玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化 課程設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化學(xué)院（系）：環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院年級(jí) 專業(yè)： 09級(jí) 生 物 化 工 學(xué) 號(hào)： 3 學(xué)生 姓名： 郭曉靜 指導(dǎo) 教師： 崔紅霞 張曉宇 教師 職稱： 副教授 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）：環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：生物工程系 學(xué) 號(hào)3學(xué)生姓名郭曉靜專業(yè)（班級(jí)）09生物化工設(shè)計(jì)題目玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1. 單因素實(shí)驗(yàn)確定玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝參數(shù)范圍的設(shè)計(jì)；2. 正交實(shí)驗(yàn)確定玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)；3. 最佳玉米深加工生產(chǎn)木糖醇方法的工藝設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)要求1.要有明確設(shè)計(jì)的目的；2.

2、提出設(shè)計(jì)方案之前要充分查閱各種文獻(xiàn)資料（15篇以上）；3.設(shè)計(jì)合理的關(guān)于玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝及其最優(yōu)條件探究的操作方式或方案；4.說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)要求語(yǔ)言精練，表述清楚，設(shè)計(jì)方案可行且具創(chuàng)新性；5.設(shè)計(jì)提出總結(jié)與分析（包括討論展望，個(gè)人收獲體會(huì)等）；工作量1.至少閱讀15篇以上的相關(guān)科技文獻(xiàn)，外文文獻(xiàn)三篇以上；2.設(shè)計(jì)文字至少在10000字以上；工作計(jì)劃11.1811.23 定題，查閱收集資料11.24 確定設(shè)計(jì)思路，與老師溝通確定課設(shè)任務(wù)書(shū)內(nèi)容11.2511.30 按照要求撰寫(xiě)：格式正確，條理清晰，表格清楚11.28 11.29 準(zhǔn)備PPT，簡(jiǎn)單敘述設(shè)計(jì)過(guò)程中承擔(dān)的工作回答設(shè)計(jì)基本問(wèn)題11.

3、30 根據(jù)老師對(duì)課設(shè)說(shuō)明書(shū)提出的問(wèn)題對(duì)格式及內(nèi)容加以改進(jìn)，提交參考資料1馮永強(qiáng), 王江星. 木糖醇的特性及其在食品中的應(yīng)用. 食品科學(xué), 2004, 25(11): 379-381.2尤新, 李明杰. 木糖與木糖醇的生產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)用. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2006,24(10): 289-451.3懷文輝, 何秀萍, 張博潤(rùn), 等. 微生物產(chǎn)木糖醇的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景. 微生物學(xué)通報(bào), 2000, 27(1): 66-69.4Eleoncfa winkelhausen, Slobodanka kuzmanova. Microbiol con-version of D-xylose to

4、 xylitol. Journal of Fermentaition andBioengineering, 1998, 86(1): 1-14.指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位各一份。2012年 11月 21 日 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表設(shè)計(jì)者姓名: 郭曉靜 學(xué)號(hào): 3 設(shè)計(jì)題目: 玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化 說(shuō)明書(shū)評(píng)分： 設(shè)計(jì)思路： 20分 字?jǐn)?shù)要求： 20分 文檔排版： 20分 格式細(xì)節(jié)： 20分 分析討論： 20分 成績(jī)： 答辯小組評(píng)語(yǔ)：口語(yǔ)表達(dá)：滿分20分 幻燈質(zhì)量：滿分20分 設(shè)計(jì)分析：滿分40分 回答問(wèn)題：滿分20分 成績(jī)： 課程設(shè)計(jì)總成績(jī)：

5、 （說(shuō)明書(shū)成績(jī)0.6+答辯成績(jī)0.4） 答辯小組成員簽字：年 月 日2012-2013 秋季學(xué)期生物工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)結(jié)題論文玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化學(xué)院（系）： 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院年級(jí) 專業(yè)： 09級(jí) 生 物 化 工 學(xué) 號(hào)： 3 學(xué)生 姓名： 郭曉靜 指導(dǎo) 教師： 崔紅霞 張曉宇 教師 職稱： 副教授 摘 要木糖醇屬于低熱量多元醇，無(wú)細(xì)胞毒性，可透過(guò)細(xì)胞膜供給組織利用。在機(jī)體代謝過(guò)程中不需胰島素參與，反而可促進(jìn)少量胰島素分泌，促進(jìn)葡萄糖向肝糖原轉(zhuǎn)化，降低轉(zhuǎn)氨酶水平，是輔助治療糖尿病和肝病良好營(yíng)養(yǎng)劑。傳統(tǒng)的木糖醇生產(chǎn)采用純木糖加氫的方法，原料價(jià)格昂貴, 且鎳催化劑會(huì)污染環(huán)境每年農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)

6、都會(huì)產(chǎn)生大量的半纖維素廢料，這些廢料如果不處理或處理不當(dāng)將造成環(huán)境污染。若利用其水解液發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇，不僅可減少環(huán)境污染, 還能變廢為寶， 取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前報(bào)道的可以發(fā)酵木糖生成木糖醇的菌株很多, 主要為酵母菌株等。水解液發(fā)酵存在的主要問(wèn)題是水解液中含有很多抑制酵母生長(zhǎng)的有害物質(zhì), 如糠醛、乙酸等。采用離子交換樹(shù)脂進(jìn)行處理固然可以有效地去除發(fā)酵抑制物，但成本太高。要使微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇技術(shù)工業(yè)化， 必須找到玉米芯水解液低成本高效率的脫毒方法， 并提高菌株本身對(duì)水解液中有害物質(zhì)的耐受力。本文主要進(jìn)行菌種馴化以及采用玉米芯水解液發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的工藝條件優(yōu)化方面的研究。關(guān)鍵詞：木糖醇、發(fā)酵

7、、玉米、深加工目 錄第一部分：文獻(xiàn)綜述1木糖醇發(fā)酵法生產(chǎn)途經(jīng)11.1發(fā)酵法生產(chǎn)木糖11.1.1細(xì)菌11.1.2霉菌11.1.3酵母菌11.2發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇工藝流程21.3半纖維素原料前處理22發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇影響因素32.1通氣量32.2 初始木糖濃度32.3 氮源42.4初始細(xì)胞濃度42.5溫度和pH42.6其它單糖不同單糖對(duì)木糖轉(zhuǎn)化有不同影響52.7金屬離子53新技術(shù)在木糖醇發(fā)酵生產(chǎn)中應(yīng)用63.1菌種選育63.2 固定化技術(shù)73.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法84前景展望8第二部分：課程設(shè)計(jì)部分1. 材料101.1 菌種101.2 酶101.3 原料101.4 培養(yǎng)基111.5實(shí)驗(yàn)器材112.

