全 文 ：H州．20【)3
·26·
生物加工过程
竺兰竺!竺竺型!竺!竺竺!竺笪!!竺竺一
第l卷第2期
2003年】1月
一株乳杆菌对蒸汽爆破处理纤维物料的乳酸发酵研究
陈育如1，夏黎明2，岑沛霖2
(1．南京师范大学 生命科学学院，南京210097；2．浙江大学生物化工研究所，杭州 3l(x)27)
摘要：用筛选得到的一株乳酸杆茵Z刑．1(血咖6删m妒)对蒸汽爆破预处理纤维物料的乳酸发酵进行了研究，
结果表明该菌株能对蒸汽爆破处理的纤堆物料酶解液进行乳酸发酵，在还原糖质量浓度为52l n训“．时，乳酸量
为421 rr—m1。：与纤雏素酶的酶解过程相耦合，对蒸汽爆破处理的物料进行同时糖化乳酸发酵。其发酵周期比分
步糖化发酵的过程用期短，在底物质量分数为踟州rIlL，接种量为10％，温度为45℃时，乳酸量为45．3n叫n】L。
关键词：纤维素；乳杆菌；蒸汽爆破处理；乳酸发酵
中国分类号：刚3528 文献标识码：A 文章编号：1672～3678(砌)02一∞26一04
Stumedonhcticaddfe瑚enta伽nwithastraill融c胁蚰c撕s印
usiIlgs咖explosi帅pretr嗡hn蛐tUg舯ceuldose瑚tenal
cHENGYu—nJl，xIAIj—IIlill乎，cENPei-1if
(1．Cou89eofLi睡SclerIce，NanJl”gNonnalUnivd隋时，Na叫ing210009，china；
2I味itute0fBioche珊cdE幛ne商Il{；，zhejia|lguIive商U，Hm惮hou310027，Chim)
Ah；h伽t：Arlewstmin0fk幻fMw埘l“刁U—1wascreened，Whenthestminwasappliedtothe Ilzymatic
hydmlyzate0fnlelignocellulosic咖tedal，whichwaspre味咀tedby8t朗meⅪ)losion，t11e1actjca jdconcenf豫一
tionreached北．1rn∥瑚Lfmm仆地hydmlyzatecont inillg52．1rn∥r【lL0fIrIixedr ducedsugars．1k＆槲oh—
ci肛“s．玎E正18L曙injssujtabIeint|】屺simultalleoussaocha一矗cationndlacljca idIb爪-entationDrocess．艋er
pretreannent0fs㈣既pl惦ive，dlecomcobwasdirect王yusedasrawma湎aIf打ssFpHmessin hone7pe“一
0d．In出ec衄dition：45℃，inoculationnumber10％，吐lelactica idconcemmtionwas453mg／m1。h硼l80
n1∥IIlL0fconlcob，in山essFproce88．
Keywords：bgnocellulose；k向幻“n脚印；蚰锄expl∞ionp嘶mah¨ nt；1acticac dfem地Iltation
植物纤维原料的生物转化，周内外研究得较多
的是以乙醇或单细胞蛋白为目标产物，但糖对乙醇
和单细胞蛋白的转化率较低，产品的附加值不
高“121，而以乳酸为目标产物在转化率及产品价格方
面均高于乙醇，另外聚乳酸(舯lYktide简称PLA)还
是最具前景的可生物降解塑料之一，具有生物相容
性好、毒性低等突出的优点”。41，乳酸生产成本的降
低将有利寸：聚乳酸的推广”1。本工作对一株乳酸杆
菌刁u-l(如∞6m柳W印．)以蒸汽爆破处理纤维物
料为原料的乳酸发酵进行了研究。
1菌种与材料
1．1乳酸发酵菌种
乳杆菌习u—l(￡w幻‰珊w印．)，浙江大学生物
化工研究所保藏。斜面培养基为：葡萄糖5％，酵母
收稿日期：2003—畦09
基金项目：国荦自然斟学基金(29盯6036)和省高较指导性计划(Bll4)与产业发展项目(02082)资助
作者简介：陈育如(1965-)，男，江西人．工学博士，副教授，在南京师范大学从事生物化工和应用微生物研究。
万方数据
2003年l】月 陈育如等：一株乳杆菌对蒸汽爆破处理纤维物料的乳酸发酵研究 ‘27
膏l％，碳酸钙l％，琼脂2％。
发酵培养基中，葡萄糖量随实验需要而定，其他
成份为蛋白胨o．5％，酵母膏0．5％，无水硫酸镁
o．05％，氯化钠O．01％，磷酸二氢钾0．05％，碳酸
钙另行灭菌。
1．2材料
玉米棒芯(江苏产)经植物纤维素蒸汽爆破处理
机在一定的渝度和压力下用饱和蒸汽处理3～5
min，处理后的物料干燥备用。
纤维素酶曲，由里氏木霉(丹融，。o出mmr㈣“)固
体发酵得到(自制)。
2仪器与设备
植物纤维素蒸汽爆破处理机(中试设备，自制)。
高压液相色谱仪(walers公司)。
3分析与实验方法
3．1测定方法
还原糖和单糖分析，分别用3，5．二硝基水杨酸
比色法和用HPLc分析，分离柱为shod“packed
