利用粘红酵母生产微生物油脂研究进展_乔凤杰_李炯书_欧阳亚旭_李意颖_黄永虹_孙
- 格式:pdf
- 大小:518.91 KB
- 文档页数:11
小分子效应物对发酵法生产番茄红素的影响
王永生;袁其朋;秦敬改;钱忠明
【期刊名称】《食品科学》
【年(卷),期】2003(024)005
【摘要】利用三孢布拉氏霉菌发酵生产番茄红素具有较大的工业化生产潜力.本文主要考察了在小试过程中,不同小分子效应物对三孢布拉氏霉菌合成番茄红素的影响.结果表明:trinton-X100对菌体中番茄红素含量影响较小,span-20、β-紫罗酮和异烟肼却可以提高番茄红素的产量.特别是添加span-20可使番茄红素含量提高2倍,达98.6mg/L发酵液.
【总页数】4页(P97-100)
【作者】王永生;袁其朋;秦敬改;钱忠明
【作者单位】北京化工大学制药工程系,北京,100029;北京化工大学制药工程系,北京,100029;北京化工大学制药工程系,北京,100029;北京化工大学制药工程系,北京,100029
【正文语种】中文
【中图分类】TS202.3
【相关文献】
1.发酵法生产番茄红素的研究进展 [J], 柳巧宁;朱丽雯;王义华;李冬生;万端极;汤亚杰
2.小分子效应物对生物法生产壬二酸的影响 [J], 孙弘宇;于涛;于平
3.菌体形态对发酵法生产番茄红素的影响 [J], 王永生;王见冬;袁其朋;秦敬改;钱忠明
4.发酵法生产番茄红素研究进展 [J], 周义凤;聂波
5.发酵法生产制备番茄红素的工艺研究 [J], 王英燕;陈文娜;贾存江;房树标;秦斌;朱正乔
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
酵母生产类胡萝卜素的研究进展钮亭亭;孙茜萍;吴涛【摘要】类胡萝卜素是医药、化学、食品和饲料产业中具有重要价值的产品,具有着色、抗氧化和防癌等功能.动物不能合成类胡萝卜素,因此必须从食物中进行摄取.作为潜在色素物质的来源,红酵母和法夫酵母是微生物法生产类胡萝卜素的重要菌种.阐述了红酵母和法夫酵母生物合成类胡萝卜素的途径、影响发酵产量的因素及廉价培养基的应用,进一步介绍了诱变育种方法及代谢工程技术在产类胡萝卜素酵母菌株改良上的应用.【期刊名称】《发酵科技通讯》【年(卷),期】2017(046)001【总页数】4页(P50-53)【关键词】类胡萝卜素;红酵母;法夫酵母;廉价培养基【作者】钮亭亭;孙茜萍;吴涛【作者单位】上海体育学院,上海200438;浙江工业大学海洋学院,浙江杭州310014;浙江工业大学海洋学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TQ92类胡萝卜素对动物和人类具有重要意义,包括增强免疫、作为维生素A前体和淬灭氧自由基的组分.食用类胡萝卜素有益于预防多种疾病,如动脉硬化、白内障、多硬化和癌症.动物体内不能自发合成类胡萝卜素,必须从含类胡萝卜素的饲料中摄取.相比从蔬菜中提取或者化学合成类胡萝卜素,微生物发酵生产类胡萝卜素只需要低成本天然底物作为碳源,具备明显的经济优势.红酵母和法夫酵母[1]具有合成各种天然类胡萝卜素(β-胡萝卜素、红酵母烯、红酵母红素和虾青素等)的能力,比藻类和霉菌更适于大规模发酵生产.另外以代谢工程方法构建的酿酒酵母也表现出产类胡萝卜素的良好优势.红酵母(Rhodotorula)和法夫酵母(Phaffia)是产类胡萝卜素的常见酵母种属.由红酵母生产的类胡萝卜素种类主要为β-胡萝卜素、红酵母烯(3′,4′-双脱氢-β-ψ-胡萝卜素)和红酵母红素(3′,4′-双脱氢-β-ψ-胡萝卜素-16′-甲酸),三种主要的类胡萝卜素占总量的相对比例不确定,这与菌株及培养条件相关.Rhodotorula glutinis和Rhodotorula graminis生产的γ-胡萝卜素量(β-γ-胡萝卜素)占类胡萝卜素总量11%~15%,而法夫酵母主要生产虾青素(3,3-脱氢-β-β-胡萝卜素-4,4-二酮).1964年,Simpson[2]及Goodwin[3]重新审视了酵母合成类胡萝卜素的一般途径:1) 由HMG-COA合酶催化乙酰辅酶A向3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A(HMG-COA)转化,HMG-COA再转化为一个C6化合物甲羟戊酸(MVA),MVA通过MVA 激酶磷酸化、脱羧等一系列反应进一步转化为异戊二烯基焦磷酸(IPP);2) IPP与依次加入的三个IPP分子异构化得到二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP),上述反应产物由异戊烯基转移酶催化得到C20化合物香叶基焦磷酸(GGPP),两分子GGPP缩合得到八氢番茄红素,脱氢后得到番茄红素;3) 番茄红素异构化同时发生在八氢番茄红素脱氢形成第一或第二个双键过程中,番茄红素作为环状结构类胡萝卜素前体,经一系列代谢反应形成β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素、红酵母烯、红酵母红素和虾青素.在工业规模下利用微生物生产类胡萝卜素必须寻求工艺成本低、产率高以及环境友好的技术.然而,类胡萝卜素的生物合成受诸多因素影响,例如光照、温度、通气和金属离子都有可能对类胡萝卜素发酵产量产生影响.