8、 實(shí)驗(yàn)方法112.1化學(xué)法112.1.1 提取工藝路線112.1.2試驗(yàn)步驟122.2發(fā)酵法制木糖醇132.2.1 玉米芯酶水解液制備132.2.2 培養(yǎng)方法132.2.3 中和過(guò)濾132.2.4 蒸發(fā)142.2.5 脫色142.2.6 離子交換142.2.7 加氫142.2.8 濃縮、結(jié)晶、分離142.2.9 母液處理142.3 分析方法142.3.1木糖及木糖醇的測(cè)定142.3.2菌體干重的測(cè)定153.設(shè)計(jì)153.1 培養(yǎng)條件對(duì)發(fā)酵的影響153.1.1 種子齡的影響153.1.2 接種量的影響153.1.3 初糖濃度的影響153.1.4裝液量的影響153.1.5 氮源濃度的影響153.1.

9、6 初始 pH 值的影響163.1.7 溫度對(duì)玉米芯水解液發(fā)酵的影響163.1.8正交實(shí)驗(yàn)164.分析與總結(jié)164.1分析展望164.2總結(jié)體會(huì)18參考文獻(xiàn)20第一部分 文獻(xiàn)綜述1木糖醇發(fā)酵法生產(chǎn)途經(jīng)1.1發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇微生物菌種能利用木糖的微生物種類并不多，在細(xì)菌、霉菌和酵母中均有發(fā)現(xiàn)，但目前研究較多的是酵母。1.1.1細(xì)菌迄今為止，發(fā)現(xiàn)僅有Corynebacterum sp(棒狀桿菌屬)、Enterobacter liquefaciens (腸細(xì)菌屬)，Mycobacteriumsm egmatis (分枝桿菌屬)等種屬中很少一部分細(xì)菌能將木糖轉(zhuǎn)化為木糖1；但由于木糖醇只是這類細(xì)菌正常生

10、理代謝過(guò)程中一種中間產(chǎn)物，產(chǎn)量相當(dāng)小，因此沒(méi)有應(yīng)用于生產(chǎn)。但I(xiàn)zumori等發(fā)現(xiàn)Msmegmatis可將木糖轉(zhuǎn)化為木糖醇能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率達(dá)402。1.1.2霉菌極少數(shù)霉菌能發(fā)酵木糖產(chǎn)生木糖醇，如Penicillium、Aspergillus、Rhizopus、Byssochlamys和Neuro.sporaspp等，在含有木糖培養(yǎng)基中能產(chǎn)生低濃度木糖醇 。Dahiya等將Petromyces albertensis接種在初始木糖濃度為100 g / L培養(yǎng)基中，培養(yǎng)10 d后，測(cè)得木糖醇濃度為39.8 g / L。1.1.3酵母菌在微生物中，酵母轉(zhuǎn)化木糖生產(chǎn)木糖醇性能最為優(yōu)越。Candida屬

11、酵母轉(zhuǎn)化能力較強(qiáng)，如C.tropicalis、C guilliermondii、C.mogii、C parasilosis。此外，還有：Debaryomyces屬(如D.hansenii)、Pachysolen屬(如Ptannophilus)、Saccharomyces屬(如S.cerevisiae)、Schyzosaccharomyces屬(如S.pombe)、ansenula屬(如Hanomala)I Kluyveromyces屬(如K.marxianus)等。1.2發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇工藝流程微生物發(fā)酵植物纖維原料生產(chǎn)木糖醇工藝流程如下：富含多縮戊糖植物纖維原料一(前處理)一催化劑(酸) /

12、 水解一半纖維素水解液一(提純、脫毒)一木糖溶液一微生物發(fā)酵一木糖醇發(fā)酵液一(提取、分離、精制)一木糖醇產(chǎn)品。1.3半纖維素原料前處理采用發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇之前必須對(duì)半纖維原料進(jìn)行前處理。一方面，通過(guò)前處理和酸水解可降低纖維晶體分子聚合度，改變空間構(gòu)型，使其變得更易進(jìn)行酶促反應(yīng)；另一方面，通過(guò)脫毒除去有害物質(zhì)，提高水解液發(fā)酵性能。對(duì)植物纖維原料前處理主要包括：粉碎、水洗、蒸汽爆破和氨處理。經(jīng)粉碎，使原料粒徑變小，通過(guò)水處理可去除其中灰分，但兩者均對(duì)發(fā)酵效果影響不大 。蒸爆處理強(qiáng)度必須適當(dāng)，條件過(guò)于溫和，作用不明顯；過(guò)于激烈，會(huì)導(dǎo)致半纖維素分解嚴(yán)重，同時(shí)產(chǎn)生抑制微生物生長(zhǎng)副產(chǎn)物3。10 氨水處理，

13、作用條件溫和，半纖維素?fù)p失也不大，但能提高原料水解效率，并可除去92 木質(zhì)素和所有乙酸，顯著提高水解液發(fā)酵性能。半纖維素水解過(guò)程中，鹽酸催化活性最好，但其腐蝕性和揮發(fā)性很大，故多采用硫酸。酸度增加會(huì)加速水解反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)非糖雜質(zhì)生成4。溫度過(guò)低起不到加速作用，太高又會(huì)促進(jìn)木糖分解，并產(chǎn)生過(guò)多有害副產(chǎn)物。水解時(shí)間越長(zhǎng)，則原料水解越徹底；但副產(chǎn)物量也會(huì)越大。固液比越高水解越完全，糖得率越大，過(guò)高造成酸消耗增大；固液比太低，糖得率小，導(dǎo)致濃縮成本增加 叫 。水解過(guò)程要產(chǎn)生對(duì)微生物有毒物質(zhì)，采用石灰乳或碳酸鈣可去除水解液中單寧、重金屬離子和硫酸根離子，還有部分乙酸和分子酚?；钚蕴汲撋?，還可吸附某些

14、酸溶性木質(zhì)素衍生物和大部分乙酸。采用汽提和真空濃縮技術(shù)在提高水解液糖濃度同時(shí)，可去除糠醛、乙酸及揮發(fā)性有毒成分，提高水解液發(fā)酵性能。由于毒害成分復(fù)雜，加之毒害機(jī)理尚不清楚，尋求多種方法復(fù)合使用將會(huì)得到普遍重視。2發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇影響因素2.1通氣量氧氣是酵母菌轉(zhuǎn)化木糖過(guò)程中一個(gè)重要因素。發(fā)酵液中溶氧量不僅影響木糖醇產(chǎn)量，且對(duì)副產(chǎn)物形成和菌體本身生長(zhǎng)都有重要影響。迄今為止，雖對(duì)其作用機(jī)理尚不完全清楚，但通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為氧氣可能在糖運(yùn)輸、輔酶再生和ATP合成幾方面起著關(guān)鍵調(diào)控作用。需要指出的是，不同種屬菌株關(guān)于木糖醇生產(chǎn)和氧氣之間關(guān)系也不盡相同。Laplace等 提出，酵母產(chǎn)生木糖醇過(guò)程中氧

