CN113151367A - 一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法 - Google Patents
一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,属于食品发酵工程技术领域。本发明采用不利用木糖的非基因工程的鲁氏结合酵母,通过葡萄糖的流加和梯度升温刺激酵母细胞持续合成并向胞外分泌木糖醇。本发明以葡萄糖为唯一补料基质,利用鲁氏结合酵母能将葡萄糖代谢为木糖醇的能力,通过补料与控温相耦合的发酵调控技术,木糖醇被大量合成和分泌,天然生物保护物海藻糖也同步产生。通过本发明发酵方法,发酵调控结束时,木糖醇浓度不低于30g/L,胞内海藻糖的含量不低于90mg/gDCW,发酵后的细胞存活率不低于90%。
Description
技术领域
本发明涉及食品发酵工程技术领域,具体涉及一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法。
背景技术
木糖醇是一种天然的五碳糖醇,常见于植物中。因其具有低血糖指数、低热量、低化学活性等特殊的物理化学性质,在化学、食品和医药等众多领域被广泛应用,全球需求量日益增多。当前,木糖醇的工业生产方法是由纯D-木糖在高温、高压下化学催化法制得的。然而,化学合成法存在较多问题,如原料要求高、能耗高、条件苛刻、环境污染重等。因原料来源广、能耗低、条件温和、环境友好等优点,生物发酵技术制备木糖醇具有巨大的应用,其基本原理是利用微生物将木糖转化为木糖醇。自然界中能够转化木糖为木糖醇的天然菌种并不多,更重要的是,缺乏具备从头合成木糖醇能力的自然菌种(将葡萄糖代谢成木糖醇)。同时,更多关注转化参数的优化,缺乏发酵调控研究。
近年农业废弃物的利用、新菌株筛选和工程菌的构建、多糖共利用与代谢产物共生产成为木糖醇行业的热点研究方向。一方面可以有效扩充木糖的来源,另一方面可提高木糖的利用率和发酵效率。在农业废弃物利用方面,专利申请号为202010151651.6的中国发明专利申请公开了水解玉米芯制备木糖再发酵生产木糖醇的工艺;专利申请号为202010123615.9的中国发明专利申请公开了利用柑橘皮制备木糖醇的方法;专利申请号为202010027798.4的中国发明专利申请公开了利用未脱毒纤维素原料生产木糖醇和乙醇的发酵方法;专利申请号为202010579607.5的中国发明专利申请公开了以柑橘皮为原料生产木糖醇的发酵方法;专利申请号为201811082231.6的中国发明专利申请公开了解除发霉玉米中真菌毒素并转化生产木糖醇的方法;专利申请号为201710655864.0的中国发明专利申请公开了木糖渣产木糖醇中的应用;专利申请号为201610698186.1的中国发明专利申请公开了用油茶壳制备木糖醇的方法;专利申请号为201510934792.4的中国发明专利申请公开了粘胶纤维压榨碱液制备木糖醇的方法;专利申请号为201210311226.4的中国发明专利申请公开了利用酒糟酸水解液发酵生产木糖醇的方法;专利申请号为201210551958.0的中国发明专利申请公开了酒糟水解液生产木糖醇的方法。