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        丙酮酸的微生物發(fā)酵生產(chǎn)中的菌種篩選與改良

        2024-02-29 07:36:50瑩,趙爍,王
        工業(yè)微生物 2024年1期
        關(guān)鍵詞:酵母菌產(chǎn)量生產(chǎn)

        李 瑩,趙 爍,王 震

        江蘇海洋大學(xué),江蘇 連云港 222001

        丙酮酸作為一種多功能有機酸,在化學(xué)、醫(yī)藥和食品工業(yè)領(lǐng)據(jù)占有重要地位。傳統(tǒng)的丙酮酸生產(chǎn)方法主要依賴于化學(xué)合成途徑,這些方法雖然可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),但往往伴隨著能耗高和環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。在此背景下,利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸的方法得到了廣泛研究。微生物發(fā)酵作為一種可再生的生產(chǎn)手段,不僅有助于減輕對化石燃料的依賴,而且還可以顯著降低環(huán)境污染。廣泛應(yīng)用于工業(yè)微生物發(fā)酵的模型菌種,如釀酒酵母和大腸桿菌,在丙酮酸生產(chǎn)過程中也展現(xiàn)出了顯著的潛力[1]。本研究旨在詳細(xì)探討野生菌種在丙酮酸生產(chǎn)過程中的篩選與改良方法。通過分析釀酒酵母和大腸桿菌在丙酮酸生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力,并結(jié)合遺傳工程和基因編輯技術(shù)對其加以改良,以期提升丙酮酸的發(fā)酵效率和產(chǎn)量,為相關(guān)人員提供參考。

        1 丙酮酸概述

        1.1 丙酮酸的工業(yè)應(yīng)用和生物合成的重要性

        丙酮酸作為一種至關(guān)重要的化學(xué)中間體,在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,包括合成藥物、生物塑料和食品添加劑領(lǐng)域。在醫(yī)藥行業(yè),丙酮酸是許多藥物合成的關(guān)鍵原料,如抗生素和抗癌藥物。同時,丙酮酸也是生物降解塑料聚乳酸(PLA)的前體物質(zhì),這類塑料非常環(huán)保。在食品工業(yè)中,丙酮酸作為食品添加劑,可用于調(diào)整食品的酸度并維持食品的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的化學(xué)合成方式相比,生物合成丙酮酸具有低能耗、低污染和可再生等優(yōu)點。微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸不僅符合綠色環(huán)保的原則,還能夠利用可再生資源,如以糖類為原料,減輕對化石燃料的依賴。

        1.2 微生物合成丙酮酸的潛力

        利用微生物生產(chǎn)丙酮酸不僅符合可持續(xù)發(fā)展的要求,還可以充分利用各種可再生資源,例如農(nóng)業(yè)廢棄物和糖類原料,減輕對傳統(tǒng)化石燃料的依賴。微生物發(fā)酵過程中的丙酮酸生產(chǎn)具有碳效率高、副產(chǎn)品少和過程可控等優(yōu)點,這使其成為了一種高效且經(jīng)濟可行的生產(chǎn)方法。微生物合成丙酮酸的潛力還體現(xiàn)在其可以通過基因工程和代謝工程加以優(yōu)化。

        2 野生菌種中丙酮酸的篩選

        2.1 野生菌種篩選的標(biāo)準(zhǔn)和方法

        在微生物發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸的過程中,采用適當(dāng)?shù)囊吧N對于提高效率和產(chǎn)量至關(guān)重要。野生菌種篩選的主要標(biāo)準(zhǔn)包括菌株的丙酮酸產(chǎn)量、生長速度、原料轉(zhuǎn)化效率和耐受性。第一,在篩選過程中重點尋找能夠高效生產(chǎn)丙酮酸的菌種。這涉及對菌株在特定培養(yǎng)條件下產(chǎn)酸能力的評估,包括產(chǎn)酸速率和產(chǎn)酸總量[2]。第二,理想的菌株應(yīng)該生長速度較快,以確保在工業(yè)生產(chǎn)過程中能夠迅速達(dá)到所需的細(xì)胞密度。第三,菌株應(yīng)能夠適應(yīng)發(fā)酵過程中的各種應(yīng)激條件,如高濃度的丙酮酸、變化的pH 和潛在的抑制副產(chǎn)品。

