树脂吸附分离耦合固定化短乳杆菌生产GABA的研究

论文摘要

γ-氨基丁酸（GABA）是哺乳动物中枢神经系统重要的抑制性神经递质,具有镇静安神、促进睡眠、增强记忆力、治疗癲痫、降低血压、控制哮喘、调节激素分泌、促进生殖、肾肝功能活化等多种生理活性。利用食品安全级微生物乳酸菌发酵生产GABA已成为近年来的研究热点,但细胞固定化技术在这一方面的应用很少。本文系统地研究了采用纤维素硫酸钠（NaCS）-聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）微胶囊包埋短乳杆菌hjxj-01（Lactobacillus brevis hjxj-01）转化L-谷氨酸钠（L-MSG）生产GABA的过程,并探索了采用树脂吸附的原位分离技术与发酵相耦合生产GABA的新工艺,旨在提高发酵液中GABA的浓度、转化率及生产速率,降低产物对反应的抑制作用,简化产物的后续分离步骤,实现菌体的重复利用和连续化生产。对短乳杆菌hjxj-01进行了游离培养,考察了pH值、底物浓度、葡萄糖浓度、温度等因素对发酵的影响,确定了最优发酵参数:培养温度30℃,发酵液pH恒定在4.0,底物L-MSG 73.3g/L,葡萄糖浓度20g/L,静置培养5d。在此条件下,短乳杆菌浓度最高达到2.48g/L,发酵50h葡萄糖基本耗尽,此后GABA被大量合成。GABA最高产量达到41.3g/L。研究了用于包埋短乳杆菌hjxj-01的NaCS-PDMDAAC微胶囊的制备条件及其性能。制备得到的NaCS-PDMDAAC微胶囊为微白色半透明球体,平均直径2.82mm,机械强度良好,经过多批培养,胶囊仍保持完整。NaCS-PDMDAAC微胶囊与短乳杆菌hjxj-01有很好的生物相容性,L-MSG和葡萄糖等营养物质都可以顺利的从溶液中扩散进入NaCS-PDMDAAAC微胶囊。在摇瓶中进行了短乳杆菌微囊化培养,确定了合适的发酵条件,并考察了微囊化培养对菌体生长、底物消耗及产物生成的影响。结果发现,与游离培养相比,微囊化培养促进了短乳杆菌对底物L-MSG和葡萄糖的利用速率,从而提高了囊内短乳杆菌浓度及GABA的产量。微胶囊内短乳杆菌最高浓度达到21.9g/L,约为游离培养菌体浓度最大值的8倍;GABA最高产量达到50.1g/L。微囊化短乳杆菌具有良好的重复利用性,发酵进行10批后对底物的转化率仍在60%以上。以生物反应与分离耦合的集成化思路为指导,通过采用D001大孔强酸性阳离子交换树脂从反应体系中交换分离GABA,建立了原位分离技术耦合固定化短乳杆菌催化合成GABA的新方法。D001树脂对GABA有很高的静态交换容量,约为1.43mmol/g resin。在反应体系中原位添加10%（w/v）的D001树脂4h左右,底物L-MSG转化率达到100%,与之相比不添加树脂组5h时的转化率为81.4%,原位添加树脂的固定化细胞转化制备GABA不仅加快了底物的转化,还简化了GABA后续分离过程中的絮凝、脱色步骤。以氨水（2mol/L）对树脂进行静态解吸,产物GABA得到了初步的分离,回收率达到了93%。

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摘要

Abstract

第一章文献综述

1.1 γ-氨基丁酸的研究概述

1.1.1 γ-氨基丁酸的结构和性质

1.1.2 γ-氨基丁酸的生理性质

1.1.3 γ-氨基丁酸的应用

1.1.4 γ-氨基丁酸的制备方法研究进展

1.2 固定化细胞

1.2.1 固定化技术的概念

1.2.2 细胞固定化技术概述

1.2.3 细胞固定化的主要方法

1.2.4 生物微胶囊技术

1.3 生物反应与分离耦合过程

1.3.1 树脂吸附技术在生物反应与分离耦合过程中的应用

1.4 本文的研究思路和目标

第二章游离培养短乳杆菌发酵制备GABA的研究

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 仪器与试剂

2.2.2 菌株

2.2.3 培养基和培养方法

2.2.4 分析方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 发酵液pH对游离培养短乳杆菌发酵制备GABA的影响

2.3.2 L-MSG浓度对游离培养短乳杆菌发酵制备GABA的影响

2.3.3 葡萄糖浓度对游离培养短乳杆菌发酵制备GABA的影响

2.3.4 温度对游离培养短乳杆菌发酵制备GABA的影响

2.4 本章小结

第三章 NaCS-PDMDAAC微胶囊的制备及其性能

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 仪器与试剂

3.2.2 菌株

3.2.3 培养基和培养方法

3.2.4 NaCS-PDMDAC微胶囊的制备

3.2.5 细胞的微囊化包埋和培养

3.2.6 分析方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 NaCS-PDMDAAC微胶囊的外观特征

3.3.2 NaCS-PDMDAC微胶囊的扩散性能

3.3.3 NaCS-PDMDAC微胶囊与短乳杆菌的生物相容性

3.3.4 NaCS-PDMDAC微胶囊的稳定性

3.4 本章小结

第四章 NaCS-PDMDAAC微胶囊固定化短乳杆菌发酵制备GABA的研究

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 仪器与试剂

4.2.2 菌株

4.2.3 培养基和培养方法

4.2.4 细胞固定化方法和培养条件

4.2.5 分析方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 pH对微囊化短乳杆菌发酵制备GABA的影响

4.3.2 L-MSG浓度对微囊化短乳杆菌发酵制备GABA的影响

4.3.3 葡萄糖浓度对微囊化短乳杆菌发酵制备GABA的影响

4.3.4 微囊化短乳杆菌的多批次培养

4.4 本章小结

第五章树脂吸附分离原位耦合固定化短乳杆菌发酵制备GABA

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 仪器与试剂

5.2.2 菌株

5.2.3 培养基和培养方法

5.2.4 细胞固定化方法

5.2.5 树脂的预处理和再生

5.2.6 树脂静态交换洗脱方法

5.2.7 树脂吸附分离原位耦合固定化短乳杆菌发酵制备GABA

5.2.8 分析方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 产物浓度对固定化细胞合成γ-氨基丁酸的影响

5.3.2 D001树脂静态吸附洗脱性能考察

5.3.3 pH值对D001树脂交换容量的影响

5.3.4 D001树脂吸附等温线

5.3.5 树脂吸附分离原位耦合固定化短乳杆菌发酵制备GABA

5.3.6 D001树脂重复利用性能考察

5.4 本章小结

第六章结论与建议

6.1 结论

6.2 本论文创新之处

6.3 建议

参考文献

作者简历

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