γ-聚谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)及其動力學(xué)研究.pdf

1、γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一種水溶性的、可生物降解、可食用且對人和環(huán)境無毒的生物高分子物質(zhì)，可由微生物聚合得到。這些特性使得γ-聚谷氨酸及其衍生物在食品、化妝品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和水處理等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 為提高微生物發(fā)酵生產(chǎn)γ-聚谷氨酸的產(chǎn)量，本研究采用Bacillus subtilis NOBEL-007發(fā)酵制備γ-聚谷氨酸，并通過單因子試驗及正交試驗分析，得到枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)γ-聚谷氨酸的最佳營養(yǎng)條件和培養(yǎng)條件。結(jié)果

2、表明最佳營養(yǎng)條件為：葡萄糖40g/L，酵母膏5g/L，谷氨酸鈉30g/L，NH4Cl3g/L，K2HPO42g/L，MgSO40.25g/L；最佳培養(yǎng)條件為：培養(yǎng)溫度37℃，搖床轉(zhuǎn)速200r/min，裝液量40mL（250mL三角瓶），接種量為2％，培養(yǎng)48h，pH值7.0，此時γ-聚谷氨酸的產(chǎn)量最高，達到20.15g/L。 為了確定Bacillus subtilis NOBEL-007發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，采用紙層析、FT-IR

3、和NMR等多種測試手段對Bacillus subtilis NOBEL-007代謝產(chǎn)物γ-PGA結(jié)構(gòu)進行了初步表征分析。純化樣品經(jīng)水解后，紙層析譜圖出現(xiàn)一個峰，與谷氨酸相同，說明其僅由谷氨酸聚合而成，紅外光譜圖的特征吸收峰與標準品一致，表明兩者具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，初步確定試驗精制產(chǎn)品為γ-PGA。γ-PGA的核磁共振譜圖進一步說明γ-PGA由谷氨酸組成。 為深入了解分批發(fā)酵過程中Bacillus subtilis NOBEL-0

4、07的生長特性和提高γ-PGA的生產(chǎn)水平，在5L發(fā)酵罐上研究了pH、溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量等對菌體生長和γ-PGA產(chǎn)量的影響，研究表明最適條件為：pH7.0，溫度37℃，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量分別是200r/min和1.0vvm。在優(yōu)化后的培養(yǎng)條件下，γ-PGA的產(chǎn)量達到22.16g/L。 根據(jù)分批發(fā)酵的實驗數(shù)據(jù)，對Bacillus subtilis NOBEL-007合成γ-聚谷氨酸的發(fā)酵動力學(xué)特性進行了研究，通過Logistic方

5、程，提出了發(fā)酵過程中菌體生長、γ-聚谷氨酸合成、基質(zhì)消耗的動力學(xué)模型。應(yīng)用MATLAB數(shù)值應(yīng)用軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到了Bacillus subtilis NOBEL-007分批發(fā)酵合成γ-聚谷氨酸的動力學(xué)模型參數(shù)。模型可表述為： 菌體生長動力學(xué)模型： dX/dt=0.1918（1-X/3.3774）X γ-PGA生成動力學(xué)模型： dP/dt=5.6467 dX/dt+0.2703X 葡萄

6、糖消耗動力學(xué)模型： -dS/dt=2.1224 dX/dt+0.1329 dP/dt 對實驗數(shù)據(jù)與模型進行比較，結(jié)果表明模型與實驗數(shù)據(jù)能較好地擬合，相對誤差較小，能很好地反映Bacillus subtilis NOBEL-007生產(chǎn)γ-PGA的分批發(fā)酵過程的動力學(xué)特征，為實驗數(shù)據(jù)的模擬放大，以及從分批發(fā)酵過度到補料發(fā)酵乃至連續(xù)發(fā)酵提供了理論基礎(chǔ)。 研究了Bacillus subtilis NOBEL-007制備的

7、生物絮凝劑γ-聚谷氨酸（γ-PGA）的絮凝活性。γ-PGA對高嶺土、活性炭等懸浮液均有較高的絮凝活性，絮凝活性穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好，當溫度高于70℃時絮凝活性開始下降。采用10mg/L的γ-PGA溶液對活性炭的絮凝活性可達到90％以上，Mg2+、Ca2+、Na+、Fe3+等金屬離子能不同程度增強γ-PGA的絮凝活性，其中Ca2+的助凝效果最佳，而Al3+、Fe2+則起削減作用。使用Ca2+作助凝離子可降低γ-PGA的用量，但Ca2+濃度過高