光照被认为是微生物生产类胡萝卜素的一个重要因素.微生物需要防止自身由于光照而受到损伤,类胡萝卜素生物合成机制就是一个光保护机制.类胡萝卜素生产受到白光的积极影响.Moliné等[4]研究红酵母菌株中类胡萝卜素和麦角固醇以及细胞紫外光抗性之间的关系,结果表明超着色菌株存活率增大(250%).他们还指出,红酵母红素的高产量可以提高紫外光下红酵母的存活率.另一方面,Yen等[5]计算了在具有两个LED(发光二极管)灯的间歇反应器中β-胡萝卜素的生产效率,结果β-胡萝卜素浓度达24.6 μg/g,而无光照条件下β-胡萝卜素浓度只有14.69 μg/g.温度是酵母生产类胡萝卜素过程中需要考虑到的另一个因素.温度会影响细胞的生长以及代谢产物的生产,主要通过改变生物合成途径包括类胡萝卜素合成途径来发挥作用.温度的影响效果取决于微生物的种类以及产品产量.根据Hayman等[6]的研究,温度影响了涉及类胡萝卜素生产的酶浓度的调节水平.通气影响类胡萝卜素生产的种类和总产量.这是因为类胡萝卜素生物合成是一个需氧过程,氧气影响着基质同化的速率、生物量的增长以及类胡萝卜素的生物合成.通气的影响取决于微生物的种类.Saenge等[7]研究了通气量对细胞生长、脂质产量、类胡萝卜素产量及甘油消耗量的影响,当通气速率从0 vvm增加到2 vvm时,生物量和脂质产量均达到最高,分别为8.17, 4.32 g/L.金属离子(钡、铁、镁、钙、锌和钴)也已经被证明是R. Glutinis生产类胡萝卜素的促进剂[8].除此以外,Buzzini等[9]报道了在R. Graminis中某些微量元素表现出对类胡萝卜素的结构具有选择性的影响,比如Zn2+对β胡萝卜素和γ-胡萝卜素生产具有促进作用,而对红酵母烯和红酵母红素生产具有抑制作用.绝大多数酵母的类胡萝卜素在菌种对数生长后期积累,在稳定期持续增加.在含有多种精细碳源(如葡萄糖、木糖、纤维二糖、蔗糖、甘油和山梨糖醇)的合成培养基中培养时,酵母菌能合成类胡萝卜素.以天然底物(如葡萄汁、未发酵葡萄汁、枣汁、芥末废弃物水解液提取物、半纤维素水解液、水解绿豆废渣、甘蔗汁、甘蔗、玉米糖浆、玉米水解液、乳清等)为碳源的类胡萝卜素合成研究已成为近些年的热点.工农业原产地的原料和副产物被认为是廉价微生物发酵生产过程中所需碳水化合物的可替代来源,这也同时减轻了因废弃物造成的环境问题.鸡毛和甜马铃薯已作为氮源和碳源[10]来生产类胡萝卜素,同时解决了鸡毛和甜马铃薯废弃物环保处理的能耗问题,最大限度地减轻了这些废弃物对环境的压力.表1列出了最新的工农业废渣在类胡萝卜素发酵生产中的应用实例.用工农业废弃物生产类胡萝卜素,其生产能力取决于碳源和氮源的种类、矿物质和其他成分的配比.这些营养物质的种类和配比对确定发酵培养基制定方法、提高微生物的类胡萝卜素生物合成能力非常重要.4.1 诱变Vijayalaksmi等[20]以紫外线诱变R. gracilis菌株,其类胡萝卜素合成能力较原始菌株提高了约1.8倍.粉色酵母株R. glutinis经紫外诱变得到黄色诱变株32,其类胡萝卜素产量比野生株高出24倍.Frengova等[21]发现NTG诱变菌R. rubra 56-13也表现出了更高的类胡萝卜素和β-胡萝卜素生产能力.Wang等[22]用高静水压(300 MPa)重复5次处理后得到诱变株,其β-胡萝卜素产量增加了57.89%.暗红色酵母菌株P. rhodozyma经甲基磺酸乙酯处理后其β-类胡萝卜素产量是之前的5倍[23].NTG诱变Xanthophyllomyces Dendrourhous后分离得到两种产类胡萝卜素强化菌株X. Dendrourhous JH1和JH2[24].虾青素高产突变株JH1产虾青素约为野生型的15倍多.产β-胡萝卜素突变株JH2的β-胡萝卜素产量比野生型增产约4倍.An等[25]发现抗霉素突变株和亚硝基胍衍生突变株产虾青素能力比原始菌株高出很多.Schroeder等[26]还发现游离氧自由基能够通过激活基因诱发P. rhodozyma体内类胡萝卜素的合成.Fleno等[27]用EMS及紫外线处理得到高产类胡萝卜素和虾青素的突变株.4.2 产类胡萝卜素酵母的代谢工程代谢工程通过具体的生化反应或利用重组DNA技术引进新的基因来改进细胞性能和提高目标产物的产量[28].非类胡萝卜素生物合成微生物的改造工程是类胡萝卜素生产非常有用的工具,如酿酒酵母被认为是一种安全的酵母并具有容易进行基因操作等优点.虽然自然条件下酿酒酵母不产生类胡萝卜素,但它产生香叶基焦磷酸,如果此酵母集成了源于法夫酵母的两个主要的类胡萝卜素合成酶的基因(即编码番茄红素合成酶(crtYB)和番茄红素脱氢酶(CTRI)的基因)就可以生产类胡萝卜素[29].Yamano等[30]早期尝试把细菌基因导入酿酒酵母中生产β-胡萝卜素,虽然在工程上取得了成功,但是生产水平低下,产量仅103 μg/g.毕赤酵母也是进行类胡萝卜素生产研究的非类胡萝卜素生物合成酵母,主要优势在于它可以在甲醇中生长.Araya-Garay等[31]设计并构建了两个含有编码番茄红素和β胡萝卜素的基因的质粒并转入毕赤酵母中,结果表明得到的重组菌株番茄红素和β胡萝卜素产量分别达到1.141,339 μg/g.类胡萝卜素在人类健康领域发挥着重要作用.化学合成类胡萝卜素虽能满足市场的部分需求,但其生产过程不够环保高效,产品结构和天然类胡萝卜素也有差异.