15、氣影響作用分為幾個(gè)階段，在無(wú)氧或溶氧量極低條件下，機(jī)體電子傳遞系統(tǒng)不能完全氧化NADH，結(jié)果菌體內(nèi)NADH / NAD 失衡5，木糖還原酶活性很低，導(dǎo)致木糖醇分泌。溶氧增加，作為電子終端受體有效調(diào)節(jié)上述不平衡，有利于木糖代謝，產(chǎn)物為木糖醇或乙醇。當(dāng)通入過(guò)量氧氣時(shí)，輔酶NADH被氧化，激活木糖脫氫酶，生成木糖醇進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為木酮糖進(jìn)入磷酸戊糖途徑，此時(shí)生物量增加，發(fā)酵工業(yè)要有效生產(chǎn)木糖醇，首先要考慮菌體細(xì)胞快速積累，這就要求維持高水平溶解氧；其次，木糖醇需要在厭氧或微氧 條件下才可形成，以降低菌體呼吸率。有學(xué)者提出兩段發(fā)酵法，即第一階段采用較高轉(zhuǎn)速和較大通氣量，最大限度促進(jìn)菌體高密度生長(zhǎng)；第二階段

16、采用低轉(zhuǎn)速并限制通氣量使木糖醇積累。Fabio等相關(guān)研究為之提供理論支持。2.2 初始木糖濃度發(fā)酵液中木糖濃度會(huì)顯著影響酵母生長(zhǎng)和木糖醇產(chǎn)量。低初始木糖濃度時(shí)，由于一部分碳源將用于細(xì)胞生長(zhǎng)，從而減少用于轉(zhuǎn)化木糖。耐高滲微生物，尤其是酵母菌能耐受較高滲透壓，能在較高濃度 糖溶液中正常生長(zhǎng)，提高木糖濃度，可增加木糖消耗量，最終使木糖醇累積量增加。Sirisansaneeyakul等 將初始木糖濃度從53 g / L升至533 g / L，木糖醇轉(zhuǎn)化率也從0升至0.72 g，可能是由于木糖濃度升高，木糖還原酶活性也隨之升高，但對(duì)木糖脫氫酶影響不高。在通氣量不變前提下，增加木糖濃度會(huì)反饋?zhàn)瓒艚湍妇L(zhǎng)

17、，導(dǎo)致木糖醇生成減少，且阻遏現(xiàn)象會(huì)因酵母類型而異。木糖醇生成速率依賴于酵母種類，一般而言，對(duì)于大多數(shù)酵母菌， 合適初始木糖濃度一般在100200 g / L，耐滲酵母可達(dá)300 g / L。Prior等 認(rèn)為高濃度木糖會(huì)促進(jìn)木糖醇發(fā)酵活動(dòng)，可能是在嚴(yán)格限氧生長(zhǎng)條件下，高濃度木糖可誘導(dǎo)產(chǎn)生高密度細(xì)胞，而不單單是由于底物本身增加原因。2.3 氮源氮源種類對(duì)木糖醇產(chǎn)量和產(chǎn)率均有影響。酵母粉是最佳有機(jī)氮源，其能提供豐富維生素、氨基酸和生物素等酵母生長(zhǎng)必須因子6。銨鹽是最佳無(wú)機(jī)氮源，Jean等 報(bào)道使用尿素作為氮源得到很高木糖醇產(chǎn)量。通過(guò)考察無(wú)機(jī)氮與有機(jī)氮差別，發(fā)現(xiàn)使用無(wú)機(jī)氮源產(chǎn)醇量不比有機(jī)氮源低，這為

18、利用廉價(jià)無(wú)機(jī)氮源進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)木糖醇提供依據(jù)。木糖醇作為次生代謝產(chǎn)物，其形成、積累與菌體生長(zhǎng)在某種程度上呈反相關(guān)。Silva等在常規(guī)發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加5 g和l0 g酵母粉進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物量增加，但木糖醇產(chǎn)率急劇下降；可見(jiàn)，氮源濃度不可太高，否則只利于酵母生長(zhǎng)而不利于木糖醇積累。此外，也要考慮C / N，往往高C / N更有利于多元醇形成7。2.4初始細(xì)胞濃度Cao等究初始細(xì)胞濃度對(duì)Candida sp B-22菌株發(fā)酵木糖過(guò)程影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在3.8-26g / L范圍內(nèi)，初始細(xì)胞濃度和木糖醇產(chǎn)量之間呈線形正相關(guān)。初始細(xì)胞濃度26 g / L時(shí)，木糖醇轉(zhuǎn)化率達(dá)210 g / L

19、；且較高初始細(xì)胞濃度顯著縮短發(fā)酵周期。Vmldeska等用Candida boidinf進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定木糖初始濃度為50 g / L，當(dāng)初始細(xì)胞濃度由1.3 g / L增到5.1 g / L時(shí)，木糖醇產(chǎn)量翻了兩倍，可見(jiàn)在一定條件下，較高初始細(xì)胞濃度有利于木糖醇產(chǎn)生8。研究還發(fā)現(xiàn)，通常情況下，菌齡只影響木糖醇產(chǎn)生速率和發(fā)酵時(shí)間，而不影響其最終產(chǎn)量。2.5溫度和pH酵母菌轉(zhuǎn)化木糖生成木糖醇最適溫度通常在28 30 左右。較小范圍溫度變化不會(huì)對(duì)木糖醇生成速率造成明顯影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多數(shù)非熱敏型酵母菌，在30 37 范圍內(nèi)隨溫度升高9，木糖醇產(chǎn)量會(huì)隨之升高：但超過(guò)37時(shí)，其產(chǎn)量會(huì)明顯下降。Cand

20、 da sp.B-22生產(chǎn)木糖醇溫度范圍在3540較穩(wěn)定；但當(dāng)溫度在45 或超過(guò)45 時(shí)，木糖醇產(chǎn)量將急劇減少。這可能是隨溫度升高，木糖還原酶依賴NADPH和NADH因子減少原因 。發(fā)酵液pH值對(duì)于酵母菌菌體代謝及產(chǎn)物形成具有重要影響。通常，酵母菌最適pH值為46，但不同種屬也有差別，即使同一種屬菌株生產(chǎn)木糖醇最適pH和生長(zhǎng)最適pH也不盡相同。Fabio等 研究發(fā)現(xiàn)，pH范圍在48時(shí)，Debaryomyceshansenii UFV-170木糖醇產(chǎn)量最大，木糖轉(zhuǎn)化率在0.700.76 g / g，木糖醇產(chǎn)量達(dá)37.5481 g / L；且隨pH增加，生物體異化代謝會(huì)減弱，木糖轉(zhuǎn)化率有所升高。D

