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木薯渣水解液发酵产乙醇的工艺优化及代谢流量分析研究

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木薯渣水解液发酵产乙醇的工艺优化及代谢流量分析研究

作者：邓永东合肥工业大学

学位级别：硕士

由于化石能源的日益枯竭,生物质乙醇的开发已是目前世界上的研究热点,乙醇发酵已备受全世界关注,全力推进生物质乙醇研究对经济和社会的可持续发展具有重要意义,本研究采用酵母菌(Candida tropicalis CICC1779)利用木薯渣水解液制备乙醇... 详细信息

由于化石能源的日益枯竭,生物质乙醇的开发已是目前世界上的研究热点,乙醇发酵已备受全世界关注,全力推进生物质乙醇研究对经济和社会的可持续发展具有重要意义,本研究采用酵母菌(Candida tropicalis CICC1779)利用木薯渣水解液制备乙醇,能有效提高废弃木薯渣的再利用价值,通过对该菌进行诱变选育和代谢流量分析以实现高产乙醇的目的。主要研究内容是针对木薯渣水解条件的单因素试验,并在此基础上利用响应面进行优化,再对酵母菌进行紫外诱变和驯化选育,然后进行水解液发酵实验,最后进行罐发酵实验,构建代谢网络并列出相关代谢方程;测定其底物、产物、菌体浓度的变化,分析其代谢通量和动力学模型。形成的主要研究结果如下:(1)在木薯渣酶解单因素实验基础上,然后通过响应面对酶解工艺进行优化,得到较优的酶解工艺为:水解温度36℃,初始p H=4,水解时间42 min,底物浓度80 g/L。测得10g木薯渣水解最终得到还原糖含量为6±0.6 g,其中葡萄糖含量为4±0.6g,木糖2±0.7 g,还原糖水解得率达到理论值的75%。(2)对原始酵母菌(Candida tropicalis CICC1779)进行紫外诱变和驯化选育,再通过杜氏小管法初筛,然后再经过TTC显色法复筛,最终得到一株突变菌株T70-2。(3)在木薯渣水解液发酵制备乙醇单因素试验的基础上,通过响应面优化发酵工艺,得到最佳的发酵条件:发酵温度34℃,初始p H=4,发酵转速150 r/min,接种量10%。乙醇产量检测为22.15±0.28 g/L,木糖的利用率达到81.6%,相对于原始菌株提升了42.6%。(4)对木薯渣水解液发酵制备乙醇进行罐发酵工艺研究,考察不同的氧传递系数(KLα)对发酵效果的影响,发酵结果表明在KLα为85时发酵效果最好(72 h),乙醇浓度达到23.14 g/L,菌体浓度为5.74 g/L。在通气与搅拌偶联控制溶氧下得到的菌体浓度为6.45 g/L,乙醇浓度为25.43 g/L。残糖量为2.62 g/L(基本为木糖),此时糖醇转化率为0.42 g/g。木糖利用率达到87%,比原始菌株提升48%。经过紫外诱变选育,菌株可以较好的利用木薯渣水解液发酵产乙醇,这为拓展薯类纤维渣综合利用奠定基础。

关键词：木薯渣热假丝酵母乙醇诱变选育代谢流量

金属离子对1,6-二磷酸果糖合成代谢流量的影响

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高校化学工程学报 2000年第5期14卷 442-447页

作者：欧阳平凯应汉杰南京化工大学生物工程与科学系江苏南京210009

本文首次建立了1,6-二磷酸果糖(FDP)合成代谢途径流量模型，并应用该模型求解FDP合成过程中代谢流量分配。研究了NH4+、K+、Mg2+对1,6-二磷酸果糖合成代谢途径流量的分配的影响，结果发现NH4+、K+、Mg2+对代谢途径流量分配均有一定的影... 详细信息

本文首次建立了1,6-二磷酸果糖(FDP)合成代谢途径流量模型，并应用该模型求解FDP合成过程中代谢流量分配。研究了NH4+、K+、Mg2+对1,6-二磷酸果糖合成代谢途径流量的分配的影响，结果发现NH4+、K+、Mg2+对代谢途径流量分配均有一定的影响；尤其是在这三者共存的情况下，代谢流量分配发生了重大改变，1,6-二磷酸果糖的累积流量达到41.9，为化学调节1,6-二磷酸果糖的超量生产提供了理论基础。

关键词：二磷酸果糖代谢流量金属离子合成

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L-色氨酸生物合成的代谢流量分析

微生物学报 2003年第4期43卷 473-480页

作者：王健陈宁张蓓谭青乔张克旭天津科技大学食品科学与生物工程学院天津300222

建立了谷氨酸棒杆菌合成L 色氨酸 (L Try)的代谢流量平衡模型 ,应用该模型计算出发酵中后期的代谢流分布并通过MATLAB软件线性规划得到Try理想代谢流分布。结果表明 75 1 5 %的碳架进入糖酵解 ,2 4 85 %的碳架进入HMP途径 ;但与理想... 详细信息

