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γ-聚谷氨酸发酵条件优化及结构表征分析

作　者: 于晓丹
导　师: 马霞
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 发酵工程
关键词: γ-聚谷氨酸 响应面法 结构表征 保水剂
分类号: TQ922.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


γ-聚谷氨酸（γ-Polyglutamic acid,即γ-PGA）是一种具有水溶性、生物可降解性、无毒、对人体无害的高分子材料,它最初是从某些微生物的荚膜中提取出来的,是由D-谷氨酸和L-谷氨酸单体组成的聚合物。γ-PGA可以作为吸水保湿剂、药物缓释材料、防冻剂、生物絮凝剂、高吸水性树脂、可降解纤维、动物饲料添加剂和重金属吸附剂,广泛的应用于食品、农业、医药、化妆品和环境等领域。本文利用本实验室筛选的Bacillus subtills NOBEL-007摇瓶发酵合成γ-PGA,对γ-PGA的发酵条件、γ-PGA的分子结构和分子量等进行了研究,为工业化生产提供理论基础。主要研究内容如下:（1）利用单因素实验对影响γ-PGA产量的碳源、氮源、谷氨酸钠和无机盐等因素进行研究,筛选出各因素大概的参考范围,为进一步优化做准备。经单因素实验得到的适宜初步发酵培养基配方为:葡萄糖60g/L,酵母粉6.0g/L,谷氨酸钠60g/L,NH4Cl 3.0g/L,CaCl2 0.2g/L、K2HPO4·3H2O 3.0g/L,MgSO4·7H2O 0.75g/L,MnCl2·4H2O 0.04g/L。（2）用SAS软件设计完成Plackett-Burman实验,实验结果表明酵母粉、谷氨酸钠和CaCl2对γ-PGA的产量影响最为显著,因此重点对这三个因素进行优化分析。根据Plackett-Burman实验结果设计最陡爬坡实验,以便最大限度接近最高产γ-PGA的最优值区域,建立有效的拟合方程。（3）根据最陡爬坡实验的结果,采用Box-Behnken实验研究结果完成系统分析后建立回归方程,结合Design-Expert软件绘出响应面分析图和等高线图,最终获得γ-PGA的最佳发酵培养基为:葡萄糖50g/L,酵母粉4.18g/L,谷氨酸钠76.89g/L,NH4Cl 3g/L,CaCl2 0.1422g/L、K2HPO4·3H2O 3g/L,MgSO4·7H2O 0.75g/L,MnCl2·4H2O 0.04g/L,此时γ-PGA的理论产量为43.39g/L。对预测结果进行验证,得到γ-PGA的产量为43.26g/L,与理论预测值相近,说明模型的可信度较高。与优化前21.26g/L相比,γ-PGA的产量提高了1.035倍。（4）应用红外光谱和核磁共振对发酵产物进行鉴定分析,结果证实为γ-PGA,并解析了它的分子结构式。纸层析和茚三酮比色法测定结果表明γ-PGA是由单一的谷氨酸组成,且发酵所得γ-PGA产品的纯度为85.13%。利用浊度法/分光光度计法测得γ-PGA的等电点为3.5。SDS-PAGE电泳测得γ-PGA的分子量,发现其同其他聚氨基酸一样,是多分子量聚合物,分子量范围在100-600kD之间。利用发酵所得γ-PGA产品进行吸水性实验、保水性实验和对种子发芽率影响的实验,发现γ-PGA土壤保水性与PAM相当,但其吸收水分的能力和提高种子发芽率的能力均优于PAM。此外,还发现γ-PGA的吸水能力在蒸馏水中最强,其次是生理盐水,井水和自来水最差,在土壤中的保水实验也得到类似结果,且质量浓度为12g/L的γ-PGA保水效果最好。