21、a Silva等報(bào)道，C tropicalisDSM 7524對(duì)pH并不敏感，在pH 2.5時(shí)木糖醇產(chǎn)量最大；當(dāng)增到4時(shí)，木糖醇生產(chǎn)速率提高，但轉(zhuǎn)化率會(huì)下降。酵母菌正常代謝產(chǎn)生乙酸等酸性物質(zhì)會(huì)造成pH下降，并會(huì)毒害細(xì)胞抑制木糖醇生成，所以采用分批發(fā)酵時(shí)通常要適當(dāng)提高發(fā)酵液初始pH，以減小影響。2.6其它單糖不同單糖對(duì)木糖轉(zhuǎn)化有不同影響通?？衫媚咎墙湍敢材苓x擇性發(fā)酵某些單糖，例如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、纖維二糖、阿拉伯糖和樹(shù)膠醛糖等；研究發(fā)現(xiàn)，后幾種糖在發(fā)酵過(guò)程中對(duì)木糖沒(méi)有明顯抑制作用。但當(dāng)發(fā)酵液中存在葡萄糖、果糖或甘露糖時(shí)，往往出現(xiàn)“二次生長(zhǎng)”現(xiàn)象，即葡萄糖、果糖或甘露糖等速效碳源消耗

22、完，然后才能利用木糖，從而延緩木糖轉(zhuǎn)化。Silva等認(rèn)為，酵母在無(wú)氧代謝時(shí)，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇，該反應(yīng)和木糖還原成木糖醇同是還原反應(yīng)，相互之間會(huì)競(jìng)爭(zhēng)氧化還原電勢(shì)，導(dǎo)致木糖還原酶活性受到抑制10，木糖醇產(chǎn)量降低。然而Walthe等 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，少量葡萄糖可提高木糖醇產(chǎn)量，可能由于葡萄糖可促進(jìn)NADPH產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，上述糖類僅用于細(xì)胞生長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)，在培養(yǎng)基中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些糖相應(yīng)多元醇。2.7金屬離子鉀、鈣、鎂、銅，錳、鈷等都是酵母菌生長(zhǎng)過(guò)程中必需金屬元素，可激活木糖還原酶及其輔酶活性或直接參與生物合成反應(yīng)。Azulna等分別在木糖發(fā)酵液中添加不同無(wú)機(jī)鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4 KC1、NaC1可促進(jìn)木糖

23、轉(zhuǎn)化；但濃度過(guò)高，反而抑制木糖還原酶活力，降低木糖醇生成速率，可能是由于金屬離子過(guò)度激活酶促反應(yīng)，不利于木糖醇積累。Gustavo等研究發(fā)酵木糖醇過(guò)程中鎂離子影響效果，發(fā)現(xiàn)低濃度Mg：有益于木糖醇產(chǎn)生，而高濃度Mg。則有利于乙醇積累，認(rèn)為低濃度Mg 造成氧化磷酸化過(guò)程中碳代謝失衡11，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部NADH增加，促進(jìn)木糖醇酶促合成反應(yīng)。王步江等 在研究不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)Hansenula轉(zhuǎn)化木糖時(shí)影響，發(fā)現(xiàn)添加4 KH2PO4明顯促進(jìn)木糖醇生成，與對(duì)照組0.91 g / Lh相比，速率達(dá)1.40 g / h。2.8發(fā)酵方式發(fā)酵工業(yè)通常采用分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵：和分批補(bǔ)料發(fā)酵三種方式，目前，木糖醇生產(chǎn)

24、研究較多是分批發(fā)酵和分批補(bǔ)料發(fā)酵。分批發(fā)酵特點(diǎn)是：允許初始木糖濃度高、產(chǎn)物濃度高(易于分離)，但產(chǎn)率相對(duì)較低。對(duì)于多數(shù)微生物而言，盡管連續(xù)發(fā)酵被認(rèn)：為是最高效、最高產(chǎn)生產(chǎn)技術(shù)12：但由于該過(guò)程要求發(fā)酵液低稀釋率，在實(shí)際生產(chǎn)中很難滿足。在補(bǔ)料分批發(fā)酵整個(gè)過(guò)程中，木糖濃度始終可維持最佳水平，即：有利于木糖轉(zhuǎn)化又不會(huì)對(duì)酵母產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)高密度細(xì)胞提高體積產(chǎn)率。Vandeska等 研究發(fā)酵方式對(duì)木糖醇產(chǎn)量影響，采用分批補(bǔ)料發(fā)酵取得較好效果，相比較分批發(fā)酵最高理論產(chǎn)量53、生產(chǎn)率0.24 g / Lh，它可達(dá)到75、生產(chǎn)率046 g / Lh，小數(shù)點(diǎn)是前者兩倍。3新技術(shù)在木糖醇發(fā)酵生產(chǎn)中應(yīng)用3.1菌

25、種選育Fabio 采用傳統(tǒng)方法分離得到270株酵母菌株，以木糖作為唯一碳源進(jìn)行產(chǎn)木糖醇菌株選，發(fā)現(xiàn)DebaryomyceshansenfiUFV-170產(chǎn)量最好，24 h生產(chǎn)木糖醇5.84 g / L，產(chǎn)出比是054 g / g。在選育生產(chǎn)木糖醇菌種時(shí)，除采用傳統(tǒng)菌種選育方法外，還利用基因重組技術(shù)構(gòu)建工程菌。Mka等從革蘭氏陽(yáng)性菌分離出木糖醇磷酸脫氫酶基因，并在枯草桿菌中表達(dá)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它將葡萄糖轉(zhuǎn)化為木糖醇能力達(dá)23。Jenu等從P. stipitis和Azotobacter vinelandii中克隆得到木糖還原酶基因XP和轉(zhuǎn)運(yùn)酶基因STH，并將其導(dǎo)入到菌株13Scerevisiae BJ

26、 3505中得到重組株Scerevisiae BJ3505/xR/sTH，然后進(jìn)行木糖發(fā)酵，木糖初始濃度為100 g / L，測(cè)得結(jié)果如下，木糖醇濃度600 g / L，生成速率158 g / Lh。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出發(fā)菌株(7.50 g / L、020 g / Lh)。劉濤等 從瑞氏木霉(Trichoderma reesei)DNA文庫(kù)中分離出木糖醇脫氫酶基因xdhl，以pLJC 19質(zhì)粒為骨架14，反向插人構(gòu)巢曲霉3一磷酸甘油醛脫氫酶基因啟動(dòng)子Pgpd A和構(gòu)巢曲霉仃p C基因轉(zhuǎn)錄終止子T仃p C之間，核對(duì)構(gòu)建出新的表達(dá)載體pGTA-xdh，然后采用共轉(zhuǎn)化法對(duì)Treesei原生質(zhì)體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，篩選到

