高产木聚糖酶菌株的选育及其发酵工艺的研究

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我国作为农业大国,木质纤维素类资源非常丰富,如农作物秸秆,麸皮、玉米芯、甘蔗渣等,而木聚糖则是木质纤维素组成成分中的半纤维素的重要组成部分。木聚糖酶是一种可以将木聚糖降解为低聚木糖、木糖以及阿拉伯糖等的复合酶,木聚糖酶能够为开发利用半纤维素类资源开辟出一条有效的途径。目前,木聚糖酶的研究已经成为科研工作者关注的热点,其中木聚糖酶的研究主要集中在菌株的选育和发酵工艺优化两方面。  本论文旨在提高木聚糖酶的发酵水平及对其进行初步应用。首先,以木聚糖酶生产菌黑曲霉(Aspergillus niger)为出发菌株,通过常压低温等离子体技术诱变选育高效产木聚糖酶突变株,然后对突变株的发酵工艺进行优化,提高菌株的产酶能力,最后在此基础上对菌株所产粗酶用于玉米芯水解进行了初步研究。  首先,利用新型的育种技术—室温常压等离子体对出发菌株进行诱变。通过刚果红平板初筛,摇瓶复筛的方法,成功选育出一株产木聚糖酶能力大幅提高的突变菌Aspergillus niger D08,其所产的木聚糖酶的酶活力从原先520.43 U/mL提高到926.24 U/mL,比出发菌株提高了78.0%,且表现出良好的遗传稳定性。  然后,利用单因素实验与响应面分析法相结合对突变株Aspergillus niger D08产木聚糖酶的培养条件进行了优化。得出培养基的最佳组成为:麸皮4%、玉米芯2.81%、NaNO30.42%、KH2PO41.0 g/L MgSO4.7H2O0.5 g/L、吐温-800.5 g/L。最佳发酵培养条件:接种量为3%,液体发酵培养基初始pH为6,温度为30℃、摇瓶转速为220 rpm。经过发酵产酶条件优化,突变株Aspergillus niger D08的产木聚糖酶活力由923.61 U/mL提高到1489.65 U/mL,提高幅度为61.3%。  考察木聚糖酶发酵过程中pH对Aspergillus niger D08菌体生长及产木聚糖酶能力的影响。实验结果表明,菌体生长的最适pH为3.5而木聚糖酶合成的最适pH为4.5。在此基础上,为进一步提高木聚糖酶的生产效率,针对性地提出了两阶段pH调控策略:0-30 h控制pH为3.5,30 h后控制pH为4.5。通过该策略,木聚糖酶酶活和生产强度比恒定pH4.5模式下分别提高了14.3%和30.6%。  最后,在上述实验基础上,对突变株发酵所产木聚糖酶和纤维素酶协同水解玉米芯时的用量进行优化,结果表明,木聚糖酶和纤维素酶的用量分别为400 U/g和22 FPU/g条件下,酶解得率最高85.6%。  本文通过室温常压等离子体诱变技术选育获得一株高产木聚糖酶的突变菌株Aspergillus niger D08,该菌株能高效地利用农业残余物麸皮和玉米芯生产木聚糖酶,为木聚糖酶工业化生产奠定基础。
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