在新菌株筛选和工程菌构建方面,专利申请号为202010541446.0的中国发明专利申请公开了一种高温好氧条件下产木糖醇的马克斯克鲁维酵母工程菌株;专利申请号为201910775914.8的中国发明专利申请公开了一种利用木糖发酵生产乙醇和木糖醇的马克斯克鲁维酵母工程菌株;专利申请号为201911111632.4的中国发明专利申请公开了一株合成木糖醇的重组解脂耶氏酵母;专利申请号为201810092198.9的中国发明专利申请公开了一株共发酵木糖和葡萄糖以高产木糖醇及乙醇的工业酿酒酵母重组菌株;专利申请号为201810537124.1的中国发明专利申请公开了共利用葡萄糖和木糖产生木糖醇的耐热酵母工程菌株;专利申请号为201810839980.2的中国发明专利申请公开了一种生产木糖醇的重组大肠杆菌固定化细胞方法;专利申请号为201510455949.5的中国发明专利申请公开了一种木糖醇和乙醇同步发酵的酿酒酵母工程菌;专利申请号为201510760091.3的中国发明专利申请公开了一株产木糖醇的工业酿酒酵母菌株;专利申请号为201510498085.5的中国发明专利申请公开了一种高产木糖醇的热带假丝酵母基因工程菌;专利申请号为201410727487.3的中国发明专利申请公开了一株木糖醇高温高产马克斯克鲁维酵母工程菌株;专利申请号为201310399915.X的中国发明专利申请公开了一株木糖醇高温高产马克斯克鲁维酵母工程菌株;专利申请号为201310513570.6的中国发明专利申请公开了一株木糖醇热带假丝酵母基因工程菌;专利申请号为201210452367.8的中国发明专利申请公开了一株生产木糖醇的重组热带假丝酵母;专利申请号为201210549992.4的中国发明专利申请公开了一株制备木糖醇的氧化葡糖酸杆菌工程菌;专利申请号为201310173212.5的中国发明专利申请公开了一株高产木糖醇的出芽短梗霉突变株;专利申请号为201310170056.7的中国发明专利申请公开了一种利用出芽短梗霉突变株发酵生产木糖醇的方法;专利申请号为201410612154.6的中国发明专利申请公开了一株热带假丝酵母产木糖醇的方法;专利申请号为201310097359.0的中国发明专利申请公开了一种嗜鞣管囊酵母发酵生产木糖醇的方法。在多糖利用和代谢产物共生产方面,专利申请号为201810732898.X的中国发明专利申请公开了一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖醇、木质素的工艺;专利申请号为201810732309.8的中国发明专利申请公开了一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖醇、木质素、纤维素纤维浆的工艺;专利申请号为201010192279.X的中国发明专利申请公开了一种利用木糖母液同时生产木糖醇和阿拉伯糖醇的方法。此外,专利申请号为202010579442.1的中国发明专利申请公开了一种木糖醇菌株、发酵培养基、优化方法及应用;专利申请号为201710098019.8的中国发明专利申请公开了一种热带假丝酵母发酵木糖母液生产木糖醇的培养基及发酵方法;专利申请号为201510126971.5的中国发明专利申请公开了一种固定化细胞多批式发酵生产木糖醇的新技术;专利申请号为201510532666.6的中国发明专利申请公开了一种用于转化木糖生产木糖醇的活菌制剂及其应用;专利申请号为201410060877.X的中国发明专利申请公开了一种提高热带假丝酵母木糖醇发酵产量的方法。这些专利所展现的技术与方法展现了一定优势,也存在局限。农业废弃物的利用提高了资源利用率,但其存在的抑制因子为微生物高效转化设定了障碍;天然菌株通过参数优化提高了木糖利用率和木糖/木糖醇的转化率,但碳源十分单一,虽然通过基因工程手段能丰富微生物可利用碳源的种类,却具有潜在的生物安全隐患;代谢产物共生产增加了后续木糖醇纯品的提取纯化难度。
