膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)野生酵母的馴化

胡 亮，丁文武，張 麗，王 偉，肖澤儀

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065）

膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)對(duì)野生酵母的馴化

胡 亮，丁文武，張 麗，王 偉，肖澤儀*

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065）

自然界中選育的野生酵母菌S3在PDMS膜生物反應(yīng)器長期封閉循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行馴化，在經(jīng)過3輪連續(xù)的封閉循環(huán)發(fā)酵適應(yīng)性馴化實(shí)驗(yàn)后，對(duì)第四輪實(shí)驗(yàn)和第一輪實(shí)驗(yàn)的酵母發(fā)酵性能進(jìn)行比較，分析野生酵母的適應(yīng)性進(jìn)化行為，乙醇－細(xì)胞平均比產(chǎn)率、葡萄糖轉(zhuǎn)化率分別提高42.6%、2.1%，細(xì)胞平均死亡率減少11.04%;與商用的安琪酵母（ADY）相比，發(fā)酵性能也更優(yōu)秀。結(jié)果表明在膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)中可以使野生酵母菌得到馴化。

PDMS膜生物反應(yīng)器，野生酵母，長期封閉循環(huán)發(fā)酵，馴化

PDMS膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵工藝具有運(yùn)行時(shí)間長、副產(chǎn)物積累量大的特殊性，要獲得優(yōu)化的發(fā)酵操作工藝性能，酵母微生物是關(guān)鍵。而適應(yīng)這種工藝的酵母菌種將不同于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝所用酵母菌種［1］。通過適應(yīng)性馴化選育優(yōu)良酵母微生物是普遍采用的方法［2－6］。為了選育、馴化得到更適應(yīng)PDMS膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵工藝的酵母菌，我們?cè)?jīng)在前期的工作中對(duì)商用工業(yè)酵母菌（湖北安琪酵母公司的耐高溫釀酒活性干酵母TH－AADY）進(jìn)行培養(yǎng)馴化實(shí)驗(yàn)［7］?；谶z傳基因相對(duì)純潔容易產(chǎn)生突變的原理，本文以自然界中分離得到的野生酵母菌S3為起始菌種，在PDMS膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行4輪發(fā)酵周期為500h的長期封閉循環(huán)發(fā)酵，培養(yǎng)、馴化和選育適應(yīng)性的優(yōu)良菌種，并與起始菌種為TH－AADY的馴化菌株進(jìn)行對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

耐高溫釀酒干酵母（TH－AADY） 湖北安琪酵母公司;野生酵母菌S3 本實(shí)驗(yàn)室篩選獲得;純凈水

實(shí)驗(yàn)室自制;葡萄糖 內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司;酵母膏 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司; （NH4）2SO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2分析純，成都市科龍化工試劑廠。

Anke－TDL－5－A離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;DMA4500密度儀 Anton Paar Austria;202AB－1恒溫干燥箱 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;AR2130/ C電子天平 OHAUS USA;AV400全自動(dòng)生化分析儀 Olympus。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)菌種 自然界篩選獲得的野生酵母菌S3，詳細(xì)菌種篩選過程見參考文獻(xiàn)［1］。

耐高溫釀酒干酵母，在35～40℃的自來水或2%糖水中溶解，復(fù)活15～20m in直接投入發(fā)酵罐中發(fā)酵，無需培養(yǎng)。

1.2.2 培養(yǎng)基 基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的組成（g/L蒸餾水）:葡萄糖 100;酵母膏 1.6;（NH4）2SO410.0; KH2PO43.0;MgSO4·7H2O 1.1;CaCl20.3;其中除葡萄糖為工業(yè)級(jí)外，其他成分均為試劑級(jí)。

將培養(yǎng)基組分溶解后，高溫滅菌，冷卻到常溫后混合備用。

1.2.3 膜及膜組件 本實(shí)驗(yàn)采用的膜以及膜組件都是由實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)、制備和安裝，詳細(xì)見參考文獻(xiàn)［7－9］。

1.2.4 酵母菌的馴化

1.2.4.1 裝置和流程 實(shí)驗(yàn)采用的PDMS膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)系統(tǒng)詳細(xì)見參考文獻(xiàn)［7－9］。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:發(fā)酵罐、膜組件、冷凝收集裝置。