        2.2 釀酒酵母的丙酮酸篩選實例

        發(fā)酵過程是評估不同釀酒酵母菌株生產(chǎn)丙酮酸能力的關(guān)鍵階段。針對釀酒酵母的丙酮酸篩選實施以下實驗。

        菌株:從不同來源篩選釀酒酵母菌株,比如釀酒廠、野生果實等。

        培養(yǎng)基:含有一定濃度葡萄糖的液體培養(yǎng)基。

        發(fā)酵條件:恒溫(30 °C),恒定攪拌速度。

        發(fā)酵時間:72 h。

        丙酮酸測定:發(fā)酵結(jié)束后,使用高效液相色譜(HPLC)測定發(fā)酵液中的丙酮酸濃度。

        實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

        表1 釀酒酵母的丙酮酸篩選實驗數(shù)據(jù)

        從上述數(shù)據(jù)可以看出,不同來源的釀酒酵母菌株在丙酮酸產(chǎn)量上存在顯著差異。菌株YS04(工業(yè)應(yīng)用菌株)在發(fā)酵過程中的丙酮酸產(chǎn)量最高,特別是在發(fā)酵后期,其產(chǎn)量達(dá)到了6.2 g/L,表明其具有較高的丙酮酸生產(chǎn)潛力。菌株YS01(傳統(tǒng)釀酒廠)在發(fā)酵后期丙酮酸產(chǎn)量達(dá)到了5.8 g/L,在丙酮酸生產(chǎn)方面也具有較大的潛力。通過對不同菌株的發(fā)酵性能進(jìn)行評估,可以有效篩選出可以高效產(chǎn)丙酮酸的釀酒酵母菌株。

        2.3 大腸桿菌的丙酮酸篩選實例

        在用大腸桿菌進(jìn)行丙酮酸生產(chǎn)的篩選過程中,進(jìn)行耐酸性測試是非常關(guān)鍵的一步[3]。本次實驗將著重于分析不同大腸桿菌菌株的耐酸性測試,以篩選酸性環(huán)境下能夠穩(wěn)定生產(chǎn)丙酮酸的菌株。實驗設(shè)置如下:

        獲取的菌株:Escherichia coli K12 和Escherichia coli B。

        培養(yǎng)條件:含有一定濃度葡萄糖的液體培養(yǎng)基。

        pH:分別在pH 4.5、5.0 和5.5 的條件下進(jìn)行耐酸性測試。

        測定指標(biāo):在不同pH 條件下的生長速率和丙酮酸產(chǎn)量。

        測定方法:使用吸光度測量生長速率,使用HPLC 測定丙酮酸產(chǎn)量。

        實驗結(jié)果如表2 所示。

        表2 大腸桿菌的丙酮酸篩選實驗數(shù)據(jù)

        從上述數(shù)據(jù)可以看出,Escherichia coli K12 在所有測試的pH 環(huán)境下都表現(xiàn)出了較快的生長速率和較高的丙酮酸產(chǎn)量,尤其在pH 為5.5 時,其生產(chǎn)丙酮酸的能力最強,為3.7 g/L。相比之下,Escherichia coli B 在pH 較低,生長較慢且丙酮酸產(chǎn)量較低的條件下,耐酸性相對較差。結(jié)果表明,Escherichia coli K12 菌株在生產(chǎn)丙酮酸時具有較好的耐酸性,適合在酸性環(huán)境下進(jìn)行丙酮酸生產(chǎn)。因此,選擇Escherichia coli K12 作為發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸的菌株會更加有效。