27、一株具有較高木糖醇積累量陽(yáng)性菌株Rut-LT 15。2 木糖液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)4 d后，測(cè)得木糖醇積累量為2.37 mg / mL，達(dá)到出發(fā)菌株6倍。3.2 固定化技術(shù)固定化技術(shù)應(yīng)用為微生物連續(xù)化發(fā)酵提供理論支持。與游離發(fā)酵相比，固定化處理后細(xì)胞密度高，且發(fā)酵穩(wěn)定性增強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)利用率提高，包括有毒物質(zhì)在內(nèi)轉(zhuǎn)化物可不斷排除，減少對(duì)菌體抑制作用，大大縮短木糖醇生產(chǎn)周期。de Silva等采用多孔玻璃作為載體，將C tropicalis DSM - 7524固定化處理后放在流化床反應(yīng)器中發(fā)酵木糖，生產(chǎn)率達(dá)1.35 g / Lh。陳宏文等首次嘗試用高壓微膠囊成型裝置制備莫格假絲酵母NaCSPDMDAA

28、C微囊體生產(chǎn)木糖醇。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用2 PDMDAAC作為反應(yīng)液，輸液泵推進(jìn)速度50 mm / h，選用7 針頭，粒徑2.0 mLT l微囊得到最大木糖醇濃度27.6 g / L，發(fā)酵時(shí)間從游離培養(yǎng)103 h縮短到75 h15，最大生產(chǎn)能力為037 g / Lh，比游離細(xì)胞提高9.1。Wan Ning等采用0.6 殼聚糖溶液制備直徑為2.5 mm微囊體進(jìn)行發(fā)酵，木糖轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在6070，高于游離細(xì)胞發(fā)酵(4863)；且木糖醇生產(chǎn)過(guò)程近似一直線，發(fā)酵過(guò)程能很容易進(jìn)行控制。Carvalho等 將季也蒙假絲酵母經(jīng)海藻酸鈣包埋后再以濃縮5倍甘蔗渣水解產(chǎn)物為底物、300 r / m，空氣流速1.3 1 /

29、 min，初始細(xì)胞濃度為1.4，pH 6.0，在攪拌式反應(yīng)器中分批發(fā)酵120 h后木糖醇濃度達(dá)47.5 g / L，生物轉(zhuǎn)化率為0.81 g / g。也有嘗試用核磁響應(yīng)進(jìn)行固定化發(fā)酵，但效果并不理想。有關(guān)微生物細(xì)胞固定化方法還有很多，但生產(chǎn)木糖醇研究仍處起步階段，進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)尚不成熟16。3.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法方柏山等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和遺傳算法(GA)對(duì)木糖醇發(fā)酵過(guò)程中許多因素和條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。通過(guò)研究發(fā)酵過(guò)程中操作條件，如底物濃度、產(chǎn)物濃度與菌體濃度等，對(duì)其進(jìn)行估算和預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)。特別是該模型可用于估計(jì)最大產(chǎn)物濃度出現(xiàn)時(shí)間，這對(duì)于發(fā)酵生產(chǎn)具有非常重要指

30、導(dǎo)意義。4前景展望目前全球木糖醇總產(chǎn)量約為6萬(wàn)噸，而年需求量在l0萬(wàn)噸以上。每公斤木糖醇報(bào)價(jià)為30 45元。主要生產(chǎn)國(guó)按產(chǎn)量排位依次有：中國(guó)、芬蘭、俄羅斯、美國(guó)、意大利和日本。我國(guó)木糖醇生產(chǎn)已有40多年歷史，目前主要有浙江華康、山東福田、河北奧翔和河南豫鑫等骨干企業(yè)，截至2003年末，我國(guó)木糖醇總產(chǎn)量已達(dá)2.6萬(wàn)噸，其中8090用于出口。據(jù)中國(guó)海關(guān)2006年末公布統(tǒng)計(jì)數(shù)字，木糖醇已占我國(guó)萬(wàn)噸級(jí)生物產(chǎn)品出口排名第3位，占國(guó)際市場(chǎng)總銷量“半壁江山”。隨著國(guó)內(nèi)銷售量以年約10速度遞增，國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)令人樂(lè)觀。國(guó)際上木糖醇商品化生產(chǎn)幾乎全靠化學(xué)方法，其工藝也相對(duì)成熟。與之相比，木糖醇微生物發(fā)酵法以其條件

31、溫和、操作簡(jiǎn)便、副產(chǎn)物少、環(huán)境污染低等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)；但木糖醇得率、質(zhì)量濃度和生產(chǎn)能力一直是限制大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)“瓶頸”問(wèn)題。目前為止，尚無(wú)大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇報(bào)道，發(fā)酵罐放大技術(shù)仍停留在經(jīng)驗(yàn)和中試階段。木糖主要通過(guò)無(wú)機(jī)酸水解農(nóng)業(yè)廢料來(lái)制取。一般農(nóng)業(yè)植物纖維廢料如玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣、稻殼以及其他禾稈等均是制取木糖的好原料。其中農(nóng)業(yè)植物廢料玉米芯具有來(lái)源廣泛、產(chǎn)量大、易于加工、木糖收率高等特點(diǎn)，是制取木糖的極好原料。目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)木糖工藝都存在著不足。通過(guò)分析木糖醇合成代謝途徑，加強(qiáng)代謝工程菌改造，同時(shí)研究影響木糖醇發(fā)酵生產(chǎn)因素及其相互關(guān)系，最終優(yōu)化發(fā)酵工藝，是提高木糖醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率、

32、進(jìn)而擴(kuò)大生產(chǎn)關(guān)鍵?？深A(yù)見(jiàn)，微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇有著廣闊市場(chǎng)前景和良好社會(huì)效益，最終將會(huì)改變木糖醇生產(chǎn)世界格局。第二部分 課程設(shè)計(jì)部分玉米深加工生產(chǎn)木糖醇的工藝優(yōu)化 木糖醇是一種五碳醇，甜度與蔗糖相當(dāng)，人體的木糖醇代謝無(wú)需胰島素的參與，因此木糖醇可以作為糖尿病人蔗糖的替代劑時(shí)木糖醇具有良好的抗齲齒性能，所以木糖醇在食品， 醫(yī)藥工業(yè)都有特殊的應(yīng)用價(jià)值而倍受人們的關(guān)注。目前工業(yè)上生產(chǎn)木糖醇均采用木糖化學(xué)催化加氫的方法，其設(shè)備和工藝復(fù)雜、成本較高，一定程度上限制了其應(yīng)用。因?yàn)榛瘜W(xué)工藝首先必需從半纖維素水解物中制取純凈的木糖，才能用于加氫還原制備木糖醇。發(fā)酵工藝則無(wú)需純化木糖的步驟，是一條可能有效降低生

33、產(chǎn)成本的工藝路線。但是，半纖維素水解過(guò)程伴隨產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物，包括木糖的降解產(chǎn)物糠醛，半纖維素脫乙?；纱姿?，木質(zhì)素降解生成酚類化合物。這些物質(zhì)都能抑制酵母細(xì)胞生長(zhǎng)， 影響半纖維素水解物的木糖醇發(fā)酵性能。針對(duì)酸水解會(huì)對(duì)酵母生長(zhǎng)和發(fā)酵木糖醇產(chǎn)生抑制的現(xiàn)象，用木聚糖酶系對(duì)玉米芯進(jìn)行水解。本文主要對(duì)酵母細(xì)胞發(fā)酵玉米芯酶水解液生產(chǎn)木糖醇的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。1. 材料1.1 菌種所用酵母為熱帶假絲酵母(Candida tropiocalis)菌株AS2.1776，購(gòu)自中國(guó)微生物菌種保藏中心，接種保存于普通麥芽汁培養(yǎng)基上。1.2 酶木聚糖酶系由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究微生物研究所院提供。1.3 原料玉米芯產(chǎn)自

