发酵法生产L-色氨酸工艺优化

摘要

L-色氨酸是八种必需氨基酸之一，在医药、食品和饲料等方面具有广泛的应用价值。与国外相比，我国发酵法生产L-色氨酸存在着产酸量、糖酸转化率和提取率较低以及检测速度较慢等不足。针对上述问题，本论文采用近红外光谱技术建立了发酵液中L-色氨酸浓度预测模型;根据L-色氨酸代谢途径及其代谢流分布，获得了分批补料策略;针对本工艺中发酵液特点，初步优化L-色氨酸提取工艺。主要研究内容和结果如下:
　　针对现有L-色氨酸检测手段耗时较长且具有一定滞后性的问题，利用近红外光谱技术结合偏最小二乘法，建立了发酵液中L-色氨酸浓度的预测模型。经验证该模型具有一定的准确性和可靠性，其预测值与测量值仅有5.16％的偏差。该模型的建立可为发酵生产过程的L-色氨酸的快速离线或在线检测提供一定的基础。
　　分析了L-色氨酸发酵过程中16种游离氨基酸的动态变化。在发酵前期，发现除L-色氨酸外其它氨基酸的浓度均下降，但L-谷氨酸最快，于发酵过程前期添加L-谷氨酸，使得菌体生物量和L-色氨酸产量分别提高了2.63％和2.05％。
　　L-色氨酸代谢途径分析表明，L-谷氨酰胺是L-色氨酸合成的氨基供体。在发酵中期补加L-谷氨酰胺使得菌体生物量和L-色氨酸产量分别提高6.37％和6.16％。
　　葡萄糖流加策略是提高L-色氨酸产量的决定性策略。针对L-色氨酸糖代谢的特点，在恒葡萄糖浓度补料策略和溶氧-反馈补料策略的基础上获得新的葡萄糖流加策略，并考察了该策略对L-色氨酸代谢流分布的影响。结果表明，在优化条件下，糖酵解途径及三羧酸循环的代谢流降低，磷酸戊糖途径代谢流提高，生物量和L-色氨酸产量分别提高了5.93％和7.02％。
　　针对本工艺中发酵液的特点，初步优化了L-色氨酸提取步骤中微滤、超滤以及活性炭吸附工艺，在最优条件下，蛋白质去除率、色素去除率和L-色氨酸回收率分别达到了98.02％，94.46％和82.07％。
　　本研究结果可为L-色氨酸的发酵过程优化和控制及其分离提取工艺的优化提供一定的借鉴和基础。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 L-色氨酸概述

1．2 L-色氨酸的生理功能

1．2．1 调节蛋白质合成

1．2．2 免疫及消化功能

1．3 L-色氨酸的用途

1．3．1 L-色氨酸在食品方面的应用

1．3．2 L-色氨酸在饲料方面的应用

1．3．3 L-色氨酸在医药领域的应用

1．3．4 其它方面的应用

1．4 L-色氨酸生产方法

1．4．1 蛋白质水解法和化学合成法

1．4．2 直接发酵法

1．4．3 微生物转化法

1．4．4 酶法

1．5 L-色氨酸生物合成途径分析

1．5．1 中心代谢途径

1．5．2 莽草酸途径

1．5．3 L-色氨酸合成的分支途径

1．6 L-色氨酸的测定方法

1．6．1 高效液相色谱法

1．6．2 比色法

1．6．3 纸层析法

1．7 近红外光谱技术

1．7．1 近红外光谱技术的基本原理

1．7．2 近红外光谱技术的特点

1．7．3 近红外光谱技术在发酵过程监测中的应用

1．7．4 近红外光谱技术在氨基酸检测中的应用

1．8 补料分批培养技术

1．8．1 补料分批培养的策略

1．8．2 补料的判断依据

1．9 发酵液中L-色氨酸提取与精制工艺

1．9．1 微滤和超滤技术

1．9．2 活性炭吸附技术

1．10 L-色氨酸国内外市场分析及工业生产概况

1．11 论文立题背景及主要研究内容

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验菌种

2．1．2 主要仪器

2．1．3 主要试剂

2．1．4 培养基

2．1．5 相关溶液

2．2 实验方法

2．2．1 培养方法

2．2．2 发酵液样品的收集方法

2．2．3 发酵液相关测定方法

2．2．4 建立近红外光谱校正模型方法

2．2．5 发酵动力学计算方法

2．2．6 L-色氨酸提取与精制所涉及相关方法

3 结果与讨论

3．1 L-色氨酸发酵液近红外光谱模型的建立

3．1．1 原始近红外光谱

3．1．2 样品校正集和检验集的划分

3．1．3 预处理方法选择及波长区间选择

3．1．4 主成份分析

3．1．5 主因子数的确定

3．1．6 模型的预测能力

3．1．7 发酵过程L-色氨酸浓度的预测

3．2 L-谷氨酸和L-谷氨酰胺对L-色氨酸发酵的影响

3．2．1 发酵生产L-色氨酸不同时期1 6种氨基酸的消耗速率

3．2．2 在培养基中添加L-谷氨酸对发酵生产L-色氨酸的影响

3．2．3 补加L-谷氨酰胺对发酵生产L-色氨酸的影响

3．2．4 代谢流平衡模型的建立

3．2．5 补加L-谷氨酰胺对发酵生产L-色氨酸代谢流的影响

3．3 葡萄糖补料策略对发酵生产L-色氨酸的影响

3．3．1 葡萄糖补料策略对L-色氨酸发酵的影响

3．3．2 葡萄糖补料策略对发酵生产L-色氨酸代谢流的影响

3．4 L-色氨酸的过滤与脱色工艺

3．4．1 微滤工艺优化

3．4．2 超滤工艺优化

3．4．3 活性炭吸附工艺优化

4 结论

5 展望

参考文献

7 攻读研究生期间论文发表情况

致谢