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琥珀酸为一种常见的天然有机二元酸,是三羧酸循环过程中的中间产物以及微生物厌氧代谢的终端还原产物,被广泛地应用于食品、医药、化工等多种领域。因此其制备成为近年来研究的热点。 表面活性剂是一类双亲分子,可有效地破坏微生物部分细胞膜,促进菌体对底物的利用,从而促进细胞生长及目的产物的产量。然而,在微生物法制备丁二酸的过程中存在生产强度低、耐受性差等缺点,因此,本论文通过添加表面活性剂来进一步提高丁二酸的产量和生产强度为目的,考察了表面活性剂对产琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes NJ113厌氧发酵制备丁二酸的影响,筛选能够最大程度地促进菌体生长及丁二酸产量的表面活性剂的种类及适宜浓度;结合相关关键酶活分析,初步阐明表面活性剂对产琥珀酸放线杆菌发酵过程的影响机理;并针对添加表面活性剂后副产物乙酸量增多的问题,提出相应的解决策略,从而为减少下游分离的成本提供借鉴。以下是主要结论: 考察了5种表面活性剂[吐温-80(Tween-80)、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)、十二烷基磺酸钠(SDS)、聚乙二醇辛基苯基醚(TritonⅩ-100)以及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)]对A.succinogenesNJ113生长、耗糖速率以及有机酸产量的影响。结果表明:NP-10对菌体生长及丁二酸生产的促进作用最显著,添加0.5g/l的NP-10,菌体可利用30g/l的葡萄糖产浓度为20.30g/l的丁二酸,比未添加表面活性剂提高了12.60%,细胞干重可达8.10g/l,乙酸浓度为7.50g/l,比对照结果提高了2%; SDS、Tween-80以及TritonⅩ-100对菌体的促进作用次之,在低浓度≤0.25g/l时对菌体生长及产酸有较小的促进,随着添加量的增大,会产生严重抑制;CTAB对菌体生长的抑制最为严重,当其浓度仅为0.25g/l时,就可使菌体生长下降28.7%,进一步增加其浓度,菌体几乎失去生长能力。 在3L发酵罐中考察NP-10对A.succinogenes NJ113发酵制备丁二酸过程的影响机制。厌氧发酵36h后,可利用葡萄糖74g/l生产49.94g/l的丁二酸,生产强度达到1.39g/l/h,比未添加NP-10的发酵结果提高了17.40%、17.80%,最大细胞浓度比对照高出了15.20%。同时,最终的乙酸量提高至13.60g/l,比对照结果提高了21.40%;关键酶活结果表明:在发酵进行至9h时,C4代谢途径的关键酶PEP羧化激酶(PEPCK)和苹果酸脱氢酶(MDH)分别比对照结果提高了19.86%和14.32%,从而有利于丁二酸产量的提高。同时也发现,C3代谢途径关键酶丙酮酸激酶(PYK)比对照提高了30.95%,从而有更多的副产物量增加。NP-10可以一方面可有效地提高细胞膜通透性,加快营养物质的传递速率,促进细胞生长,另一方面可能与酶分子之间相互作用,加快酶反应的速率,从而使得整个代谢产物生成量提高。 甘油不仅可以减少副产物代谢途径,而且可以提高培养体系中的还原力NADH,从而对乙酸量的降低起到作用。因此,针对添加表面活性剂后出现的副产物乙酸量较高的问题,以A.succinogenes NJ113为出发菌株,采用进化代谢手段筛选得到一株甘油利用能力较强的产琥珀酸放线杆菌突变株,并考察葡萄糖-甘油共培养对该突变株乙酸生成量的影响。结果显示,对A.succinogenes NJ113进行进化代谢培养526 h后,最终得到一株甘油利用浓度达8g/l的突变株ZH99。添加3g/l的甘油后,此突变株可利用27g/l的葡萄糖得到的乙酸浓度仅为6.02g/l,比原始菌株降低了25.68%,效果较显著。分析原因:一方面葡萄糖被细胞利用时需要依赖PEP-磷酸转移酶系统,会将一分子PEP转化为丙酮酸,进而导致更多副产物乙酸的生成,而以一些依靠ATP驱动并且具有高亲和性的底物制备丁二酸可有效减少丙酮酸的生成,从而降低副产物乙酸的生成;另一方面,甘油作为一种还原性物质,其添加有助于提高整个培养体系中的还原力NADH,使得通往主产物的代谢流增强,从而减弱副产物代谢途径,达到降低乙酸生成量的目的。