建立了谷氨酸棒杆菌合成L 色氨酸 (L Try)的代谢流量平衡模型 ,应用该模型计算出发酵中后期的代谢流分布并通过MATLAB软件线性规划得到Try理想代谢流分布。结果表明 75 1 5 %的碳架进入糖酵解 ,2 4 85 %的碳架进入HMP途径 ;但与理想代谢流相比 ,应从遗传改造和发酵控制方面降低TCA循环的代谢流 ,减少副产氨基酸的生成 ,摸索最适的溶氧控制对提高Try产率至关重要。

关键词： L—色氨酸生物合成代谢流量线性规划发酵

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发酵过程中时空水平的动态调控策略研究进展

食品与发酵工业 2020年第21期46卷 277-283页

作者：周胜虎毛银邓禹粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学) 江苏无锡214122 江南大学江苏省生物活性制品加工工程技术研究中心江苏无锡214122

微生物发酵是一个复杂的动态变化过程,细胞生长环境的不断变化增加了代谢调控的难度。此外,发酵系统是一个混合体系,同时存在着具有不同生产性能以及处于不同生长状态的细胞。因此,如何基于细胞内外环境变化动态调控代谢网络,实现所有... 详细信息

微生物发酵是一个复杂的动态变化过程,细胞生长环境的不断变化增加了代谢调控的难度。此外,发酵系统是一个混合体系,同时存在着具有不同生产性能以及处于不同生长状态的细胞。因此,如何基于细胞内外环境变化动态调控代谢网络,实现所有细胞的最佳生长和产物合成状态,是目前发酵工程和代谢工程的研究重点。该文以影响细胞代谢流量变化因素的时空分布特性为基础,分别介绍了物理化学环境、胞内产物和胞外产物驱动的动态调控策略,为发酵过程的精准控制提供理论和技术参考。

关键词：代谢工程代谢流量生物传感器胞内产物胞外产物

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应用代谢途径流量模型探讨FDP合成机理

化工学报 2000年第3期51卷 313-319页

作者：应汉杰欧阳平凯南京化工大学生物工程与科学系南京210009

首次建立了 1 ,6-二磷酸果糖 (FDP)累积的代谢途径流量模型 .应用该模型求解FDP累积过程中不同时期的代谢流量分配 ,详细分析了各时期代谢流量分配发生改变的原因 ,并探讨FDP累积的机理 .细胞膜通透性的改变是FDP积累于胞外的前提条件 ... 详细信息

首次建立了 1 ,6-二磷酸果糖 (FDP)累积的代谢途径流量模型 .应用该模型求解FDP累积过程中不同时期的代谢流量分配 ,详细分析了各时期代谢流量分配发生改变的原因 ,并探讨FDP累积的机理 .细胞膜通透性的改变是FDP积累于胞外的前提条件 ;而代谢网络中HK、PFK、Ald和PK等酶活的调节使主要结点处代谢流量分配发生重大改变 ,则是FDP在胞外大量积累的关键 .

关键词： FDP 代谢流量合成模型制糖发酵

溶氧量对酿酒酵母及其工程菌的β-苯乙醇合成代谢的影响及调控效应

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中国食品学报 2016年第8期16卷 78-86页

作者：王成涛梁婧如尹胜周娣孙宝国赵吉兴北京工商大学北京食品营养与人类健康高精尖创新中心北京市食品添加剂工程技术研究中心食品质量与安全北京实验室北京100048 山东中惠食品有限公司山东惠民251706

目的：研究溶氧量对酿酒酵母S288C及工程菌ARO8-10的β-苯乙醇合成代谢的影响及调控效应。方法：在5 L发酵罐中装液量60%,控制p H 5.0,温度30℃,通气比0.5～2.0 vvm,定时取样检测发酵液生物量、β-苯乙醇、L-苯丙氨酸转化率以及菌体相... 详细信息

目的：研究溶氧量对酿酒酵母S288C及工程菌ARO8-10的β-苯乙醇合成代谢的影响及调控效应。方法：在5 L发酵罐中装液量60%,控制p H 5.0,温度30℃,通气比0.5～2.0 vvm,定时取样检测发酵液生物量、β-苯乙醇、L-苯丙氨酸转化率以及菌体相关代谢酶活性等。结果：通气条件在0.5～2.0 vvm范围时,野生型菌株S288C的生物量、异柠檬酸脱氢酶（ICDH）酶活力明显高于转氨酶基因ARO8与脱羧酶基因ARO10耦合过表达工程菌ARO8-10;ARO8-10的β-苯乙醇发酵产量、L-苯丙氨酸转氨酶、苯丙酮酸脱羧酶、G6PD、GK及PDC酶活力均明显高于S288C（P≤0.01）。在1.0 vvm通气条件发酵60 h时,ARO8-10的发酵液中葡萄糖已基本用尽,β-苯乙醇产量达到2.68 g/L,L-苯丙氨酸转化率达到47.3%,较S288C分别提高了44.4%和12.4%。1.0 vvm为β-苯乙醇发酵较适宜的通气条件。结论：酿酒酵母的β-苯乙醇代谢与艾利希途径、莽草酸途径、EMP、PPP途径TCA循环等密切相关,构成其合成代谢网络,代谢途经多种酶相互影响;ARO8和ARO10基因耦合过表达,增强了L-苯丙氨酸氨基转移酶和苯丙酮脱羧酶活力,有利于提高G6PD、GK及PDC酶活力,β-苯乙醇代谢流量及产量。

