一株发酵木聚糖产丁酸菌的分离鉴定及代谢特性研究

摘要

丁酸具有非常广泛的用途，是化工、食品加工和制药等的重要原料，利用生物质生产丁酸对于相关行业的可持续发展具有重要意义。木聚糖是自然界储量最为丰富的糖类之一，是硬木和谷类秸杆半纤维素的主要组成成分。对于木聚糖发酵的研究，目前主要集中于氢气和工业溶剂乙醇的生产方面，但专注于发酵产丁酸的研究还不多见。本文以开发发酵木聚糖产丁酸的菌种为目标，开展了发酵木聚糖产丁酸菌种的分离筛选与鉴定、生长代谢特性等研究，并对其发酵条件进行了优化。
　　在前期研究中，以预处理的水稻秸秆为底物，从牛粪、猪粪、土壤和腐木的混合物富集得到了具有显著丁酸发酵特征的混合菌群。本研究以木聚糖为选择性底物，从该混合菌群中分离到5株能够发酵木聚糖产丁酸的细菌，并从中优选到一个产丁酸能力较强的菌株KM10。经形态、生理生化和16SrDNA鉴定，确定KM10为丁酸梭菌(Clostridium butyricum)的一个新菌株。
　　菌株KM10不仅可以发酵木聚糖产丁酸，也可发酵葡萄糖产丁酸。利用Logistic和Leudeking-piret模型对菌株KM10的生长和代谢动力学特征的研究结果表明，以木聚糖和葡萄糖为碳源时，其在对数生长期的最大比生长速率分别为0.33和0.43 h-1，倍增时间为2.1和1.6 h，底物降解速率分别为0.17和0.26 g/L·h，丁酸产生速率分别为0.065和0.078 g/L·h。
　　为了进一步提高菌株KM10发酵木聚糖产丁酸的能力，就温度、氮源、pH和碳源对其生长代谢的影响进行了研究，优化了培养条件。结果表明，菌株KM10生长代谢的最适温度为32℃左右，高于37℃的温度对其生长速率、丁酸产率以及底物降解速率都会产生抑制作用。在铵盐中，NH4NO3是最为理想的氮源，适量的NH4NO3可使木聚糖发酵系统的丁酸产量和木聚糖降解率分别达到0.42 g/L和37％。如果将发酵系统的初始pH调节为8，则可进一步将丁酸产量和木聚糖降解率提高到0.96 g/L和40%。尽管菌株KM10也可以发酵纤维二糖、木糖、蔗糖、淀粉、乳糖和阿拉伯糖，但其丁酸产量均低于葡萄糖的3.44 g/L。
　　C.butyricumKM10为专性厌氧菌，G+，以糖类为底物的发酵产物以丁酸、乙酸和氢气为主，具有较强的发酵木聚糖产丁酸能力，是一株具有良好开发前景的菌种资源。

目录

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英文摘要

中文摘要

目录

Chapter 1 Introduction

1.1. Research background, objective and significance of the subject

1.2 Lignocellulose

1.3 Butyric acid and its application

1.4 Clostridium butyricum

1.5 Main research content and content of thesis

Chapter 2 Material and Methods

2.1 The main instruments

2.2 Experimental material

2.3 Experimental methods

2.4 Microbial kinetics for cell growth, butyric acid production, and substrate degradation

Chapter 3 Isolation and Identification of Xylan-Degrading Anaerobic strain

3.1 Sample collection

3.2 Separation and purification of strains

3.3 Purity test and Selection of pure culture

3.4 Identification

3.5 Selection of strain KM10

3.5 Summary

Chapter 4 Fermentation Kinetics of Strain KM10

4.1 Analysis of fermentation kinetics of xylan and glucose

4.2 Analysis of fermentation dynamics of strain KM10 in Xylan and Glucose

4.3 Factors affecting xylan degradation and acid production

4.4 Fermentation of different carbon source by strain KM10

4.5 Feature Aspects of Butyric acid

4.6 Summery

Conclusion

参考文献

攻读学位期间发表的论文及研究成果

声明

致谢

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