通过检索国内外现有技术发现,没有耐盐酿造酵母鲁氏结合酵母被用于木糖醇的发酵中,也没有以葡萄糖为唯一碳源的从头合成木糖醇的发酵调控方法。本发明以耐盐酿造酵母鲁氏结合酵母,采用流加与温度耦合调控策略,以葡萄糖为唯一碳源从头合成木糖醇。该方法采用微生物培养发酵中最常见的碳源,原料易得,发酵调控过程易于控制和实现,酵母细胞存活率高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点与不足,提供一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法。该方法以葡萄糖为唯一补料基质,利用鲁氏结合酵母能将葡萄糖代谢为木糖醇的能力,通过补料与控温相耦合的发酵调控技术,木糖醇被大量合成和分泌,天然生物保护物海藻糖也同步产生。所述的自我保护指的是,高温刺激鲁氏结合酵母合成木糖醇且产生了大量的海藻糖,海藻糖同时可保护高温下的酵母细胞。
发明的目的通过下述技术方案实现:
一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,为在鲁氏结合酵母的发酵过程中流加葡萄糖并升温调控发酵温度。所述升温的温度范围优选为35~43℃。该方法中,葡萄糖的流加为木糖醇的高速合成提供充足碳骨架,升温可以抑制鲁氏结合酵母增殖促进木糖醇的合成与分泌。
进一步地,所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法包括以下步骤:将鲁氏结合酵母或其种子液接种到发酵培养基中进行发酵培养,在鲁氏结合酵母进入生长稳定期后,流加葡萄糖并采用梯度升温调控发酵温度。
更进一步地,所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法包括以下步骤:将鲁氏结合酵母使用种子活化培养基活化后,接入到种子扩培培养基中扩陪,扩培后加入发酵培养基进行发酵培养,在鲁氏结合酵母进入生长稳定期后,流加葡萄糖并采用梯度升温调控发酵温度。其中,所述的种子活化培养基、种子扩培培养基可以为YEPD液体培养基;所述的发酵培养基的配方优选为:糖蜜38%、酵母粉0.5%、磷酸二氢钾1.0%、氯化钾0.05%、硫酸铵0.5%和七水硫酸镁0.06%;所述的发酵培养的条件优选为:发酵起始温度为28-32℃,搅拌转速为400-500r/min,通气量为1.1-1.5VVM,发酵期间维持pH为5±0.3;葡萄糖的流加条件优选为:50-300mL/h的速度流加600-800g/L的葡萄糖溶液;采用梯度升温的条件优选为:从发酵起始温度升温,每1-3h升温1-2℃,升温至39-43℃。
本发明发酵过程中所使用的种子活化培养基、种子扩培培养基、发酵培养基和补料溶液等均不添加木糖或木糖醇的前体物,葡萄糖是唯一流加碳源。所使用的鲁氏结合酵母为传统酿造中常见的酵母,其为非基因工程菌株,无木糖利用能力,具有良好的耐盐能力,能从葡萄糖合成木糖醇且能分泌到胞外。本发明在生成木糖醇的同时,还可以在胞内积累天然生物活性保护物海藻糖。通过本发明发酵方法,发酵调控结束时,木糖醇浓度不低于30g/L,胞内海藻糖的含量不低于90mg/gDCW,发酵后的细胞存活率不低于90%。
与现有技术相比,本发明的技术核心是细胞活力的保护和外源六碳糖被鲁氏结合酵母代谢合成五碳醇。本发明通过补料和温度耦合发酵调控,使得木糖非利用酵母鲁氏酵母将流加的葡萄糖代谢合成为木糖醇,并同步合成生物抗逆物质海藻糖。本发明首次成功解决了如下问题:
(1)获得不利用木糖但能代谢葡萄糖为木糖醇的天然酵母微生物:本发明通过比较多种食品酵母(鲁氏接合酵母、扣囊覆膜酵母、费比恩酵母、毕赤酵母、葡萄牙棒孢酵母和酿酒酵母)在以葡萄糖或木糖为唯一碳源的YEPD培养基中的24h生长情况,如图1所示,确定鲁氏接合酵母不能利用木糖,对发酵液中代谢产物的气质分析显示存在木糖醇。
