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马铃薯为原料发酵制备L-乳酸的研究

作　者: 赵国振
导　师: 陈朝银；熊向峰
学　校: 昆明理工大学
专　业: 生物化工
关键词: 乳酸紫外诱变响应面同步糖化发酵
分类号: TQ921.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

L-乳酸及其衍生物广泛应用于食品、医药、农业、日用品、环保、化工等领域。尤其是近年来,人们利用乳酸聚合生产生物可降解塑料、绿色包装材料及农用薄膜等,来解决日益严重的资源短缺和环境污染问题,引起了的人们极大的关注,展示了其广阔的应用前景。本论文以鼠李糖乳杆菌CICC6003作为出发菌株,对其进行紫外诱变,并通过高糖高酸平板和琥珀酸平板筛选突变菌株,得到一株耐高糖高酸,EMP途径强化TCA途径减弱的突变菌株。突变菌株LR-9-3-6乳酸产量达到84.6g/L,比出发菌株提高了25.9%,而且稳定性好。通过单因素实验确定了马铃薯糖化液为最适碳源,酵母膏为最适氮源,考察培养基组成中马铃薯糖化液、酵母膏、柠檬酸二铵、乙酸钠、K2HPO4、Mg2+、Mn2+、Fe2+8个因素对乳酸产量的影响。采用统计学方法优化鼠李糖乳杆菌突变株LR-9-3-6发酵制备乳酸的发酵培养基。利用Plackett-Burman实验设计法考察培养基组分中的8个因素对乳酸生产的影响,筛选出马铃薯糖化液、酵母膏、硫酸锰三个因素对乳酸产量具有显著影响,选择这三个因素作为主要研究对象进行进一步的优化工作。最陡爬坡实验确定了响应面实验因素水平的中心点为马铃薯糖化液浓度100g/L、酵母膏浓度14g/L、硫酸锰浓度0.015g/L。采用中心复合实验进行响应面实验,用Minitab15软件对中心复合实验设计的实验数据进行二次多项式回归拟合,并建立回归方程,对回归方程求解,对应为马铃薯糖化液浓度110.7g/L,酵母膏浓度14.98g/L,硫酸锰浓度0.016g/L,最大乳酸产量达94.09g/L。在最优条件下进行验证实验,三次实验平均值为93.2g/L,与预测值之间的误差为0.9%。与优化前相比,乳酸产量提高了11.2%,L-乳酸的纯度达到94.8%。通过单因素实验确定了最佳乳酸发酵条件为种龄16h、接种量8%、装液量100mL、温度37℃、CaCO3发酵前一次性加入。以马铃薯淀粉为原料采用同步糖化发酵工艺进行发酵制备乳酸,对其工艺条件进行优化。研究表明,淀粉先经过液化后再进行同步糖化发酵的工艺乳酸产量最高,通过单因素实验确定了最适淀粉浓度为300g/L、糖化酶用量为250u/g、发酵温度为37℃、最适发酵时间72h。通过Plackett-Burman实验筛选出淀粉浓度、糖化酶用量和发酵温度三个因素对乳酸产量具有显著影响,选择这三个因素作为主要研究对象进行进一步的优化工作。最陡爬坡实验确定了响应面实验因素水平的中心点为淀粉浓度260g/L糖化酶用量260 U/g淀粉、发酵温度38℃。采用中心复合实验进行响应面实验,用Minitab15软件对实验数据进行二次多项式回归拟合,、并建立回归方程,对回归方程求解,对应为淀粉浓度271.89g/L,糖化酶用量265.09 U/g淀粉,发酵温度39.05℃,最大乳酸产量达到196.99 g/L。在最优条件下进行验证实验,三次实验平均值为193.6g/L,误差1.7%,与优化前相比,乳酸产量提高了13.9%,L-乳酸的纯度达到95.2%。本论文还研究了变温策略在同步糖化发酵中的应用,变温发酵的最佳条件是发酵开始8h后升温至42℃,高温维持2h后再降至37℃,与37℃和39℃恒温发酵相比乳酸产量分别提高了3.5%和1.6%。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
插图和附表清单  12-15
第一章绪论  15-29
  1.1 乳酸的结构和基本性质  15-16
  1.2 乳酸及其衍生物的应用  16-18
    1.2.1 在食品领域中的应用  16-17
    1.2.2 在医药领域中的应用  17
    1.2.3 在化妆品领域的应用  17
    1.2.4 在其他工业领域中的应用  17
    1.2.5 合成生物可降解材料—聚乳酸  17-18
  1.3 乳酸的生产方法  18-21
    1.3.1 化学合成法  18
    1.3.2 酶法  18