目前,对微生物生产类胡萝卜素已经进行了广泛研究,微生物发酵生产类胡萝卜素不存在由于季节性和地域性变化而导致的产品和市场问题,从而具有更大的经济效益.目前,红酵母和法夫酵母是类胡萝卜素的潜在来源,而以代谢工程方法改造酿酒酵母生产类胡萝卜素也具有良好前景.生产成本高是大规模发酵生产类胡萝卜素的最大限制因素,采用工农业废弃物等廉价底物可以降低生产成本,并且有助于减少废弃物本身对环境的污染.通过酵母菌种的基因改造和发酵工艺的改进等各种方法提高产量,将有助于实现微生物法发酵生产类胡萝卜素产品的工业化.【相关文献】[1] 刘颖.法夫酵母生物法生产虾青素的研究进展[J].发酵科技通讯,2012,41(3):47-52.[2] SIMPSON K L, NAKAYAMA T O, CHICHESTER C O. Biosynthesis of yeast carotenoids[J].Journal of bacteriology,1965,88(6):1688-1694.[3] GOODWIN T W. Biosynthesis of carotenoids[M]//The Biochemistry of the Carotenoids. Berlin: Springer Netherlands,1980:33-76.[4] MOLINÉ M, FLORES M R, LIBKIND D, et al. Photoprotection by carotenoid pigments in the yeast Rhodotorula mucilaginosa: the role of torularhodin[J].Photochemical & photobiological sciences official journal of the european photochemistry association & the european society for photobiology,2010,9(8):1145-1151.[5] YEN H W, ZHANG Z. Enhancement of cell growth rate by light irradiation in the cultivation of Rhodotorula glutinis[J].Bioresource technology,2011,102(19):9279-9281. [6] HAYMAN E P, YOKOYAMA H, CHICHESTER C O, et al. Carotenoid biosynthesis in Rhodotorula glutinis[J].Journal of bacteriology,1974,120(3):1339-1343.[7] SAENGE C, CHEIRSILP B, BOURTOOM T. Potential use of oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis, for the bioconversion of crude glycerol from biodiesel plant to lipids and carotenoids[J].Process biochemistry,2011,46(1):210-218.[8] KOMEMUSHI S, SAKAKI H, YOKOYAMA H, et al. Effect of barium and other metals on the growth of a D-lactic acid assimilating yeast Rhodotorula glutinis N21[J].Journal antibact antifung agents,1994,22:583-587.[9] BUZZINI P, MARTINI A, GAETANI M, et al. Optimization of carotenoid production by Rhodotorula graminis, DBVPG 7021 as a function of trace element concentration by means of response surface analysis[J].Enzyme & microbial technology,2005,36(5/6):687-692.[10] DEMAIN A L, PHAFF H J, KURTZMAN C P. Chapter 3. The industrial and agricultural significance of yeasts[M]//The Yeasts. 4th ed. Amsterdam: Elsevier,1998:13-19.[11] MAROVA I, CARNECKA M, HALIENOVA A, et al. Use of several waste substrates for carotenoid-rich yeast biomass production[J].Journal of environmentalmanagement,2012,95(2):338-342.