(2)确定木糖醇和海藻糖合成的激发条件:木糖醇属于五碳糖衍生物,海藻糖属于双糖,两者都只能在一定的条件下才能由葡萄糖代谢而来。激发鲁氏酵母合成木糖醇和海藻糖的前提条件是酵母细胞的增殖被抑制,生长处于稳定状态。此外,两种糖的合成都还有赖于碳源的大量供给以保证充足的前体物6-磷酸葡萄糖存在。第三,木糖醇和海藻糖的合成与逆境存在关系,但受逆境强度存在差异。
(3)建立了补料与温度刺激耦合发酵调控体系:木糖醇和海藻糖合成期间,发酵体系中瞬时补加的葡萄糖质量不低于0.5g/min,温度不低于35℃且不超过43℃。在较优的调控体系下,大部分合成的木糖醇被分泌到胞外且最大浓度超过30g/L,而海藻糖被聚集在胞内以保护高温下的细胞且最大浓度不低于90mg/gDCW。
附图说明
图1是不同食品酵母对木糖和葡萄糖利用比较的结果图。其中,鲁:鲁氏接合酵母,扣:扣囊覆膜酵母,费:费比恩酵母、毕:毕赤酵母,葡:葡萄牙棒孢酵母,酿:酿酒酵母。
图2是发酵调控刺激鲁氏结合酵母合成海藻糖与木糖醇的结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的内容不仅仅局限于实施例所述的范围,凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
将不同食品酵母分别接种到以葡萄糖或木糖为唯一碳源的YEPD培养基,30℃、200r/min摇床培养24h,测定发酵液的OD600,结果见图1,鲁氏结合酵母不能利用木糖。对鲁氏结合酵母发酵液中代谢产物的气质分析显示存在木糖醇。
实施例2
接种鲁氏接合酵母(CCTCC M 2013310)试管斜面至YEPD液体培养基,30℃、200r/min摇床培养活化24h,获得总量350mL的液体种子。将液体种子接种至115℃、20分钟灭菌彻底的含有7L YEPD培养基的20L机械搅拌通风发酵罐,在30℃、200r/min培养12h完成种子罐阶段培养。随后,将含有38%糖蜜、0.5%酵母浸粉、0.05%氯化钾、1.0%磷酸二氢钾、0.5%硫酸铵、0.06%七水硫酸镁组份的无菌发酵培养基添加至种子罐中,使发酵总体积为12L。
无调控:整个发酵过程中,在发酵温度为30℃、搅拌转速为450r/min、通气量为1.3VVM(空气体积/培养基体积/分钟)的条件下发酵。发酵期间,使用3mol/L NaOH和HCl使发酵体系pH值保持在5.0。发酵全过程不改变温度,也无补料操作。
调控:发酵0-12h,发酵温度为30℃,12h时发酵温度从30℃提高到35℃并保持2h,14h时发酵温度从35℃提高到37℃并保持2h,16h时发酵温度从37℃提高到39℃并保持2h,至18h时,温度调节至41℃保持1h,至19h时,温度调节至43℃保持1h。同时,8-12h内以80mL/h的速率和12-20h以200mL/h的速率流加800g/L的补料葡萄糖溶液。整个发酵过程中,搅拌转速、通气量和pH维持方式与无调控相同。
取不同发酵时间的发酵液,发酵液经离心获得细胞沉淀和胞外发酵液。细胞沉淀通过玻璃珠漩涡震荡破碎后,离心收集上清。胞外发酵液与细胞破碎上清液冷冻干燥后,经硅烷化衍生,用气相色谱检测胞内海藻糖和胞外木糖醇,结果见图2。
实施例3
接种鲁氏接合酵母(CCTCC M 2013310)试管斜面至YEPD液体培养基,30℃、200r/min摇床培养活化24h,获得总量350mL的液体种子。将液体种子接种至115℃、20分钟灭菌彻底的含有7L YEPD培养基的20L机械搅拌通风发酵罐,在30℃、200r/min培养12h完成种子罐阶段培养。随后,将含有38%糖蜜、0.5%酵母浸粉、0.05%氯化钾、1.0%磷酸二氢钾、0.5%硫酸铵、0.06%七水硫酸镁组份的无菌发酵培养基添加至种子罐中,使发酵总体积为12L。在发酵温度为30℃、搅拌转速为450r/min、通气量为1.3VVM(空气体积/培养基体积/分钟)的条件下发酵。发酵期间,使用3mol/L NaOH和HCl使发酵体系pH值保持在5.0;8-12h内以80mL/h和12-20h以200mL/h流加800g/L的补料葡萄糖溶液;同时在12-20h梯度升温,12h时发酵温度从30℃提高到35℃,然后温度每2h升高2℃到39℃,至18h时,温度调节至41℃保持1h,至19h时,温度调节至43℃保持1h。