34、山西，粉碎至1020 目，該原料含半纖維素36%。1. 4 培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基：木糖10 g / L，葡萄糖10 g / L，酵母浸膏10 g / L，MgSO4，0.2 g / L，KH2PO4，5 g/L，木糖醇發(fā)酵培養(yǎng)基：取玉米芯酶水解液(約木糖濃度為40 g / L) 100 mL， 加入酵母0.25 g 膏，蛋白胨0.25 g，KH2PO4 0.5 g， MgSO4 0.05 g，( NH4 )2SO4 40.5 g。將100 mL 的發(fā)酵液裝入250 mL 三角瓶中，121 滅菌15 min。1.1.5實(shí)驗(yàn)器材采用無(wú)框表格超微粉碎機(jī)江陰萬(wàn)通藥化機(jī)械設(shè)備廠壓力水解釜泰安市泰山輕工機(jī)械廠

35、發(fā)酵罐鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)公司中和罐江蘇泰興興達(dá)罐業(yè)有限公司升降膜蒸發(fā)器常州天瑞干燥設(shè)備有限公司脫色罐北京瑞納旭邦科技有限公司電子分析天平上海精科天美科學(xué)儀器有限公司凱氏定氮儀上海沛歐分析儀器有限公司烘箱上海合恒儀器設(shè)備有限公司視差折光檢測(cè)器HITACHI公司離心機(jī)湘潭離心機(jī)有限公司冰箱上?？屏馔锟萍加邢薰?. 實(shí)驗(yàn)方法2.1化學(xué)法2.1.1 提取工藝路線。用玉米芯提取木糖的工藝路線:把粉碎的玉米芯用標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩濾，制成不同粒徑的玉米芯顆粒(粒徑分別為0. 35、0. 83、1. 65 mm)。把玉米芯用去離子水進(jìn)行預(yù)處理，處理完畢進(jìn)行抽濾后干燥； 把一定質(zhì)量的干燥玉米芯放入500

36、ml 的圓底燒瓶中，加入硫酸溶液后進(jìn)行超聲波處理，再經(jīng)高溫水解制得木糖水解液; 水解液經(jīng)中和脫色處理后得到木糖溶液； 然后用DNS 法對(duì)木糖液進(jìn)行分析。2.1.2試驗(yàn)步驟。 選用當(dāng)年無(wú)雜質(zhì)、無(wú)灰塵、無(wú)霉變、水分含量低的干燥玉米芯，用粉碎機(jī)粉碎，篩濾成不同粒徑的玉米芯。 用托盤(pán)天平稱取50 g 玉米芯放入大燒杯中，量取400 mL去離子水，加水浸泡。溫度控制為80 ，預(yù)處理時(shí)間為90 min，在處理過(guò)程中不斷攪拌，以除去灰分、膠質(zhì)等。進(jìn)行抽濾后把玉米芯干燥至恒重，保存?zhèn)溆谩?稱取預(yù)處理的玉米芯25 g，放入500 mL的三頸燒瓶中，再取一定體積的硫酸與玉米芯混合。在室溫下超聲波處理90 min，

37、使酸充分進(jìn)入玉米芯中。 水解超聲波處理后的原料，在102 的條件下加熱回流2.5 h，對(duì)反應(yīng)后的混合物進(jìn)行抽濾得到水解液。 在80 條件下，用配制的比重為1.10 1.16 的碳酸鈣乳狀液為中和劑對(duì)水解液進(jìn)行中和，該試驗(yàn)在中和過(guò)程中用pH計(jì)來(lái)檢測(cè)掌握，直到pH值達(dá)到3.8 4.0 時(shí)，中和液中的硫酸已全部中和掉，此時(shí)中和操作即達(dá)終點(diǎn)。在中和過(guò)程中不斷攪拌，使反應(yīng)充分，最后抽濾得到水解液。 把中和后的水解液進(jìn)行脫色，除掉來(lái)自原料和水解液中的大部分色素和膠狀物，在脫色時(shí)，用活性炭作脫色劑，活性炭質(zhì)量取水解液質(zhì)量的6%，在80 時(shí)攪拌1 h，脫色后的水解液顏色和稠度發(fā)生明顯變化，由黃色稠狀液變?yōu)闊o(wú)色

38、稀薄液體，進(jìn)行抽濾后得到中性木糖溶液。 對(duì)得到的木糖溶液進(jìn)行濃縮去雜處理，使硫酸鈣析出；再進(jìn)行抽濾;把木糖液稀釋至500 mL。 利用DNS 法測(cè)出木糖溶液的吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出木糖液濃度，從而得到木糖質(zhì)量。通過(guò)計(jì)算得出木糖產(chǎn)率。計(jì)算公式為:X = m/M 100% 式中，X 為木糖收率；m 為木糖質(zhì)量；M 為預(yù)處理的玉米芯質(zhì)量。2.2發(fā)酵法制木糖醇2.2.1 玉米芯酶水解液制備玉米芯經(jīng)5% 氨水在60 條件下浸泡12 h，濾去浸泡液，用自來(lái)水反復(fù)沖洗，加水至固液比為110 的比例，于170 下密封蒸煮2 h，過(guò)濾，收集濾液。取玉米芯高溫蒸煮液適量， 在45 下攪拌速度為200 r /

39、min 條件下， 用5 mol / L NaOH 和5mol / L HCl 溶液調(diào)節(jié)維持反應(yīng)液pH 4.0， 加6% 的木聚糖酶， 酶活一般在(154.8 IU / mL)，反應(yīng)8 h，過(guò)濾，得濾液。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上，50條件下，真空濃縮。測(cè)定木糖濃度。2.2.2 培養(yǎng)方法種子培養(yǎng)：取斜面菌種一環(huán)，接入種子培養(yǎng)基中，250 mL 的三角瓶裝液量30 mL， 于30下?lián)u瓶培養(yǎng)1 d， 搖床轉(zhuǎn)速為200 r / min。搖瓶培養(yǎng)：250 mL 搖瓶中加入100 mL 發(fā)酵培養(yǎng)基， 將液體種子以5% 的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基中， 搖瓶轉(zhuǎn)速180 r / min。30下發(fā)酵3 d測(cè)定。時(shí)取樣測(cè)定木糖和木