[12] TASKIN M, SISMAN T, ERDAL S, et al. Use of waste chicken feathers as peptone for production of carotenoids in submerged culture of Rhodotorula glutinis MT-5[J].European food research & technology,2011,233(4):657-665.[13] PANESAR P S, KENNEDY J F. Biotechnological approaches for the value addition of whey[J].Critical reviews in biotechnology,2012,32(4):327-348.[14] VALDUGA E, TATSCH P, VANZO L T, et al. Assessment of hydrolysis of cheese whey and use of hydrolysate for bioproduction of carotenoids by Sporidiobolus salmonicolor CBS 2636[J].Journal of the science of food & agriculture,2009,89(6):1060-1065.[15] MALISORN C, SUNTORNSUK W. Improved β-carotene production of Rhodotorula glutinis, in fermented radish brine by continuous cultivation[J].Biochemical engineering journal,2009,43(1):27-32.[16] MALISORN C, SUNTORNSUK W. Optimization of beta-carotene production byRhodotorula glutinis DM28 in fermented radish brine[J].Bioresourcetechnology,2008,99(7):2281-2287.[17] TINOI J, RAKARIYATHAM N, DEMING R L. Simplex optimization of carotenoid production by Rhodotorula glutinis using hydrolyzed mung bean waste flour as substrate[J].Process biochemistry,2005,40(7):2551-2557.[18] FRENGOVA G, SIMOVA E, PAVLOVA K, et al. Formation of carotenoids by Rhodotorula glutinis in whey ultrafiltrate[J].Biotechnology &bioengineering,1994,44(8):888-894.[19] FRENGOVA G I, EMILINA S D, BESHKOVA D M. Carotenoid production by lactoso-negative yeasts co-cultivated with lactic acid bacteria in whey ultrafiltrate[J].Zeitschrift für naturforschung C journal of biosciences,2003,58(8):562-567.[20] VIJAYALAKSHMI G, SHOBHA B, VANAJAKSHI V, et al. Response surface methodology for optimization of growth parameters for the production of carotenoids by a mutant strain of Rhodotorula gracilis[J].European food research and technology,2001,213(3):234-239.[21] FRENGOVA G I, SIMOVA E D, BESHKOVA D M. Improvement of carotenoid-synthesizing yeast Rhodotorula rubra by chemical mutagenesis[J].Ze itschrift für naturforschung C journal of biosciences,2004,59(1/2):99-103.[22] WANG S L, SUN J S, HAN B Z, et al. Optimization of beta-carotene production by Rhodotorula glutinis using high hydrostatic pressure and response surface methodology[J].Journal of food science,2007,72(8):325-329.