Vc混菌发酵中胶红酵母解除普通生酮基古龙酸杆菌氧化胁迫的研究

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:onlymiss
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“二步发酵法”是我国生产维生素C(Vc)的主要方法,其中,第二步由产酸菌普通生酮基古龙酸杆菌(K.vulgare)和某些芽孢杆菌属的伴生菌混合发酵完成。现有的研究证实:产酸菌单独发酵时存在长势弱和产酸低的问题,只有与伴生菌混合发酵时,此问题才能得到较好解决。部分研究表明:在Vc混菌发酵过程中,伴生菌释放的代谢产物促进了产酸菌的生长与产酸。根据研究进展推测,关于产酸菌单独发酵时长势弱和产酸低的问题,是由于K.vulgare自身ROS代谢紊乱,产生氧化胁迫所致,而伴生菌释放的代谢产物可能解除产酸菌的氧化胁迫,促进其生长与产酸。本论文以1株新伴生菌R.mucilaginosa A8和产酸菌K.vulgare组成的Vc混菌发酵为研究对象,首先,对两菌混菌发酵时的初始接种比例进行优化,然后对两菌的生理特性进行分析,接着再对混菌发酵条件进行优化。其次,在混菌、产酸菌单独发酵体系内,对K.vulgare进行抗氧化能力研究。最后,从K.vulgare细胞内电子流动情况出发,分析K.vulgare单独培养时长势弱和产酸低的原因,并对R.mucilaginosa A8如何解除K.vulgare自身存在的氧化胁迫进行分析,为解析两菌间相互作用机制提供理论依据和新思路。主要研究结果如下:(1)从沈阳东陵龙尾湖淤泥中,分离得到1株新伴生菌,通过形态学鉴定和分子鉴定,确认该菌为胶红酵母菌,将其命名为R.mucilaginosa A8。通过固定两菌初始接种浓度(OD650值)和K.vulgare初始接种量(2 mL)不变,依次增加R.mucilaginosa A8接种量来进行混菌发酵产酸,得出最佳初始接种比例为1:3.33(R.m:K.v)。R.mucilaginosa A8的生长,在最初6 h内处于延滞期;6-18 h内处于对数生长期;18-48 h内处于稳定期,48 h之后进入衰亡期。K.vulgare的生长,在最初52 h内,呈波动性变化;52-76 h内处于稳定期;76 h之后进入衰亡期。K.vulgare单菌发酵时,2-KLG积累极为缓慢;混菌发酵时,0-12 h内积累缓慢;12-52 h内积累较快;56 h之后不再积累。在整个发酵周期内,K.vulgare单菌体系ORP值波动较小,维持在-39 mV16 mV之间,而混菌体系ORP值波动较大,维持在-277 mV-26 mV之间,在2-KLG快速积累阶段(12-52 h内),混菌体系平均ORP值比K.vulgare单菌体系低14.6倍。混菌体系中,在2-KLG快速积累阶段,两菌比例(R.m:K.v)维持在1:41:63之间。(2)利用响应面法对R.mucilaginosa A8伴生的Vc混菌发酵产2-KLG条件进行优化,得出最佳发酵条件为:L-山梨糖80 g/L、尿素14 g/L、玉米浆15 g/L、CaCO3 1.58 g/L、MgSO4 0.3 g/L、KH2PO4 1.0 g/L、发酵培养基灭菌前pH值6.2、装液量40/250 mL、温度23℃。利用优化后条件进行发酵培养,2-KLG产量由优化前的52.56 g/L增加到71.95g/L,糖酸转化率由60.97%提升到83.46%,发酵周期由96 h缩短至56 h。(3)K.vulgare单菌培养时:一方面呼吸链上电子传递复合体Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅵ中Fe-S簇蛋白基因表达量较低、电子载体CoQ和Cytc基因表达量较低、与电子传递相偶联的能量代谢中的ATP合成酶相关基因表达量较低等,导致K.vulgare细胞长势弱。另一方面因K.vulgare呼吸链底物端CoQ泄露电子较多,造成一系列生成ROS(H2O2、O2、HOO·和·OH))的代谢途径加强而产生自身氧化胁迫效应。由于K.vulgare抗氧化相关基因(SOD、CAT和NADPH:醌还原酶基因)表达量较低,不能合成足够的抗氧化物去抵御ROS,使ROS代谢紊乱,导致K.vulgare细胞长势弱。K.vulgare胞内SDH和SNDH基因表达量较低,导致K.vulgare产酸低。另外,由于K.vulgare胞内Cytc基因表达量较低,导致Cytc存在选择电子波动(首先,Cytc会选择泄露电子,用于清除胞内过量的H2O2;其次,Cytc会选择正常呼吸链电子传递,用于增强与电子传递相互偶联的能量代谢过程;最后,Cytc会选择传递产2-KLG代谢途径中SDH和SNDH分别催化底物脱氢后的电子,以维持代谢畅通),所以导致K.vulgare长势弱和产酸低。(4)R.mucilaginosa A8通过诱导增加K.vulgare电子传递相关物质(NADH脱氢酶铁硫蛋白、琥珀酸脱氢酶黄素蛋白亚基、CoQ、细胞色素还原酶铁硫蛋白、Cytc、细胞色素氧化酶、ATP合成酶α和β亚基)、抗氧化酶(SOD、CAT和NADPH:醌还原酶)和产2-KLG酶(SDH和SNDH)的基因表达,来解除K.vulgare的氧化胁迫,促进其生长与产酸。
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