发酵调控结束时,发酵液经离心获得细胞沉淀和胞外发酵液。细胞沉淀通过玻璃珠漩涡震荡破碎后,离心收集上清。胞外发酵液与细胞破碎上清液冷冻干燥后,经硅烷化衍生,用气相色谱检测胞内海藻糖和胞外木糖醇。酵母活细胞数采用稀释平板计数法测定。检测结果:木糖醇浓度为37g/L,胞内海藻糖含量为103mg/gDCW,活细胞数达到93%。
实施例4
将适量无菌水加入已培养好的鲁氏接合酵母(CCTCC M 2013310)茄子瓶斜面,摇动以洗脱所有菌苔,制备成酵母细胞菌悬液作为发酵种子液。将液体种子接种至115℃、20分钟灭菌彻底的含有7L YEPD培养基的20L机械搅拌通风发酵罐,在30℃、200r/min培养12h完成种子罐阶段培养。随后,将含有10%葡萄糖、1.0%酵母浸粉、0.05%氯化钾、1.0%磷酸二氢钾、1.0%硫酸铵、0.08%七水硫酸镁组分的无菌发酵培养基添加至种子罐中,使发酵总体积为12L。在发酵温度为30℃,搅拌转速为450r/min,通气量为1.3VVM(空气体积/培养基体积/分钟)的条件下发酵。发酵期间,使用3mol/L NaOH和HCl使发酵体系pH值保持在5.0;8-20h以300mL/h流加800g/L的补料葡萄糖溶液;同时在12-20h梯度升温,12h时发酵温度从30℃提高到35℃,然后温度每2h升高2℃到39℃,至18h时,温度调节至41℃保持1h,至19h时,温度调节至43℃保持1h。
发酵调控结束时,发酵液经离心获得细胞沉淀和胞外发酵液。细胞沉淀通过玻璃珠漩涡震荡破碎后,离心收集上清。胞外发酵液与细胞破碎上清液冷冻干燥后,经硅烷化衍生,用气相色谱检测胞内海藻糖和胞外木糖醇。酵母活细胞数采用稀释平板计数法测定。检测结果:木糖醇浓度为40g/L,胞内海藻糖含量为128mg/gDCW,活细胞数达到91%。
实施例5
接种鲁氏接合酵母(CCTCC M 2013310)试管斜面至YEPD液体培养基,30℃、200r/min摇床培养活化24h,获得总量350mL的液体种子。将液体种子接种至115℃、20分钟灭菌彻底的含有7L YEPD培养基的20L机械搅拌通风发酵罐,在30℃、200r/min培养12h完成种子罐阶段培养。随后,将含有38%糖蜜、1.0%酵母浸粉、1.5%磷酸二氢钾、0.5%硫酸铵、0.06%七水硫酸镁组分的无菌发酵培养基添加至种子罐中,使发酵总体积为12L。在发酵温度为28℃,搅拌转速为400r/min,通气量为1.1VVM(空气体积/培养基体积/分钟)的条件下发酵。发酵期间,使用3mol/L NaOH和HCl使发酵体系pH值保持在4.8;8-12h内以80mL/h和12-20h以100mL/h流加600g/L的补料葡萄糖溶液;同时,12h时温度提高到35℃,维持4h,16h时温度进一步提高到39℃,保持至发酵结束。
发酵调控结束时,发酵液经离心获得细胞沉淀和胞外发酵液。细胞沉淀通过玻璃珠漩涡震荡破碎后,离心收集上清。胞外发酵液与细胞破碎上清液冷冻干燥后,经硅烷化衍生,用气相色谱检测胞内海藻糖和胞外木糖醇。酵母活细胞数采用稀释平板计数法测定。检测结果:木糖醇浓度为32g/L,胞内海藻糖含量为93mg/gDCW,活细胞数达到95%。
实施例6