[23] GIRARD P, FALCONNIER B, BRICOUT J, et al. β-Carotene producing mutants of Phaffia rhodozyma[J].Applied microbiology and biotechnology,1994,41(2):183-191.[24] KIM J H, KIM C W, CHANG H I. Screening and characterization of red yeast Xanthophyllomyces dendrorhous mutants[J].Journal of microbiology & biotechnology,2004,14:570-575.[25] AN G H, SCHUMAN D B, JOHNSON E A. Isolation of Phaffia rhodozyma mutants with increased astaxanthin content[J].Applied & environmental microbiology,1989,55(1):116-124.[26] SCHROEDER W A, JOHNSON E A. Singlet oxygen and peroxyl radicals regulate carotenoid biosynthesis in Phaffia rhodozyma[J].Journal of biologicalchemistry,1995,270(31):18374-18379.[27] FLEN S B O, CHRISTENSEN I, LARSEN R, et al. Astaxanthin-producing yeast cells methods for their preparation and their use: US 5356810 A[P].1994-10-13.[28] PARK P K, KIM E Y, CHU K H. Chemical disruption of yeast cells for the isolation of carotenoid pigments[J].Separation & purification technology,2007,53(2):148-152.[29] VERWAAL R, WANG J, MEIJNEN J P, et al. High-level production of beta-carotene inSaccharomyces cereviseae by successive transformation with carotenogenic genes from Xanthophyllomyces dendrorhous[J].Applied & environmentalmicrobiology,2007,73(13):4342-4350.[30] YAMANO S, ISHII T, NAKAGAWA M, et al. Metabolic engineering for production of beta-carotene and lycopene in Saccharomyces cerevisiae[J].Agricultural & biological chemistry,1994,58(6):1112-1114.[31] ARAYA-GARAY J M, FEIJOO-SIOTA L, ROSA-DOS-SANTOS F, et al. Construction of new Pichia pastoris, X-33 strains for production of lycopene and β-carotene[J].Applied microbiology & biotechnology,2012,93(6):2483-2492.。
ATR-FTIR检测毕赤酵母发酵中甘油和甲醇浓度吴胜;杭海峰;郭美锦;储炬;庄英萍;张嗣良【摘要】采用无机盐培养基毕赤酵母发酵生产重组人溶菌酶,以人工配置的标准溶液作为建模集,利用ATR-FTIR结合PLS建立甘油和甲醇的预测模型,模型具有良好的稳定性和预测性,甘油预测模型的SEC和SEV分别为0.171和0.532 g/L,甲醇预测模型的SEC和SEV分别为0.129和0.248 g/L.在5L发酵罐中运用建立的模型预测发酵液中甘油和甲醇的浓度,预测标准误差(SEP)分别为1.09和0.86 g/L,表明模型稳定,能有效指导实际生产.比较5L发酵罐中分别采用FTIR调控和溶氧(DO-stat)调控甲醇浓度下的比生长速率(μ)和比生产速率(Qp),结果表明,FTIR调控下比生长速率和比生产速率均高于溶氧(DO-stat)调控.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2014(040)003【总页数】7页(P1-7)【关键词】ATR-FTIR;毕赤酵母甘油;甲醇;比生长速率;比生产速率【作者】吴胜;杭海峰;郭美锦;储炬;庄英萍;张嗣良【作者单位】华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237【正文语种】中文甲醇营养型毕赤酵母已经成为生产外源蛋白最常用的生产菌种之一,培养基的改进及发酵条件的优化显著提高了工业化生产通量[1-3]。