1.2.4.2 實(shí)驗(yàn)程序 將自然界篩選的野生酵母菌S3作為起始菌株，進(jìn)行第一輪500h（21d）的封閉循環(huán)發(fā)酵，從發(fā)酵殘液里分離篩選出優(yōu)勢(shì)菌種，轉(zhuǎn)移培養(yǎng)制成新的種子液，接種到PDMS膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行第二輪的500h發(fā)酵，如此重復(fù)執(zhí)行發(fā)酵－篩菌－轉(zhuǎn)移培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)操作程序，共4個(gè)輪次。封閉循環(huán)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)時(shí)，每天（8:30am～7:30pm）啟動(dòng)滲透汽化膜分離，及時(shí)提取產(chǎn)物乙醇，并根據(jù)乙醇生產(chǎn)量和基質(zhì)糖的消耗量添加原料葡萄糖;晚上（7:30pm～8:30am）則既不啟動(dòng)膜分離，也不及時(shí)添加葡萄糖，但在白天膜分離操作結(jié)束時(shí)會(huì)適當(dāng)加糖來維持發(fā)酵液中的殘?zhí)菨舛龋?0～110g/L），以維持晚上的發(fā)酵活動(dòng)。

1.2.5 分析方法 每天白天早上8:30開膜以后，定時(shí)取出上游發(fā)酵液和下游滲透液進(jìn)行分析。對(duì)發(fā)酵液，先用離心機(jī)離心兩次，再取出上清液進(jìn)行蒸餾，用密度儀分別測(cè)定乙醇和葡萄糖液的濃度，用全自動(dòng)生化分析儀精確定量葡萄糖濃度，再將離心后的菌泥洗入培養(yǎng)皿中，放入100℃的烘箱中烘干至恒重，用精度為0.001的電子天平稱量干重，對(duì)滲透液直接用密度儀進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌種的馴化過程

本文公開的數(shù)據(jù)，是對(duì)自然界中選育的野生酵母菌S3經(jīng)過3輪的發(fā)酵－篩菌－轉(zhuǎn)移培養(yǎng)馴化后，再進(jìn)行第四輪的500h封閉循環(huán)發(fā)酵，把第四輪的發(fā)酵性能與第一輪的和商用安琪酵母（ADY）的發(fā)酵性能進(jìn)行比較，以研究對(duì)S3的馴化效果。

2.1.1 每天的發(fā)酵環(huán)境變化 在白天（8:30am～7:30pm），滲透汽化膜分離連續(xù)取走發(fā)酵生成乙醇，并適時(shí)加入葡萄糖基質(zhì)和氨水，操作模式使發(fā)酵液中糖濃度、pH和乙醇濃度維持基本恒定。在晚上（7:30pm～8:30am），既無基質(zhì)加入也無產(chǎn)物取出，純發(fā)酵的過程連續(xù)消耗發(fā)酵液中的殘?zhí)?，使糖濃度單調(diào)下降，而產(chǎn)物乙醇濃度則單調(diào)增加，且發(fā)酵液pH也單調(diào)下降。這種發(fā)酵操作模式使得酵母的生長、繁殖和代謝等活動(dòng)在一天之中就要經(jīng)歷不同的環(huán)境條件變化，通過對(duì)發(fā)酵性能參數(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞的一些適應(yīng)性馴化行為和特征。

2.1.2 全過程中的發(fā)酵環(huán)境變化 由于整個(gè)500h循環(huán)發(fā)酵過程中取出的產(chǎn)物只有乙醇，對(duì)于酵母菌發(fā)酵生成的副產(chǎn)物沒有進(jìn)行任何處理，副產(chǎn)物不斷累積使得酵母菌的生存條件不斷惡化，通過對(duì)全過程的平均發(fā)酵性能參數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞的一些適應(yīng)性馴化行為和特征。