关键词：酿酒酵母 β-苯乙醇合成代谢调控溶氧量关键酶活力代谢流量

儿茶酚对运动发酵单胞菌抗氧化防御体系的影响

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中国食品学报 2014年第8期14卷 21-26页

作者：王成涛张婵尹胜陈玲孙宝国北京工商大学北京市食品添加剂工程技术研究中心北京100048 北京市食品风味化学重点实验室北京100048

目的:研究不同溶氧量条件下儿茶酚对运动发酵单胞菌在抗氧化防御体系中的保护作用。方法:在全自动发酵罐(容积10 L)的发酵液(5 L)中添加0.1 mg/ml儿茶酚,控制发酵液溶氧量分别为0,15%,30%,50%,70%,温度30℃,pH 5.5,发酵36 h,分析菌体的... 详细信息

目的:研究不同溶氧量条件下儿茶酚对运动发酵单胞菌在抗氧化防御体系中的保护作用。方法:在全自动发酵罐(容积10 L)的发酵液(5 L)中添加0.1 mg/ml儿茶酚,控制发酵液溶氧量分别为0,15%,30%,50%,70%,温度30℃,pH 5.5,发酵36 h,分析菌体的超氧阴离子(O2·-)、羟基自由基(HO·)、DPPH自由基等清除率及丙酮酸、乙醇等代谢产物。结果:儿茶酚能明显增强菌体SOD活性(P代谢流量。结论:在发酵液中添加儿茶酚,有利于提高有氧环境中的抗氧胁迫能力,保护细胞功能结构和正常代谢,提高其乙醇代谢流量和产率。

关键词：儿茶酚运动发酵单胞菌活性氧自由基(ROS) 溶氧量抗氧胁迫代谢流量

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代谢研究新技术助力合成生物学

生命科学 2021年第12期33卷 1476-1482页

作者：杨琛徐健杨弋中国科学院合成生物学重点实验室中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海200032 中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心中国科学院生物燃料重点实验室山东能源研究院青岛266101 华东理工大学光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心生物反应器工程国家重点实验室上海200237

合成生物学通过构建人工代谢途径,不仅可以发展高效的生物制造技术,还可以用于人类重要疾病的诊疗,为催生新的生物产业革命、促进经济可持续发展提供了重大机遇。该文围绕代谢组与代谢流量分析以及代谢建模、单细胞代谢表型组分析与分... 详细信息

合成生物学通过构建人工代谢途径,不仅可以发展高效的生物制造技术,还可以用于人类重要疾病的诊疗,为催生新的生物产业革命、促进经济可持续发展提供了重大机遇。该文围绕代谢组与代谢流量分析以及代谢建模、单细胞代谢表型组分析与分选、代谢物生物传感与时空调控等前沿技术,介绍现有状况和水平,综述分析这些技术如何助推合成生物学设计-构建-测试-学习(DBTL)循环,并对其发展前景进行展望。

关键词：代谢组代谢流量代谢模型单细胞代谢表型组单细胞拉曼分选代谢物生物传感分子探针代谢时空分析光遗传学控制

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磷酸戊糖途径重编程与肿瘤生长策略

生命的化学 2017年第5期37卷 726-732页

作者：张梦雅孙艳娣骆严浙江大学医学院生物化学系杭州310058

磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)是葡萄糖分解代谢的重要途径之一。PPP不仅向细胞提供核糖-5-磷酸(Ribose-5-phosphate,R5P),还提供NADPH,后者在消除细胞内的活性氧、还原生物合成中起关键作用。有鉴于此,PPP的改变直接关... 详细信息

磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)是葡萄糖分解代谢的重要途径之一。PPP不仅向细胞提供核糖-5-磷酸(Ribose-5-phosphate,R5P),还提供NADPH,后者在消除细胞内的活性氧、还原生物合成中起关键作用。有鉴于此,PPP的改变直接关系到细胞的生长状态。肿瘤微环境对肿瘤细胞代谢表型的影响起着至关重要的作用。研究发现,低氧、乳酸化会促使实体肿瘤细胞增加PPP的流量,为肿瘤细胞高速增殖提供物质基础。本文结合本实验室及科学界最新研究成果,对肿瘤细胞PPP重编程以及肿瘤微环境通过PPP促导生物合成的机制进行探讨。

关键词：磷酸戊糖途径代谢流量肿瘤代谢微环境乳酸化生物合成