毕赤酵母发酵主要采用无机盐培养基,在甘油批培养阶段,以甘油为碳源菌体快速生长,获得合适的菌体密度之后,需要监测甘油是否全部耗尽[4],发酵液中残余的甘油将会影响外源蛋白的启动表达效率[5]。
毕赤酵母展示表达南极假丝酵母脂肪酶B苏国栋;张少平;尹钰;林影【摘要】将南极假丝脂肪酶B( CALB)基因N端和C端,分别与酿酒酵母絮凝蛋白(Flo1p)絮凝结构域序列的N端(FS)和C端(FL)融合,构建成脂肪酶毕赤酵母表面展示载体KFS和KFL,并转化毕赤酵母GS115后获得重组子KFS-CALB和KFL-CALB.免疫荧光检测证实脂肪酶已展示于毕赤酵母细胞表面.甲醇诱导120 h后展示酶活性分别达到286 U/g干细胞和182 U/g干细胞.酶的热稳定性较游离酶有较大提高,50℃孵育4h后KFS-CALB菌株的残留酶活力仍保持初始酶活力70%以上:KFL-CALB在50℃孵育2h后的酶活力也达到初始酶活力50%,远远高于游离态的CALB,其在50℃孵育0.5 h后仅残留18%的初始酶活力.【期刊名称】《生物技术通报》【年(卷),期】2012(000)008【总页数】6页(P107-112)【关键词】表面展示;脂肪酶;絮凝素;热稳定性【作者】苏国栋;张少平;尹钰;林影【作者单位】聊城大学生命科学学院生物工程实验室,聊城252004;肇庆学院生命科学学院,肇庆526061;聊城大学生命科学学院生物工程实验室,聊城252004;华南理工大学生物科学与工程学院,广州5 10006【正文语种】中文脂肪酶(lipase,EC 3.1.1.3)又名甘油酯水解酶,可以催化三酰基甘油酯水解、酯化、转酯和氨解等反应[1],广泛应用于有机合成、油脂化工、洗涤剂以及食品、医药等领域。
脂肪酶广泛存在于动物、植物和微生物中,在脂质代谢中发挥着重要的作用。
由于微生物具有种类多、生长繁殖快及易发生遗传变异的特点,微生物源脂肪酶比动、植物源脂肪酶的性质更具多样性,更加适合于工业化生产。
因此,微生物是工业用脂肪酶的重要来源[2]。
其中,南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)应用最为广泛,它对水溶性和非水溶性物质都表现出较高的催化活性[3]。
利用粘红酵母生产微生物油脂研究进展 乔凤杰 李炯书 欧阳亚旭 李意颖 黄永虹 孙宜君 常蓉 李博生* (1.北京林业大学生物科学与技术学院食品科学与工程系 北京 100083; 2.林业食品加工与安全北京市重点实验室(北京林业大学)北京 100083; 3.锡林郭勒苏尼特碱业有限公司 锡林郭勒011200; 4.北京林业大学螺旋藻研究所 北京 100083) 摘 要: 粘红酵母是一种良好的产油微生物,其油脂可用来生产生物柴油。本文介绍了粘红酵母生产油脂的情况,包括其常用基本培养基,廉价工农业废弃物培养基,以及促进粘红酵母生长和产油的方法和培养条件,并对粘红酵母工生产微生物油脂方面存在的的问题和未来的发展方向进行了概述。 关键词:粘红酵母,油脂,纤维素水解液,工业废水,分段培养 Progress in microbial oils produced by Rhodotorula glutinis QIAO Feng-jie,LI Jiong-shu,OUYANG Ya-xu,LI Yi-ying,HUANG Yong-hong,SUN Yi-jun CHANG Rong,LI Bo-sheng* (1.Department of food science and engineer, college of biology science and technology ,Beijing forestry university, beijing 100083,China; 2.Key laboratory of forestry food processing and safety in beijing (Beijing forestry university) ,Beijing 100083,China; 3.Xilinguole soda ash ltd ,Xilinguole 011200,China; 4.R.glutinis research institute in Beijing forestry school,Beijing 100083,China)
Abstract: Rhodotorula glutinis is a kind of oleaginous fungi and its oil can be used to
produce biodiesel. In this review, progress in microbial oil produced by R.Glutinis in terms of lab-media, cheap waste media and methods of promoting accumulating more oil were summarized. And the issues and directions for further development of R.glutinis in producing oil were also discussed.