2.2 每天適應(yīng)性的馴化分析

2.2.1 晚上（7:30pm～8:30am）乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率比較 圖1為野生酵母菌第一輪、第四輪和ADY每天晚上發(fā)酵過程中的乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率，從圖1中的曲線發(fā)現(xiàn)，野生酵母在經(jīng)過3輪發(fā)酵馴化后，第四輪在發(fā)酵過程中乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率與第一輪相比得到顯著提高，特別是在5～15d這段時(shí)間里，乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率提高一倍左右，說明經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三輪馴化以后，酵母菌出現(xiàn)適應(yīng)性進(jìn)化，發(fā)酵能力得到提高。

而與ADY的比較中，我們選用的野生酵母菌在馴化過程中第一輪前期乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率就要明顯優(yōu)于ADY，13d以后相互之間差異不再明顯，但是第四輪野生酵母菌乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率明顯高于ADY。但同時(shí)可以看出，已經(jīng)工業(yè)化的ADY乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率波動(dòng)明顯比我們選育的野生酵母菌小，其菌種的穩(wěn)定性比較高。說明選育的野生酵母有較高的適應(yīng)性和進(jìn)化能力，而ADY菌種經(jīng)過工業(yè)化培養(yǎng)，自身穩(wěn)定性高，對(duì)本系統(tǒng)的適應(yīng)性差。

圖1 晚上（7:30pm～8:30am）乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率的時(shí)間曲線Fig.1 The time course of ethanol－cells yield from 7:30pm to 8:30am

2.2.2 白天（8:30am～7:30pm）乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率和細(xì)胞死亡率比較 圖2為野生酵母菌第一輪、第四輪和ADY每天白天發(fā)酵過程中的乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率，圖3是發(fā)酵過程中的細(xì)胞死亡率。從圖2中我們可以看出，第1d發(fā)酵性能與后面相比出現(xiàn)較大差異，這是由于第1d主要是讓酵母菌種在發(fā)酵罐中生長。將后面曲線中第四輪白天乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率與第一輪相比:第一輪乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率表現(xiàn)較平穩(wěn)，第四輪卻出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，特別表現(xiàn)在第4d、第8d和第12d，酵母菌的發(fā)酵能力進(jìn)一步增強(qiáng)，可以看出經(jīng)過幾輪馴化后，酵母菌進(jìn)化能力得到提高;整體上第四輪比產(chǎn)率明顯高于第一輪，可以得出經(jīng)過3輪馴化后酵母菌出現(xiàn)了適應(yīng)性進(jìn)化，發(fā)酵能力得到顯著提高。ADY和第一輪乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率差異整體比較小，與第四輪比較差異較大，乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率第四輪明顯高于ADY。說明野生酵母對(duì)該系統(tǒng)具有更快和更強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖2 白天（8:30am～7:30pm）乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率的時(shí)間曲線Fig.2 The time course of ethanol－cells yield from 8:30am to 7:30pm

在表1中列出了第8d、第9d和第10d的乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率、細(xì)胞死亡率和乙醇體積產(chǎn)率，單調(diào)上升的比產(chǎn)率和體積產(chǎn)率意味著酵母發(fā)酵能力的增強(qiáng)，顯示了適應(yīng)性進(jìn)化的趨勢(shì)。

表1 菌種適應(yīng)性行為的比較Table 1 Comparison of the wild yeast adaptive evolution

從圖3中可以看出，經(jīng)過3輪馴化后的野生酵母菌的死亡率與第一輪比較有了減少的趨勢(shì)，但是與ADY死亡率比較，在前期ADY的死亡率低于我們選育的野生酵母菌，說明我們選育的野生酵母在一定條件下的生存能力還要進(jìn)一步馴化使其加強(qiáng)，可是在14d以后，ADY的死亡率持續(xù)的增加，而野生酵母菌的死亡率達(dá)到了一定的穩(wěn)定狀態(tài)，這就可以得出選育的野生酵母菌在我們這個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)中，在經(jīng)過馴化后乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率得到提高的同時(shí)，其在后期惡劣條件下的生存能力也得到提高，對(duì)于長時(shí)間的發(fā)酵比ADY酵母菌的適應(yīng)性要好。

