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)酵是非常有應用前景的技術，它具有提高終點乙醇濃度的潛力，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，從而導致發(fā)酵不完全。本文對尋找可提高自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵水平的方法進行了研究，并探討了與此相關的菌體生理生化的變化。主要研究內容如下： ⑴考察了不同起始葡萄糖濃度對自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵的影響。研究發(fā)現，隨著葡萄糖起始濃度

2、的提高，殘?zhí)菨舛仍黾?，發(fā)酵時間延長。當用葡萄糖起始濃度為300 g/L進行發(fā)酵時，所得的終點乙醇濃度最高，為13.1％(v/v)。提示葡萄糖濃度為300 g/L可能是當前發(fā)酵條件下自絮凝酵母對葡萄糖耐受性的濃度界限點。因此，選擇葡萄糖起始濃度為300 g/L進行后續(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+對自絮凝酵母VHG乙醇發(fā)酵的影響。當培養(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，終點乙醇濃度分別達到14.7％(v/v)和14.4％(v/v)，比對照組(13.1％，v/v) 分別提高了12％和10％。而當Mg2+和Ca2+的添加濃度分別為6.0 mmol/L和1.0 mmol/L時，終點乙醇濃度可分別達到14.3％(v/v)和14.4％(v/v)。比較金屬離子和氮源對VHG乙醇發(fā)酵的促進作用可以發(fā)現，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） 所達到的終點乙醇濃度相近，這表明Mg2+或Ca2+可以部分取代酵母浸出膏或蛋白胨來促進VHG乙醇發(fā)酵，這是一個新的實驗現象，這將會明顯降低乙醇的生產成本。 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VHG乙醇發(fā)酵的可能機理。發(fā)酵培養(yǎng)基中含12.0 g/L酵母浸出膏或6.0 g/L蛋白胨可以增強自絮凝酵母抵抗高濃度葡萄糖脅迫的能力進而促進發(fā)酵，且這種促進作用與菌體質膜ATP酶的激活和胞內海藻糖的積累密切相關。而Mg2+對發(fā)酵的促進作用主要是激活ATP酶使菌體適應高濃度葡萄糖的脅迫，Ca2+則是通過迅速增加胞內海藻糖含量以抵抗外界不利條件的影響。這是首次關于質膜ATP酶和胞內海藻糖對酵母細胞抵抗高濃度葡萄糖脅迫起積極作用進而

6、促進VHG乙醇發(fā)酵的報道。 ⑷采用均勻設計法優(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。預測最優(yōu)結果為17.4％(v/v)，實測均值為17.1％(v/v)，相對誤差為1.7％。在該優(yōu)化條件下，終點乙醇濃度比優(yōu)化前提高了30％，發(fā)酵時間縮短了24 h。與單因素條件相比，在該條件下的菌體