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运动发酵单胞菌在低糖饮品开发的应用及果糖高效利用菌株的构建

运动发酵单胞菌在低糖饮品开发的应用及果糖高效利用菌株的构建

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作者：陈香宇湖北大学

学位级别：硕士

随着食品行业的不断发展,饮料市场占比逐渐增大,食品饮料中的高糖成为引发多种疾病的原因,食品行业趋于低糖化。运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)是一种天然的乙醇生产兼性厌氧革兰氏阴性菌,常见于含有高浓度糖的植物汁液、果汁及果酒... 详细信息

随着食品行业的不断发展,饮料市场占比逐渐增大,食品饮料中的高糖成为引发多种疾病的原因,食品行业趋于低糖化。运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)是一种天然的乙醇生产兼性厌氧革兰氏阴性菌,常见于含有高浓度糖的植物汁液、果汁及果酒中,能够高效利用葡萄糖、果糖和蔗糖发酵生产乙醇,具有较强的高糖与乙醇耐受性。运动发酵单胞菌是GRAS(Generally Recognized as Safe)菌株,近年来有利用其替代酵母在食品工业生产的报道,是能够应用于食品领域的安全菌株。本研究利用运动发酵单胞菌对比考察传统工业乙醇生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在三种商业产品(传统原浆酒,及黄、绿2种梨膏)和两种水果(梨与柿子)中降糖生产低糖饮品的发酵性能。研究结果显示运动发酵单胞菌在50～70%的原浆酒均能降糖,乙醇发酵率达到了81.83～96.97%,以60%(葡萄糖与酒精起始浓度分别为70 g/L与60 g/L)稀释效果最佳;在黄、绿2种梨膏稀释液中100小时内消耗完葡萄糖(约60 g/L)以及绝大部分果糖(约110 g/L),乙醇得率与转化率为0.33～0.37 g/g与64.5～73.1%;在22小时内将梨子所含糖主要生成约20 g/L乙醇和低于5 g/L的山梨醇,在34小时内将柿子所含糖主要生成约45 g/L乙醇和30g/L的山梨醇,乙醇得率和转化率与利用梨膏的接近,也为0.30～0.37 g/g与57～72%。在本研究条件下运动发酵单胞菌发酵周期短,并且其糖转化率及乙醇产量都明显优于酿酒酵母。针对野生型运动发酵单胞菌对高糖产品中的果糖利用较葡萄糖差,发酵时间长等问题,为增强运动发酵单胞菌对高糖产品中果糖成分的利用,我们通过实验室适应性进化(Adaptative Laboratory Evolution,ALE)策略筛选得到两株能够高效转化高浓度果糖的突变株,分别命名为ZMF-73和ZMF-74。在传代进化过程中,突变株的生长逐渐增强,最终达到稳定。在以果糖为唯一碳源发酵时,突变株的生物量高于野生型菌株23～40%,乙醇滴度提高11～15%;在以蔗糖为唯一碳源发酵时,突变株也表现出明显的优势,发酵时间显著缩短27 h,乙醇滴度提高9～13%,乙醇产率达到2.4g/L/h,对比野生型提高114～116%。综上,本实验利用运动发酵单胞菌开发低糖饮品的初步研究,我们的结果表明运动发酵单胞菌具有糖转化效率高、生长快、发酵条件简单等优点,可以作为低糖饮品开发的工业生产菌株。同时,我们通过实验室适应性进化策略获得了两株高效利用果糖与蔗糖的突变菌株ZMF-73和ZMF-74,进化后的两株稳定菌株利用果糖和蔗糖两种碳源的能力都有增强,尤其利用高浓度的蔗糖时没有生长延迟期,能大大缩短发酵时间,减低发酵成本,可替代野生型运动发酵单胞菌作为生产菌株进行后期的无糖饮品开发。本研究为利用运动发酵单胞菌降低高糖商品及水果中的糖分,发展低糖酒精饮品奠定了一定的实践基础。

关键词：运动发酵单胞菌含糖商品水果降糖酒精实验室适应性进化

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