圖3 細(xì)胞死亡率的時(shí)間曲線圖Fig.3 The time course of cellmortality rate

2.2.3 白天（8:30am～7:30pm）和晚上（7:30pm～8:30am）乙醇－細(xì)胞比產(chǎn)率差比較 在對(duì)白天和晚上發(fā)酵性能的比較中，發(fā)現(xiàn)白天的曲線整體比晚上的要平整很多，晚上的波動(dòng)很大。晚上階段，系統(tǒng)中沒有基質(zhì)加入，發(fā)酵液糖濃度單調(diào)下降，膜分離不運(yùn)行，使發(fā)酵液中產(chǎn)物乙醇濃度單調(diào)累積增加，且發(fā)酵液中的pH未有調(diào)整，這些因素使晚上的發(fā)酵條件與白天明顯不同，酵母菌需要適應(yīng)不同的環(huán)境條件，因此也表現(xiàn)變化的發(fā)酵性能﹔而白天階段，發(fā)酵液中的糖濃度、乙醇濃度和pH都由于糖的不斷補(bǔ)加、乙醇被膜分離連續(xù)提取和酸的加堿中和而保持基本恒定，使得酵母在一個(gè)較為穩(wěn)定的環(huán)境中生存，發(fā)酵性能表現(xiàn)比較平穩(wěn)。

2.3 全過程中的馴化分析

在整個(gè)循環(huán)發(fā)酵馴化過程中雖然發(fā)酵條件不斷惡化，但細(xì)胞卻能不斷保持活性，不斷生長。從表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，第四輪發(fā)酵性能與ADY以及第一輪相比較:乙醇－細(xì)胞平均比產(chǎn)率、葡萄糖轉(zhuǎn)換率有顯著的提高;細(xì)胞平均死亡率相比第一輪明顯減少，與ADY差異不大;發(fā)酵液平均乙醇濃度也不斷增高。說明酵母逐漸適應(yīng)了PDMS膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)的長期封閉循環(huán)發(fā)酵環(huán)境，發(fā)酵能力得到改善，或者說產(chǎn)生了一定程度的適應(yīng)性進(jìn)化特征;也說明該系統(tǒng)對(duì)野生酵母進(jìn)行馴化的有效性。

表2 乙醇－細(xì)胞平均比產(chǎn)率、葡萄糖轉(zhuǎn)化率、細(xì)胞平均死亡率、發(fā)酵液平均乙醇濃度Table 2 The ethanol－cells yield，glucose conversion ratio，cellmortality ratio，average concentration of ethanol fermentation

3 結(jié)論

在PDMS膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)中對(duì)野生菌種進(jìn)行馴化，馴化效果很明顯。與成熟的工業(yè)酵母菌（ADY）相比，在該系統(tǒng)中馴化后的野生酵母菌的發(fā)酵能力有很大提高;在發(fā)酵過程中，發(fā)酵液環(huán)境條件變得更加惡劣后，馴化菌株也表現(xiàn)出更好的生長能力和活性，顯示出很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)證明，用膜生物反應(yīng)器封閉循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)來進(jìn)行菌種的馴化是一種可行的方法。

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Acclimatization of w ild yeast through the close－circulating fermentation system w ith a PDMS membrane bioreactor

HU Liang，DING W en－wu，ZHANG Li，WANG Wei，XIAO Ze－yi*
（College of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

A w ild yeast strain S3 selec ted from nature was acc lim atized in a PDMS m em b rane b ioreac tor system. After continuous three rounds of c lose－circulating fermentation and acc limatizing cultivation，a fourth round of experim entwas conducted.By com paring ferm ent performances during the first and fourth rounds of experiments，adap tive evolution and acc lim atization of the w ild yeastwere analyzed.The results ind icated that the ethanol yield and g lucose conversion ratio inc reased by 42.9%and 2.1%respectively，and the cellmortality ratio dec reased by 11.04%.Comparing with commercial ADY，the evolved strain of the wild yeast also behaved better fermentation performance.Itwas shown that in the c lose－circulating fermentation system with themembrane bioreactor，the wild yeast could be acc limatized.

PDMSmembrane bioreactor;wild yeast;long－term close－circulating fermentation;acc limatization

TS201.3

A

1002－0306（2012）06－0230－04

2011－06－21 *通訊聯(lián)系人

胡亮（1986－），男，碩士研究生，主要從事發(fā)酵方面的研究。

國家自然科學(xué)基金（20776088）。