40、糖醇的濃度。發(fā)酵罐培養(yǎng)；酵母膏5 g/L，蛋白胨5 g/L，玉米芯酸(或酶解液)水解液(約含木糖濃度為40 g / L)2 L、KH2PO4 5 g， MgSO4 0.5 g，(NH4)2SO4 0.5 g。3.5 L 發(fā)酵罐裝液2 L，調(diào)pH 值至6.0。121 滅菌15 min。2.2.3 中和過(guò)濾水解液加入波美度17 度碳酸鈣進(jìn)行中和.具體方法為:將上面水解液加入中和罐中并加溫至7580 ，在此過(guò)程中 ，邊攪拌邊加入波美度17度的 CaCO3 乳液 ，調(diào)控至 pH3. 84. 0 ，為使沉淀充分 ，中和后保溫1 h再過(guò)濾除渣.氫化后糖液含有少量催化劑粉 ，在蒸發(fā)濃縮前先進(jìn)行過(guò)濾.濃縮分兩

41、步 ，第一步 ，真空度 9. 33 104 Pa ，溫度為 50 條件下將糖液濃縮至含木糖醇量為 50 %；第二步 ，采用升降膜蒸發(fā)器 ，將真空度提高到 10. 67 104 Pa ，溫度升到 7075 ，糖液濃縮到含木糖醇 86 % 時(shí)。2.2.4 蒸發(fā)將除渣后的糖液減壓蒸發(fā)，將糖液濃縮為原來(lái)的 1/ 6 倍( 按體積 ) ，并將析出的 CaCl2過(guò)濾排除。2.2.5 脫色濃縮后的漿液色澤較深 ，利用活性炭 ( 用量為糖液的 10% )進(jìn)行脫色處理 ，將糖液加熱到 7580 ，調(diào)控 pH 為 3. 5 左右，邊攪拌邊加入活性炭，過(guò)濾、脫色后糖液透明度(折光度)為 30 %40 %。2.2.6

42、 離子交換為了進(jìn)一步凈化糖液 ，提高產(chǎn)品質(zhì)量 ，需進(jìn)行離子交換 ，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試選用 723 型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂和強(qiáng)堿多孔陰離子樹(shù)脂(陽(yáng)樹(shù)脂 陰樹(shù)脂 陽(yáng)樹(shù)脂 陰樹(shù)脂)配套使用.可使糖液透明度(折光度)達(dá)95% 97% ，使糖液呈無(wú)色透明狀.2.2.7 加氫將糖液升溫加壓，通入 10 %的氫氣催化，使木糖的羰基變成羥基。2.2.8 濃縮、結(jié)晶、分離出料壓入結(jié)晶機(jī)，當(dāng)溫度降至65 左右時(shí)加入晶種，慢慢攪拌結(jié)晶，以每小時(shí)降1 至室溫即可得產(chǎn)品。2.2.9 母液處理母液為結(jié)晶分離成品后的副產(chǎn)品，每1 t 成品可得70 % 濃度的母液 1 t ，母液。2.3 分析方法2.3.1木糖及木糖醇的測(cè)定發(fā)酵終止時(shí)，

43、取樣品離心，用HPLC法分析上清液中木糖及木糖醇含量。檢測(cè)條件為：HITACHI公司 L - 7490視差折光檢測(cè)器：DIKMA公司Inerrtsil NH2色譜柱（4.6150 mm，5m）；柱溫35 ；流動(dòng)相：V（乙腈）：V（水）= 82.5:17.5，流速1.0 mL / min，進(jìn)樣量2.5 L。木糖和木糖醇標(biāo)樣均購(gòu)自Sigma公司。木糖醇轉(zhuǎn)化率為測(cè)得的木糖醇濃度與培養(yǎng)基初始木糖濃度之比。2.3.2菌體干重的測(cè)定取10 mL 發(fā)酵液，2500 r / min 離心10 min，去上清液。剩余菌體用去離子水洗滌，于120 烘箱中干燥24 h， 稱重。3.設(shè)計(jì)3.1 培養(yǎng)條件對(duì)發(fā)酵的影響3

44、.1.1 種子齡的影響為了找到合適的種子齡，本實(shí)驗(yàn)取了20 h、22 h、24 h、30 h 分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 發(fā)酵液的初糖濃度為9.53 g / L，3.1.2 接種量的影響接種量必須適中， 因?yàn)榻臃N量過(guò)小， 會(huì)使發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)， 木糖醇的得率下降; 而接種量過(guò)大也會(huì)由于在發(fā)酵初期消耗過(guò)多的底物和其他營(yíng)養(yǎng)成分而不利與木糖醇的積累。為了找到最適的接種量， 取培養(yǎng)了20 h 的液體種子5 mL、7.5 mL、10 mL 接入裝有100 mL 玉米芯水解液的發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL 三角瓶。發(fā)酵液的初糖濃度為38.5 g / L，3.1.3 初糖濃度的影響初糖濃度對(duì)發(fā)酵也有很大的影響，初糖濃度大時(shí)

45、用于菌體生長(zhǎng)的糖比例相對(duì)較小，有利于木糖醇的生產(chǎn)，但糖濃度過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致底物抑制。實(shí)驗(yàn)中取40、60、80 g / L 的初始糖液，接入5% 的液體種子，初始pH 值為5.5， 裝液量為100 mL，轉(zhuǎn)速為200 r / min，發(fā)酵時(shí)間為3 d。3.1.4裝液量的影響實(shí)驗(yàn)中采用，在250 mL 的三角瓶中50mL、75mL、100 mL 的不同裝液量進(jìn)行發(fā)酵，搖床轉(zhuǎn)速為180 r / min，pH 值5.5，發(fā)酵液的初糖濃度為38.68 g / L， 發(fā)酵時(shí)間2 d。3.1.5 氮源濃度的影響為了確定比較理想的氮源濃度，在100 mL的水解液中分別加入2.5mL、5.0mL、7.5 mL 含有

46、50g / L 酵母浸膏和50 g / L 蛋白胨的氮源進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵液初始糖濃度為37.98 g / L。3.1.6 初始 pH 值的影響在保持其他條件不變的前提下，取初始pH值4.0、5.0、6.0，進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵液初始糖濃度為38.78 g / L。3.1.7 溫度對(duì)玉米芯水解液發(fā)酵的影響在其他條件固定的前提下，采用不同的溫度條件，取溫度為28、30、32 恒溫發(fā)酵。發(fā)酵液的初始糖濃度為38.21 g/L。3.1.8正交實(shí)驗(yàn)根據(jù)以上七個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)，我們能確定并選擇出合適的假絲酵母發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇的工藝參數(shù)范圍。為確定木糖醇生產(chǎn)工藝中各個(gè)參數(shù)的效應(yīng)和交互作用，選擇出最優(yōu)水平組合，我們以木