        2.4 高通量篩選技術(shù)在丙酮酸生產(chǎn)中的應(yīng)用

        高通量篩選實驗旨在評估多種菌株的丙酮酸生產(chǎn)能力。實驗設(shè)置如下:

        實驗?zāi)康模簭亩喾N菌株中快速篩選可以高效生產(chǎn)丙酮酸的微生物。

        實驗樣本:包括多個不同來源的大腸桿菌和釀酒酵母菌株。

        實驗方法:利用自動化微孔板技術(shù)進(jìn)行微生物培養(yǎng),并通過高效液相色譜(HPLC)分析丙酮酸產(chǎn)量。

        參數(shù):監(jiān)測每個菌株的生長速度和丙酮酸產(chǎn)量。

        實驗結(jié)果如表3 所示。

        表3 高通量篩選實驗數(shù)據(jù)

        根據(jù)上述數(shù)據(jù),可以觀察到大腸桿菌菌株EC-02 和釀酒酵母菌株SC-03 都表現(xiàn)出了較高的丙酮酸產(chǎn)量和較快的生長速度,這表明它們是生產(chǎn)丙酮酸的理想候選菌株。EC-02 作為工業(yè)株,在丙酮酸生產(chǎn)方面優(yōu)勢明顯,而SC-03 作為工業(yè)釀酒酵母株,其高產(chǎn)量也彰顯了其良好的發(fā)酵潛力。通過這種高通量篩選實驗,研究人員能夠快速評估大量菌株的丙酮酸生產(chǎn)能力,并有效篩選出最佳生產(chǎn)菌株。

        3 菌種的遺傳工程改良

        3.1 遺傳工程在菌種改良中的作用

        遺傳工程在微生物菌種改良中可以提高丙酮酸的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。遺傳工程技術(shù)使研究人員可以精確修改微生物的基因組,從而優(yōu)化其代謝路徑,增強特定代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量,提高其對某些環(huán)境壓力的耐受性。一方面,遺傳工程可以用于提高微生物對原料的轉(zhuǎn)化效率。通過修改特定代謝途徑,例如增強與丙酮酸生產(chǎn)相關(guān)的酶的活性或表達(dá)水平,可以提高丙酮酸的合成效率。這種改造不僅提高了丙酮酸的產(chǎn)量,還可以減少原料損耗和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。另一方面,遺傳工程能夠增強菌株的耐受性,使其在丙酮酸積累或環(huán)境壓力(如低pH、高鹽度或氧氣限制條件)下依然可以保持穩(wěn)定生長和高效生產(chǎn)。

        3.2 釀酒酵母和大腸桿菌的遺傳改造策略

        在微生物發(fā)酵產(chǎn)丙酮酸的過程中,釀酒酵母和大腸桿菌是兩種常用的生產(chǎn)菌株。這兩種微生物因遺傳背景清晰和易于遺傳操縱的特性,成為了遺傳改造的理想對象,有利于提高丙酮酸的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。對于釀酒酵母的遺傳改造策略,主要集中于優(yōu)化其丙酮酸的生物合成途徑。包括增強與丙酮酸代謝直接相關(guān)的酶的活性,還可以通過消除代謝途徑中與丙酮酸生產(chǎn)競爭的關(guān)鍵酶基因,如敲除產(chǎn)生乙醇或二氧化碳的途徑,將更多碳流向丙酮酸的生產(chǎn)。

        4 結(jié)論

        文章深入探討了丙酮酸的微生物發(fā)酵生產(chǎn)原理,重點研究了野生菌種的篩選和菌種的遺傳改良工程。通過對釀酒酵母和大腸桿菌等微生物菌株進(jìn)行篩選和基因編輯,能夠顯著提高丙酮酸的產(chǎn)量和發(fā)酵效率。希望本文的研究可以為未來的工業(yè)生產(chǎn)提供可行的改良策略。

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