)进行改造。在λRed重组系统作用下,将带有300 bp的线性同源片段ldhA1-Cm-ldh A2与基因组DNA的同源重组,经过抗性筛选和PCR鉴定最终获得了ldhA基因缺失菌株K.pneumonia2-1ΔldhA。经过24 h发酵可知,乳酸最大产出浓度由原来的10.16 g/L降为0.49 g/L,1,3-PD由原来的78.83 g/L增长为85.76 g/L,甘油转化率由60.64%增长到65.97%,提高了5.33%。     

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。     

低能离子注入L-乳酸生产菌种选育与发酵条件初步优化

通过20keV氮离子注入L-乳酸生产菌(Bacillus coagulans)筛选到一株产量比出发菌株提高10％的高产菌株RS12-6C,经多次传代实验表明该菌遗传稳定性较好。并对其发酵条件如接种量、装液量、摇床转速、温度等进行初步优化,在含糖150g/L的摇瓶中发酵,其L-乳酸产量达到117g/L。     

乳酸的发酵研究

本文从生产角度报道乳酸微生物发酵过程中应注意的有关问题,并以生产实践说明发酵培养基糊化时加α-淀粉酶所控制的温度及灭菌时的温度变化对乳酸发酵所产生的影响。