影响生物发酵制备木糖醇的因素

影响生物发酵制备木糖醇的因素
作者：郝盼龙郝丽盼
来源：《硅谷》2013年第07期
摘要木糖醇作为一种五碳糖已广泛应用于各个领域。

利用生物发酵生产木糖醇作为一种新的发酵方式成为目前研究热点。

本文较系统的阐述了在生物发酵生产过程中微生物菌种的选育、玉米芯水解液的组成部分以及影响发酵过程一些重要因素，并分别介绍了各因素的影响机理以及最适单因素发酵条件。

关键词木糖醇；工业发酵；玉米芯
中图分类号：TS245 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-155-01
1 原料及菌种选择
1.1 生产原料——首选玉米芯
玉米芯中含有半纤维素，纤维素，和木质素三大组分，各自在所有还原糖中所占的比例为81.9%，7.7%，6.5%和3.9%，因此可以利用半纤维素水解液在在酵母菌的发酵下将木糖转化为木糖醇进行大规模生产。

广义地从技术可能性来讲，只要含有多缩戊糖的植物，均可以作为工业生产木糖醇的原料，这些植物主要包括玉米芯，甘蔗，麦秆和棉杆；但是玉米芯的优越性在于它在所有农作物中戊糖含量最高，又因为我国作为农业大国，年产玉米芯量大，原料丰富，由此可见玉米芯资源潜力巨大，工业生产时可大大降低生产成本极高经济效益。

1.2 菌种的选育—丝孢酵母（Trischosporon coremiiforme）更适合玉米芯等含低碳的生物转化
丝饱酵母属中的Trischosporon coremiiforme具有较强转化能力，与国际上有关木糖醇的研究测出的转化率相比，丝孢酵母的转化率没有显著的差别，但是当底物为玉米芯，秸秆等含碳较低的农作物时，丝孢酵母表现出更强的转化力，因而丝孢酵母更加适合于玉米芯发酵。

2 丝孢酵母发酵生产影响因素
2.1 半纤维素水解液的浓缩倍数的影响
研究证明木糖的吸收量和木糖醇还原酶的活性大小与木糖醇的浓度大小成正比，假如在实际生产中木糖的浓度超过30%，此渗透压将会抑制与辅酶NADPH相关的木糖醇还原酶的活力进而影响木糖醇的产生。

2.2 发酵罐通气量的影响
氧气是影响酵母菌利用木糖的一个重要因素。

在实际生产过程中主要通过调节通气量和搅拌速度来控制溶氧。

通气是为了满足深层菌体的代谢需求，而搅拌（发酵罐转速）则是破坏发酵过程中产生的气泡以增大菌体接触氧气的相对表面积，间接调节氧气含量，实验证明在静止培养时酵母不能将木糖转化为木糖醇。

2.3 发酵过程参数的优化
在玉米芯生产木糖醇的工业化过程中，影响发酵效率较大的因素除上文提及到的浓缩倍数之外，还包括碳源等的营养物质浓度。

根据以往的研究将实验参数按照正交试验所选条件范围的要求得出以下结论：对丝孢酵母发酵玉米芯制木糖醇的转化率有影响的相关因素的作用大小顺序为：氮源质量浓度>起始pH>碳源质量浓度>接种量；而假丝酵母发酵的木糖醇转化率影响顺序为起始pH>接种量>氮源含量。

因此在发酵过程中要对各个因素进行全面考虑。

2.3.1 碳源、氮源浓度影响
营养物质（主要为碳源，氮源）不足会导致微生物所需要的能量成分缺乏，这时菌体内的蛋白降解速率比在营养物质充足的情况下高了7倍，同时转录的tRNA也会随之减少，DNA 复制的速率也会降低，菌体大量死亡，发酵生产就会被迫中止。

因此要时刻记录碳源、氮源的浓度。

1）氮源。

氮源浓度对转化率有很大影响，而不同的菌株对氮源浓度要求不同，研究发现丝孢酵母在氮源浓度低于6 g/L的条件下，生产所用菌体生长速率下降，而且发酵生产木糖醇时的转化率也会降低，相反的情况下，影响不大。

而实验研究发现假丝酵母发酵的氮源最适浓度为3
g/L，另外一方面，不同的氮源对木糖醇的产量，产率均有影响。

2）碳源。

低碳源质量浓度下木糖醇转化率较高，但木醇得率较少，随着初始碳源质量浓度的增高，出现了底物抑制，木糖醇得率提高，但转化率降低。

所以示综合考虑木糖醇的产量与转化率得出丝孢酵母属的最适碳源浓度为40 g/L。

2.3.2 起始pH和温度的影响
微生物生长过机体内发生的绝大多数是酶促反应，而酶促反应都有一个最适pH范围，和最适温度范围，在次范围内只要条件适合，酶促反应速率最高，生长速率最大。

不同的微生物，有不同的最适初始pH值。

丝孢酵母发酵制取木糖醇的温度范围为28℃～29℃。

研究发现丝孢酵母生长的最大值出现在34℃，且在29℃～34℃时，木糖醇浓度和产物转化率最大。

因此结合与温度综合考虑，丝孢酵母的最适产醇pH为7，最适发酵温度为34℃。

2.3.3 接种量的影响
接种量是影响发酵水平的重要因素，接种量的大小关系到反应体系中的发酵菌的数量：假如接种量过小，发酵时间会受到影响，若接种量过大，菌体会消耗过多的底物用于其自身的生长，不利于木糖醇的生产积累。

因此，在上述条件不变的前提下，实验表明：当接种量为6%时，木糖醇转化率最高，，而接种量过高和过低都导致转化率的下降，所以选取接种量为6%为益。

3 总结
丝孢酵母发酵玉米芯水解液是一个复杂的过程，实际的水解液单糖浓度含量很低故需用丝孢酵母作为发酵菌株较适宜，通气过程分为两个阶段。

其它发酵条件为：氮源浓度6 g/L，碳源浓度40 g/L，最适产醇pH为7，最适发酵温度为37℃，接种量为6%。

要想进一步扩大化生产就必须了解发酵过程中的因素，这也就吸引了大量的科学工作者将更多精力投入到木糖醇发酵优化的研究中。

研究发现，要使发酵制备工艺更加科学，应在单因素的基础上，根据Box-Behnken设计原则，选取多个影响因素，以木糖醇的产率为响应值，进行响应化分析，对发酵条件不断综合优化，从而建立一种高效的、大规模的利用玉米芯半纤维素水解液发酵生产木糖醇的工艺。

参考文献
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