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随着化石能源的缺乏和环境问题的凸显,生物丁醇开始受到越来越多的关注。在丙酮丁醇梭菌利用玉米生产溶剂的过程中,原料成本占了总生产成本的七成。而粮食作物作为原料进行能源的生产时,人类的粮食供应安全也会受到严重的影响。因此,迫切需要寻找高产的非粮食原料来替代传统生物丁醇的发酵原料。针对上述问题,本文以丙酮丁醇梭菌Clostridiumacetobutylicum CGMCC 1.0134为发酵菌株,研究采用餐厨废弃物、苹果渣和蕨根(Fern Root,FR)淀粉为替代原料进行丁醇发酵测试,重点研究解决FR发酵过程的相转型延迟、溶剂产率低等问题,并通过代谢通量计算、发酵过程关键酶基因的转录水平等的测定分析,揭示FR丁醇发酵的机制及其具有较高丁醇/丙酮比(丁/丙)的内在机理。主要结果总结如下:(1)餐厨废弃物、苹果渣、餐厨废弃物和果渣混合物以及蕨根等非粮原料的丁醇发酵能力研究结果显示:发酵液中的丁醇(总溶剂)浓度分别为3.9 g/L(6.9 g/L),5.5 g/L(10.2 g/L),7.4 g/L(14.5 g/L)和6.2 g/L(10.6 g/L);丁醇(总溶剂)得率分别为0.026g/g-底物(0.046g/g-底物),0.025 g/g-底物(0.051 g/g-底物),0.044 g/g-底物(0.085 g/g-底物)和0.069 g/g-底物(0.12 g/g-底物);丁醇丙酮比分别为1.8,1.7,1.6和2.5。(2)研究对比蕨根(FR)和玉米的丁醇发酵性能,结果显示:直接的蕨根丁醇发酵产量较玉米低,发酵时间较长。向蕨根培养基中添加3.5 g/L-broth-1酵母浸粉溶液(YE)后,蕨根发酵性能显著提高,发酵时间缩短,丁醇产量和生产能力分别为8.8 g/L和0.09 g/L/h,分别较对照组提高42%和80%。通过二阶全因子和响应面实验优化FR丁醇发酵条件后,丁醇产量和生产能力分别为12 g/L和0.13 g/L/h。(3)研究分析了FR丁醇发酵过程中,发酵液中游离氨基酸的浓度随时间的变化,以及通过测定丙酮丁醇梭菌代谢途径中关键酶基因的转录水平,来间接反应胞内对应酶的活性变化水平。结果显示:在FR醪中加入YE后,天冬氨酸家族和丝氨酸家族氨基酸过量分泌,编码辅酶A转移酶的ctfB基因在72 h的相对表达水平比未添加YE的蕨根醪中的相对表达水平高了13倍。二者共同作用促进了FR丁醇发酵性能。(4)以FR作为底物的丁醇发酵液中丁/丙比较玉米丁醇发酵液中提高58.9%。代谢分析结果表明:在以FR作为底物进行丁醇发酵的产溶剂期,有机酸的重吸收途径被减弱,同时丙酮的生成途径被弱化。此为以FR为底物的丁醇发酵过程中出现较高丁/丙比的重要原因。代谢通量分析也可看出:以FR作为底物的丁醇发酵液中NADH的合成速率较高。因此推测,偏高的NADH生成速率是促进以FR作为底物的丁醇发酵过程中影响丁/丙比的另一个重要原因。