47、糖及木糖醇的含量以及菌體干重做為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇采用正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，優(yōu)化深加工玉米生產(chǎn)木糖醇的工藝參數(shù)，確定影響木糖醇生產(chǎn)效果的各因素的主次順序，得出最佳的因素水平組合。表1 因素與水平設(shè)計(jì)正交表因子ABCDEFG水平種齡(h)接種量(mL)初糖濃度(g/L)裝液量(mL)氮濃度（g/L）pH溫度（）120540502.54.0282227.560755.05.03032410801007.56.032表格5號(hào)字正交實(shí)驗(yàn)的測(cè)定可幫助我們找出深加工玉米制木糖醇的有關(guān)七個(gè)變量(種齡、上接種量、初糖濃度、裝液量、氮濃度、pH、溫度)的最佳條件，得出木糖醇生產(chǎn)的優(yōu)化參數(shù)，以及各因素對(duì)木糖醇生產(chǎn)量所起

48、作用的重要程度。4.分析與總結(jié)4.1分析展望目前全球木糖醇總產(chǎn)量約為6萬(wàn)噸，而年需求量在l0萬(wàn)噸以上。每公斤木糖醇報(bào)價(jià)為3045元。主要生產(chǎn)國(guó)按產(chǎn)量排位依次有：中國(guó)、芬蘭、俄羅斯、美國(guó)、意大利和日本。我國(guó)木糖醇生產(chǎn)已有40多年歷史，目前主要有浙江華康、山東福田、河北奧翔和河南豫鑫等骨干企業(yè)，截至2003年末，我國(guó)木糖醇總產(chǎn)量已達(dá)26萬(wàn)噸，其中8090 用于出口。據(jù)中國(guó)海關(guān)2006年末公布統(tǒng)計(jì)數(shù)字，木糖醇已占我國(guó)萬(wàn)噸級(jí)生物產(chǎn)品出口排名第3位，占國(guó)際市場(chǎng)總銷量“半壁江山”。隨著國(guó)內(nèi)銷售量以年約10 速度遞增，國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)令人樂(lè)觀。國(guó)際上木糖醇商品化生產(chǎn)幾乎全靠化學(xué)方法，其工藝也相對(duì)成熟。與之相比，

49、木糖醇微生物發(fā)酵法以其條件溫和、操作簡(jiǎn)便、副產(chǎn)物少、環(huán)境污染低等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)；但木糖醇得率、質(zhì)量濃度和生產(chǎn)能力一直是限制大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)“瓶頸”問(wèn)題。目前為止，尚無(wú)大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇報(bào)道，發(fā)酵罐放大技術(shù)仍停留在經(jīng)驗(yàn)和中試階段。通過(guò)分析木糖醇合成代謝途徑，加強(qiáng)代謝工程菌改造，同時(shí)研究影響木糖醇發(fā)酵生產(chǎn)因素及其相互關(guān)系，最終優(yōu)化發(fā)酵工藝，是提高木糖醇產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率、進(jìn)而擴(kuò)大生產(chǎn)關(guān)鍵?？深A(yù)見(jiàn)，微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇有著廣闊市場(chǎng)前景和良好社會(huì)效益，最終將會(huì)改變木糖醇生產(chǎn)世界格局。木糖醇屬于低熱量多元醇，無(wú)細(xì)胞毒性，可透過(guò)細(xì)胞膜供給組織利用。在機(jī)體代謝過(guò)程中不需胰島素參與，反而可促進(jìn)少量胰島素分泌，促進(jìn)

50、葡萄糖向肝糖原轉(zhuǎn)化，降低轉(zhuǎn)氨酶水平，是輔助治療糖尿病和肝病良好營(yíng)養(yǎng)劑。其作為食品工業(yè)重要甜味劑之一，常溫下其甜度與蔗糖相當(dāng)，且具有較大溶解熱，口感清涼，廣泛用于糖果、飲料和糕點(diǎn)等生產(chǎn)。作為微生物不良培養(yǎng)基，具有良好防齲齒功效；因本身不含羰基，具有較強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性，可有效延長(zhǎng)食品保鮮期；具有一定吸濕性，可用于煙草調(diào)香和保濕，及作香精緩釋劑；可合成重要非離子表面活性劑，如木糖醇硬脂酸酯、XO - 80等，還常常用作塑化劑、熱載體和防凍液。此外，木糖醇還用于皮革加脂、蓄電池電極板浸漬等?？傊?，木糖醇在醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域具有極其重要應(yīng)用價(jià)值 。木糖作為一種無(wú)熱量糖，是所有食用糖中生理活性比較好的品種

51、。它在不增加血糖值、增值雙歧桿菌作用方面都顯示了比其他糖醇的優(yōu)越性。此外，還具有減少體內(nèi)游離脂肪酸，調(diào)整脂類代謝的作用，有利于控制體重，防止肥胖癥。它除了用于制備木糖醇及飼料酵母外，還廣泛用于化工、醫(yī)藥、染料等工業(yè)部門(mén)。木糖在國(guó)外從20 世紀(jì)90 年代起已得到廣泛應(yīng)用，但世界上生產(chǎn)木糖的國(guó)家主要是少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，且產(chǎn)品價(jià)格較高，主要銷往一些發(fā)達(dá)國(guó)家。木糖主要通過(guò)無(wú)機(jī)酸水解農(nóng)業(yè)廢料來(lái)制取。一般農(nóng)業(yè)植物纖維廢料如玉米芯、棉籽殼、甘蔗渣、稻殼以及其他禾稈等均是制取木糖的好原料。其中農(nóng)業(yè)植物廢料玉米芯具有來(lái)源廣泛、產(chǎn)量大、易于加工、木糖收率高等特點(diǎn)，是制取木糖的極好原料6。目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)木糖

52、工藝都存在著不足木糖醇生產(chǎn)主要有直接萃取、化學(xué)合成和生物轉(zhuǎn)化等三種方法。由于天然果蔬中木糖醇含量極低，直接萃取木糖醇成本昂貴，目前，商品木糖醇生產(chǎn)主要采用化學(xué)加氫法。該技術(shù)頗為成熟，但由于工藝復(fù)雜、耗能高、收率低(木糖轉(zhuǎn)化率在5060)、污染環(huán)境等因素限制木糖醇工業(yè)化生產(chǎn)。若通過(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇可避免劇烈化學(xué)反應(yīng)，也不需高壓耐腐蝕設(shè)備，易于分離純化，降低生產(chǎn)成本，其過(guò)程產(chǎn)生良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因而受到廣泛關(guān)注。4.2總結(jié)體會(huì)有關(guān)木糖醇生產(chǎn)工藝優(yōu)化的課程設(shè)計(jì)此次是第一次做，但是很早之前就對(duì)該方面內(nèi)容的研究有濃厚的興趣，因?yàn)樵诠に囌n中我們學(xué)到生產(chǎn)工藝優(yōu)化的過(guò)程是生物產(chǎn)品生產(chǎn)中資金投入占比重很大的部分。工藝的好壞優(yōu)劣直接決定了產(chǎn)物的收率和純度，因此也直接決定了生產(chǎn)的效率。木糖醇具有很高的藥用價(jià)值。包括輔助治療糖尿病