乙酸对发酵性丝孢酵母细胞生长及油脂积累的影响研究

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微生物油脂是产油微生物在一定条件下于体内合成积累的油脂,其脂肪酸组成与一般植物油脂相似,且生产周期短,不受场地和季节限制,是生产生物柴油的良好原料。利用丰富的木质纤维素为原料发酵生产微生物油脂,能够降低微生物油脂的生产成本,促进其产业化应用。发酵性丝孢酵母(Trichosporon fermentans)是本课题组筛选所得的一株能够利用木质纤维素稀酸水解液发酵产油脂的油脂酵母,然而水解液中的抑制剂会对其细胞生长和油脂积累产生强烈的抑制作用。乙酸是木质纤维素稀酸水解液中最主要且量最大的抑制剂。但关于乙酸对油脂微生物发酵产油脂的影响规律及其机理的研究却鲜有报道。为了更好地利用木质纤维素水解液发酵产油脂,本课题研究了乙酸对发酵性丝孢酵母细胞生长及油脂积累的影响规律及其机理。在此基础上,采用适宜的发酵策略利用木质纤维素水解液发酵产油脂,减弱乙酸的抑制作用并提高油脂产量。首先考察了乙酸和pH对发酵性丝孢酵母细胞生长及油脂积累的影响。研究发现发酵性丝孢酵母在pH为6.5的培养条件下能代谢一定浓度的乙酸,其转运乙酸的体系不受葡萄糖抑制。发酵性丝孢酵母代谢乙酸的初始速率与乙酸浓度无关,约为0.1g/L h。乙酸对发酵性丝孢酵母细胞生长和油脂积累的抑制作用与培养基的pH相关:相同乙酸浓度下,较低pH的条件会使乙酸产生更强烈的抑制作用,该抑制作用实际取决于培养基中未解离形式的乙酸浓度。当培养基中含有0.026g/L、0.052g/L及0.096g/L未解离形式的乙酸时,细胞生长的延迟期分别为12h、24h和48h;在pH4.5、3g/L乙酸的培养条件下(对应未解离酸浓度为1.92g/L),发酵性丝孢酵母无法正常生长。当pH为6.5时,培养基中低浓度的乙酸(1.5g/L)能够使细胞获得更高的油脂含量和油脂产量。葡萄糖的比消耗速率随着乙酸浓度的增加而降低;而乙酸的浓度变化对木糖的比消耗速率影响较小。此外,乙酸浓度和pH的变化对发酵性丝孢酵母胞内油脂的脂肪酸组成影响较小。分别采用荧光试剂BCECF-AM和罗丹明123检测了乙酸对发酵性丝孢酵母胞内pH和膜电势的影响。当pH为4.5时,乙酸(3g/L)能降低发酵性丝孢酵母胞内约0.4个pH单位,而在此条件下乙酸对发酵性丝孢酵母胞内膜电势的影响较小,表明乙酸对发酵性丝孢酵母细胞生长的抑制机理主要是降低了其胞内的pH。此外,采用尼尔红检测了pH6.5时1.5g/L乙酸对发酵性丝孢酵母胞内脂肪颗粒形成的影响。结果显示,在该条件下乙酸对发酵性丝孢酵母胞内脂肪颗粒的大小影响较小,但添加乙酸的实验组其胞内荧光强度略高于空白,这与之前的实验现象相符。为了能较快地代谢木质纤维素水解液中的乙酸,解除或降低乙酸等抑制剂对发酵性丝孢酵母细胞生长和油脂积累的抑制作用,并提高菌体的生物量和油脂产量,采用分批补料法高密度培养发酵性丝孢酵母。首先考察了初始糖浓度对发酵性丝孢酵母生长及油脂积累的影响,确定初始糖浓度为100g/L,在该浓度下发酵性丝孢酵母可获得较高的生物量及油脂产量,且不存在底物抑制现象。在此基础上,在5L发酵罐中利用水稻秸秆稀酸水解液分批补料培养发酵性丝孢酵母,并每隔48h补加一定量以灭菌的水解液,经过156小时的发酵,获得生物量、油脂含量及油脂生产强度分别为68.3g/L、45.3%和0.198g/L·h。气相色谱分析结果表明,所得油脂的脂肪酸组成主要以硬脂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸为主,不饱和脂肪酸含量达65%以上,适用于生物柴油的生产。本研究对于实现生物质资源的高值化利用及降低微生物油脂的生产成本具有重要意义,有助于解决限制生物柴油大规模生产和广泛应用的油脂原料瓶颈问题。
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