    1.3.3 发酵法  18-21
  1.4 乳酸发酵技术进展  21-26
    1.4.1 菌种选育  21-22
      1.4.1.1 菌种的选择  21
      1.4.1.2 菌种的改良  21-22
    1.4.2 发酵培养基和培养条件的改进和优化  22-24
    1.4.3 乳酸发酵新工艺  24-26
  1.5 马铃薯的开发现状  26-27
  1.6 本论文研究的目的和意义  27-28
  1.7 本论文研究的主要内容  28-29
第二章 L-乳酸高产菌株的诱变选育  29-43
  2.1 引言  29
  2.2 材料  29-32
    2.2.1 菌种  29-30
    2.2.2 主要试剂  30-31
    2.2.3 主要仪器  31
    2.2.4 培养基  31-32
  2.3 分析方法  32-33
    2.3.1 pH值的测定  32
    2.3.2 细胞量的测定  32
    2.3.3 还原糖的测定  32-33
    2.3.4 乳酸的测定  33
  2.4 实验方法  33-36
    2.4.1 出发菌株的确定  33-34
    2.4.2 菌株的紫外诱变  34-35
    2.4.3 耐高糖高酸菌株筛选  35
    2.4.4 EMP途径强化TCA途径减弱菌株的筛选  35-36
    2.4.5 筛选获得的突变菌株与出发菌株发酵性能比较  36
  2.5 结果与分析  36-42
    2.5.1 出发菌株的确定  36
    2.5.2 紫外诱变  36-38
    2.5.3 耐高糖高酸菌株筛选  38-40
    2.5.4 EMP途径强化TCA途径减弱菌株的筛选  40-41
    2.5.5 突变菌株与出发菌株发酵性能比较  41-42
  2.6 小结  42-43
第三章发酵培养基及发酵条件的优化  43-69
  3.1 引言  43
  3.2 材料  43-45
    3.2.1 菌种  43-44
    3.2.2 主要试剂  44
    3.2.3 主要仪器  44-45
    3.2.4 培养基  45
  3.3 分析方法  45-46
    3.3.1 还原糖的测定  45-46
    3.3.2 乳酸的测定  46
  3.4 实验方法  46-49
    3.4.1 培养基组成对乳酸产量的影响  46-47
    3.4.2 响应面法优化发酵培养基  47-48
    3.4.3 发酵条件的优化  48-49
  3.5 结果与分析  49-67
    3.5.1 培养基组成对乳酸产量的影响  49-55
    3.5.2 响应面法优化发酵培养基  55-64
    3.5.3 发酵条件的优化  64-67
  3.6 小结  67-69
第四章同步糖化与乳酸发酵工艺的研究  69-88
  4.1 引言  69
  4.2 材料  69-70
    4.2.1 菌种  69
    4.2.2 主要试剂  69-70
    4.2.3 主要仪器  70
    4.2.4 培养基  70
  4.3 分析方法  70-71
    4.3.1 还原糖的测定  70-71
    4.3.2 乳酸的测定  71
  4.4 实验方法  71-73
    4.4.1 同步糖化发酵过程  71
    4.4.2 不同预处理方式的影响  71
    4.4.3 各因素对同步糖化发酵产乳酸的影响  71
    4.4.4 同步糖化发酵产乳酸条件的统计学优化  71-72
    4.4.5 变温发酵在同步糖化发酵中的应用  72-73
  4.5 结果与分析  73-86
    4.5.1 不同预处理方式的影响  73
    4.5.2 各因素对同步糖化发酵产乳酸的影响  73-76
    4.5.3 同步糖化发酵产乳酸条件的统计学优化  76-85
    4.5.4 变温发酵在同步糖化发酵中的应用  85-86
  4.6 小结  86-88
第五章总结与展望  88-91
  5.1 研究总结  88-89
  5.2 展望  89-91
致谢  91-92
参考文献  92-99
附录A 攻读硕士期间发表论文目录  99

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