作者简介:乔凤杰(1988-),女,硕士研究生,研究方向:微生物油脂 基金项目:林业公益性行业科研专项(201304605)
网络出版时间:2014-01-03 09:05网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1759.TS.20140103.0905.009.html Key words: Rhodotorula glutinis;microbial lipid;cellulosic hydrolysate; industrial wastewater;two-stage culture 由于全球范围内的环境污染和化石燃料的日益消耗,新能源的研究成为近几十年来的研究热点。新能源又称非常规能源,是指传统能源外的各种能源形式,包括太阳能、风能、地热能、生物质能、核能等。生物柴油是新能源的一种,它燃烧性能好,含硫量低,可代替化石燃料,是一种可再生的绿色新能源[1]。目前生产生物柴油的主要原料为动植物油脂。据统计,2011年世界植物油的总产量约为1.45亿t,在满足食用和化工生产的前提下,不足以用来规模化生产微生物柴油。微生物油脂脂肪酸的组成同植物油类似,也可用于生产生物柴油。微生物油脂在生产生物柴油具有以下优势:a.微生物代谢速度快、培养周期短、油脂含量高;b.微生物生长不受季节和时间的限制,可一年四季连续生产; c.适应性强,有些甚至可以在盐碱湖,滩涂、生活污水中生长。因此大力研究微生物油脂,为生物柴油提供量大而廉价的原料具有广阔的发展前景[2]。 一些微生物细胞内贮存的油脂含量超过其细胞干重的20%,这类微生物称为产油微生物。产油微生物主要包括产油微藻、霉菌和酵母[3]。粘红酵母是产油酵母的一种,又叫红酵母,属半知菌纲,壳霉目,杯霉科。细胞圆形、卵形或长形。粘红酵母油脂含量较高,可利用各种碳源和氮源,具有较强的环境适应性,是良好的产油菌种。粘红酵母培养基的组成,营养元素的含量、额外添加的小分子促进物质以及不同的培养方式均会影响粘红酵母的产油状况。本文总结了影响粘红酵母生产微生物油脂的主要因素及其相关进展,并对粘红酵母生产微生物油脂的发展方向进行了初步的探讨。 1、培养基在促进粘红酵母产油方面的研究进展 1.1 粘红酵母基础培养基的研究 粘红酵母可利用葡萄糖、糖蜜、木糖、蔗糖等多种碳源,其中,对葡萄糖的利用能力最强[4]。无机氮源和有机氮源同时存在时粘红酵母产脂效果最好。硫酸铵是最有效的无机氮源,酵母粉和蛋白胨是利用较好的有机氮源。现在常用的葡萄糖基本培养基配方为葡萄糖40g/l,,酵母粉1.5g/L,硫酸铵2g/L,磷酸二氢钾7g/L,硫酸钠2g/L,七水硫酸镁1.5g/L[5,6,7]。王敏等研究了4重不同配方的葡萄糖培养基对粘红酵母的影响,结果显示,培养基②(g/L):葡萄糖 100,蛋白胨 1.8,(NH4)2SO4 2,KH2PO42 ,pH5.8所得油脂产量最高,随后又对该培养基进行了优化,结果发现葡萄糖浓度80g/l, 硫酸铵2g/L,蛋白胨2g/L, 最有利于粘红酵母积累油脂。在此过程中还发现,不同种类的氮源作用不同,有机氮源有利于菌体的生长,无机氮源有利于油脂的积累 [8] 。 1.2限制营养条件促进粘红酵母产油的研究 通常,培养基中的碳源丰富某些其他元素缺乏的情况下可以促进粘红酵母合成油脂。其中降低氮元素的浓度是较为有效的方法。王敏等人的研究表明,在对粘红酵母31596培养的过程中,碳氮比由100增加到160的过程中,粘红酵母的油脂含量不断增加[8] 。L.-M.Granger等人在对粘红酵母NRRL YY 1091培养的过程中发现,随着碳氮比的不断增加,细胞内的油脂含量不断增加,当碳氮比为38时,细胞内的油脂含量达到32%[9]。Teresa Braunwald等人在研究碳氮比对粘红酵母ATCC 15125的油脂合成的影响中发现,在氮源的浓度不变,提高葡萄糖的量将碳氮比由20提高到70的过程中,油脂产量由0.2g/L提高到0.5g/L左右,而进一步提高到120时,油脂产量没有增加[10]。 此外,培养基中的磷、镁等元素也会对油脂的合成起到一定的作用。刑旭等在优化粘红酵母发酵味精废水的研究中发现,向培养基中添加1g/L的MgSO4后,生物量和油脂产率均有所增加,同空白相比,生物量增加了27.8%,油脂含量增加了5%[6]。L.-M.Granger 等人研究还发现,虽然限制磷元素不如限制氮元素在促进粘红酵母NYYL Y 1091生产油脂方面有效,但将溶液中的C/P为208提高到310左右时,其油脂含量增加了约5%[9]。