将适量无菌水加入已培养好的鲁氏接合酵母(CCTCC M 2013310)茄子瓶斜面,摇动以洗脱所有菌苔,制备成酵母细胞菌悬液作为发酵种子液。将液体种子接种至115℃、20分钟灭菌彻底的含有7L YEPD培养基的20L机械搅拌通风发酵罐,在30℃、200r/min培养12h完成种子罐阶段培养。随后,将含有10%葡萄糖、0.5%酵母浸粉、0.05%氯化钾、1.0%磷酸二氢钾、0.5%硫酸铵、0.06%七水硫酸镁组分的无菌发酵培养基添加至种子罐中,使发酵总体积为12L。在发酵温度为30℃,搅拌转速为500r/min,通气量为1.5VVM(空气体积/培养基体积/分钟)的条件下发酵。发酵期限,使用3mol/L NaOH和HCl使发酵体系pH值保持在5.0;第8h开始以200mL/h流加800g/L的补料葡萄糖溶液;且同步开始梯度升温调控,每次调控升温2℃,保温时间为2h或4h,最高控制温度为41℃,35℃以下保温时间为2h,35℃以上保温时间为4h。
发酵调控结束时,发酵液经离心获得细胞沉淀和胞外发酵液。细胞沉淀通过玻璃珠漩涡震荡破碎后,离心收集上清。胞外发酵液与细胞破碎上清液冷冻干燥后,经硅烷化衍生,用气相色谱检测胞内海藻糖和胞外木糖醇。酵母活细胞数采用稀释平板计数法测定。检测结果:木糖醇浓度为41g/L,胞内海藻糖含量为119mg/gDCW,活细胞数达到90%。
Claims (8)
1.一种自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:在鲁氏结合酵母的发酵过程中流加葡萄糖并升温调控发酵温度;所述升温的温度范围为35~43℃。
2.根据权利要求1所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:包括以下步骤:将鲁氏结合酵母或其种子液接种到发酵培养基中进行发酵培养,在鲁氏结合酵母进入生长稳定期后,流加葡萄糖并采用梯度升温调控发酵温度。
3.根据权利要求2所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:包括以下步骤:将鲁氏结合酵母使用种子活化培养基活化后,接入到种子扩培培养基中扩陪,扩培后加入发酵培养基进行发酵培养,在鲁氏结合酵母进入生长稳定期后,流加葡萄糖并采用梯度升温调控发酵温度。
4.根据权利要求3所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:所述的种子活化培养基、种子扩培培养基为YEPD液体培养基。
5.根据权利要求2或3所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:所述的发酵培养基的配方为:糖蜜38%、酵母粉0.5%、磷酸二氢钾1.0%、氯化钾0.05%、硫酸铵0.5%和七水硫酸镁0.06%。
6.根据权利要求2或3所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:所述的发酵培养的条件为:发酵起始温度为28-32℃,搅拌转速为400-500r/min,通气量为1.1-1.5VVM,发酵期间维持pH为5±0.3。
7.根据权利要求2或3所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:葡萄糖的流加条件为:50-300mL/h的速度流加600-800g/L的葡萄糖溶液。
8.根据权利要求2或3所述的自我保护的鲁氏结合酵母从头合成木糖醇的发酵方法,其特征在于:采用梯度升温的条件为:从发酵起始温度升温,每1-3h升温1-2℃,升温至39-43℃。
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