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章 绪论  12-22
  1.1 引言  12
  1.2 γ-PGA 的特性概述  12-13
    1.2.1 γ-PGA 的结构组成  12
    1.2.2 γ-PGA 的性质  12-13
  1.3 γ-PGA 的生物合成  13-16
    1.3.1 γ-PGA 的生产菌株  13-14
    1.3.2 γ-PGA 的合成方法  14
    1.3.3 影响γ-PGA 发酵生产的因素  14-16
    1.3.4 γ-PGA 的生物合成的调控及相关基因  16
  1.4 γ-PGA 的提取及纯化  16-17
  1.5 γ-PGA 的应用  17-20
    1.5.1 化妆品和日化用品  17-18
    1.5.2 食品  18
    1.5.3 农业及环境  18-19
    1.5.4 医药  19-20
    1.5.5 在生化方面的应用  20
  1.6 课题的研究背景及主要内容  20-22
第2章 利用响应面法优化γ-PGA 发酵培养基  22-40
  2.1 引言  22
  2.2 实验材料  22-24
    2.2.1 菌株  22
    2.2.2 实验试剂和仪器设备  22-24
  2.3 实验方法  24-26
    2.3.1 培养基  24
    2.3.2 培养方法  24
    2.3.3 γ-PGA 分离纯化  24
    2.3.4 单因素实验法  24-25
    2.3.5 Plackett-Burman 实验分析  25
    2.3.6 最陡爬坡实验  25-26
    2.3.7 响应面法优化  26
  2.4 实验设计与结果分析  26-38
    2.4.1 初步单因素优化  26-33
    2.4.2 Plackett-Burman 实验确定关键因素  33-34
    2.4.3 最陡爬坡实验  34
    2.4.4 响应面法优化γ-PGA 的发酵培养基  34-38
  2.5 本章小结  38-40
第3章 γ-PGA 的结构表征  40-56
  3.1 引言  40
  3.2 实验试剂和仪器设备  40-42
    3.2.1 实验试剂  40-41
    3.2.2 实验仪器设备  41
    3.2.3 试剂配制  41-42
  3.3 实验方法  42-47
    3.3.1 红外光谱法对γ-PGA 的结构进行初步鉴定  42-43
    3.3.2 核磁共振法最终确定γ-PGA 的结构  43
    3.3.3 纸层析法测γ-PGA 的单体组成  43-44
    3.3.4 茚三酮比色法测纯度  44-45
    3.3.5 γ-PGA 等电点的测定  45-46
    3.3.6 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法测γ-PGA 的分子量  46-47
  3.4 实验结果与分析  47-55
    3.4.1 红外光谱结果与分析  47-50
    3.4.2 核磁共振波谱结果与分析  50-52
    3.4.3 纸层析结果与分析  52-53
    3.4.4 茚三酮比色法  53
    3.4.5 等电点测定  53-54
    3.4.6 SDS-PAGE 电泳结果分析  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章 γ-PGA 的保水性研究  56-64
  4.1 引言  56
  4.2 材料与方法  56-57
    4.2.1 材料  56
    4.2.2 保水剂的吸水性能测定  56-57
    4.2.3 保水剂对土壤的保水性能测定  57
    4.2.4 保水剂对种子发芽率的影响  57
  4.3 结果与讨论  57-62
    4.3.1 γ-PGA 与PAM 的吸水性能比较  57-58
    4.3.2 γ-PGA 在不同溶液中的吸水性能  58-59
    4.3.3 γ-PGA 与PAM 的保水性能比较  59
    4.3.4 γ-PGA 用量对保水性能的影响  59-60
    4.3.5 γ-PGA 在不同溶液中的保水性能  60
    4.3.6 保水剂对种子发芽率的影响  60-62
  4.4 本章小结  62-64
第5章 结论与展望  64-68
  4.1 结论  64-65
  4.2 前景展望  65-68
参考文献  68-74
致谢  74-76
在学期间主要科研成果  76
  一、发表学术论文  76
  二、其他研究成果  76

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 其他化学工业 > 发酵工业 > 发酵法制氨基酸 > 谷氨酸
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