Siguo wu等人在研究另一种产油酵母圆红冬孢酵母时发现,在氮源丰富的情况下,降低磷的含量,既可以保证较高的生物量,同时还可以增加细胞内的油脂含量,实验中,将C/N控制在22.3,当C/P由72增大到2045时,油脂含量由21.2%增加到42.6%,两种情况下生物量维持在18.6g/l左右。该营养状况在粘红酵母培养方面的研究还未见报道,有必要进行进一步的研究,为其在含氮高的工业废水中进行培养提供指导[11]。 1.3粘红酵母廉价培养基的研究进展 成本问题是规模化生产生物柴油面临的最大问题,据统计,生物柴油生产中原料成本约占总成本的75%[12]。因此,寻求适合粘红酵母生长廉价培养基成为粘红酵母能否工业化生产生物柴油的关键。工农业生产中一些高浓度的有机废弃物,经过一定处理后,可用于粘红酵母的培养,降低了生产成本,对废弃物也进行了一定的处理,减轻了环境压力。 1.3.1木质纤维素类水解液用于粘红酵母培养 含有大量纤维素半纤维素类的物质统称为木质纤维素。木质纤维素来源广阔,包括农作物收获后的残渣如秸杆、蔗渣、木屑、纸张和一些草本植物和木材等[13]。经过一定的物理、化学处理,木质纤维素可以转化为含有单糖的水解液,通常含有葡萄糖、木糖、甘露糖和半乳糖。其中,葡萄糖和木糖含量较高,这两种糖约占水解后总糖的72%-94%,木糖和葡萄糖的比约为2.6-4.7:1。因此,粘红酵母对木糖的利用能力直接关乎到其对木质纤维素水解液 的利用情况。 研究表明,粘红酵母可以利用木糖进行代谢。潘丽霞等利用木糖培养基从土壤中分离筛选出两株高产油的酵母菌,根据常规形态和26rDAN序列分析结果,确定其中一株菌为粘红酵母[14]。李建等对粘红酵母生长的最适木糖深度进行了探索。结果表明,高的木糖初始浓度对粘红酵母的生长和生产油脂具有一定的抑制作用。当木糖浓度范围设置在50g/L以下时,随着浓度增加,生物量和产油量也随之增加,但超过35g/L后,其生物量和产油量又开始低[15]。李堑对粘红酵母的戊糖运输蛋白进行了研究,实验中提取质膜蛋白时发现,有一种分子量约为35k的质膜蛋白,在低木糖浓度的环境中诱导表达,而在高浓度的葡萄环境中则抑制表达。该蛋白的大小同假丝酵母中木糖运输蛋白的大小接近,初步推测,该蛋白为粘红酵母的木糖运输蛋白[16]。何霞清等采用PT-PCR扩增技术成功获取了粘红酵母的特异木糖跨膜转运基因。进一步从理论上证实了粘红酵母对木糖的利用能力[5]。但是,木质纤维素水解产物成分复杂,其中一些副产物可能对粘红酵母的生长具有一定的抑制作用。李堑的研究发现,水解液中的糠醛和乙酸的浓度大于2g/L时,粘红酵母不可生长,当浓度小于1g/L时,随着糠醛和乙酸浓度的减小,生物量呈上升趋势。以蔗渣和玉米芯水解液作为碳源培养粘红酵母,其生物量最大分别可达15.1g/L和13.7g/L[16]。 1.3.2食品工业废水用于粘红酵母的培养 粘红酵母可以利用多种的底物进行发酵,一些工业废水尤其是食品工业废水中含有丰富的碳、氮、磷等粘红酵母生长所需要的元素,经过适当地调整后,可用于粘红酵母的的培养。味精废水是一种高浓度的有机废水,研究表明其较为适合粘红酵母的生长。 薛飞燕等用味精废水分别培养Rhodotorula glutinis Saccharomyces cerevisiae-2、candida utilis iae-2 、Saccharomyces cerevisiae结果表明在培养到第五天时,粘红酵母的生物量明显高于其他三种微生物[17]。T.Schneider等人利用啤酒厂废水对粘红酵母进行培养,结果表明,啤酒厂废水中含有丰富的氮源和其他营养物质,可用于粘红酵母的培养,但是啤酒厂废水中主要为麦芽糖,需进一步提高粘红酵母对麦芽糖的利用率,以增加其生物量和产油量[18]。Zhanyou Chi等人将食物残余水解后用于培养C.curvatus R.glutinis Y.lipolytica R.toruloides 和L.starkeyi,结果显示,食物残余水解液不会抑制C.curvatus R.glutinis Y.lipolytica三种菌的生长,其生物量和葡萄糖培养基作为对照培养相近[19]。Teresa Schneider等利用马铃薯、果汁和莴苣加工过程中产生的废水来培养粘红酵母,结果发现,粘红酵母在果汁加工废水中生长最好,其生物量约增加了6倍,而在马铃薯废水中其生物量有所下降,在莴苣加工废水中其生物量没有明显增加。用HPLC检测后,在果汁废水中检测到了葡萄糖和木糖,在其他两种废水中