colIulmfor}iP【￡(shoko．co．Lld)糖柱”1。
乳酸含量测定采用EDTA定钙法和HPI．c分
析‘⋯。
3．2实验方法
酶解液制备：称取100g处理物料加入Ⅲ()s姗
发酵罐(德国BIoS姗公司，2L)中，加入9∞mL
pH4．8，浓度为0．05rml／IJ的柠檬酸．柠檬酸钠缓冲
液。灭菌后，按每克底物10—15冲A(滤纸酶活)单位
加入纤维素酶曲，于50℃缓慢搅拌酶解48h，抽滤得
酶解液，加人发酵所需的营养物，灭菌后备用。
4结果和讨论
4．1乳杆菌(血cm6∞Ⅲm∞．)对不同质量浓度葡
萄糖的发酵
由图1可知，该乳杆菌较适宜的糖质量分数
10％左右(此时糖对乳酸的转化率为86．3％)，如糖
质量分数低，消耗于菌体自身生长的碳源相对于总
糖量较多，且产物质量分数低；糖质量分数过高，虽
然乳酸质量分数增加，但糖对乳酸的转化率反而降
低(77．0％)。
。厂]
l du【’(me5％；2．gl唧g，13％；3．西l"ose15％；4ghlc08e8％
a】】aerobcfemIenIation9lh
图l葡萄糖质量浓度对发酵的影响
Flg1 cl㈣cor啪n缸6加e舱ctonfenllencalion
4．2不同碳源发酵的影响
困为纤维物料酶解液中，存在葡萄糖、木糖等多
种碳源，酶解过程中还产生纤维二糖，如果发酵所
用菌株能对尽可能多的糖类进行发酵，不但可以充
分利用原料而H可以提高产物的浓度，因此实验用
乳杆菌对葡萄糖、木糖、纤维二糖和乳糖四种碳源
(50n剥nlL)进行r发酵比较，由图2可知，试验所用
的4种碳源中以葡萄糖最适合该乳酸菌发酵，乳酸
产量最高(42．4m“n1L)，乳酸转化率84-8％，而以木
糖为碳源的乳酸产量最低。
碱源
1．ceuubiose；2l明tose；3xylose；4du∞se
围2碳源对乳杆菌发酵的影响(65h)
啦2 Cadm㈣wes胡jcton妣6wdkpkmentmion
(65h)
4．3接种温度与发酵温度的选择
由图3可知，该株乳杆菌在45℃下发酵的乳酸
浓度比在40℃下发酵为高，但在45℃的条件下，菌
体的增殖速度及菌种活力低于40℃的条件。所以
后续实验先将菌种在40‘c条件下培养增殖，之后再
万方数据
生物加工过程 第l卷第2期
将发酵温度升至45℃，这样可兼顾菌株活力和乳酸
发酵浓度，以下对乳杆菌在不同温度下的乳酸发酵
动力学进行了探讨。
图3不同温度对发酵的影响
F193 Ter。q煳碰L聃e6b眦on硒ln锄眦ion
4．4温度对乳杆菌发酵的影响
图4是该乳酸菌在不同温度下的产酸速率。乳
酸菌发酵糖为乳酸是依靠乳酸菌中各种酶在适当温
度下起作用的结果，温度对酶的作用将影响发酵过
程中乳酸的产量。酶的失活分可逆失活、不可逆失
活或两者兼而有之。发酵动力学及相关酶活性的分
析有利于丁解发酵过程的内在本质，温度对酶失活
的影响，一般用可逆热失活模型描述”18J。
圈4温度对乳杆菌z『u。1发酵的彩响
ng4 TempemturedjcI。nfenneⅡt鲥0n。fZ 呦k舭印．
(‘elp∞眦r蹦v础锵一c出cd出v越ue，5％d岫龇，唧幽c
cLdtI脾．60h)
在发酵体系中，其中的总酶量(E。)可以有活性
酶(如)和非活性酶(历)两种形式存在，两者之间存
在动态平衡：砀；—=日平衡常数为：
爰瑙=唧(≤笋)=唧(二等)唧(警)
式(1)中，△q，帆，△&分别是酶失活的自由
能、焓与熵的变化。
体系中总酶量(如)为活性酶(E)和非活性酶
(E．)之和，即：
E+E．=E。 (2)
由式(1)，(2)可得
，一土
“一l+％
(3)
根据过渡状态理论，当底物浓度足够高时，最大
反应速度：
u一=E。k(r) (4)
上式中：^(r)=a{掣)e峨”e“”(5)
、n，
式(5)中的A。和^分别为波尔兹曼(Bolt豇Imn)和普
郎克(P】且nck)常数，n是比例常数，将式(1)，(3)代人
(4)，可得：
Be—E⋯ 一”⋯2订7面F可丽 LoJ
式中且是包括n，k，^，E和“p(△sd，尺)在内
的比例因子。
用图4中的实验数据对式(6)中的各参数进行
拟合，得到的参数值为：
曰=1×l—h～·K_1 E=3，780kJ，rml
删d=130丝kJ·肼l·K。1△Sd=312．36Ⅻ㈨l
将得到的参数代人式(6)，计算温度与产酸速率
的关系，计算值与实验值同时绘于图4，两者符合较
好，数据结果也印证了43中温度的选择。
4．5对蒸汽爆破物料的分步糖化发酵
用乳杆菌日u．1(k脚捌口w即．)对蒸汽爆破
物料的酶水解液(酶解时间48h，总还原糖质量浓度
52．1m∥r11I。)进行乳酸发酵，结果见图5所示，从图
中可见，在发酵90h后，乳酸量为42．1w／lIlL，糖对
乳酸转化率为80．8％。
4．6对蒸汽爆破处理物料的同时糖化发酵(SsF)
接人乳杆菌的菌株之前先于50℃，pH4．8的条
件下用纤维素酶(15u，g)预先酶解12h，然后降温
至45℃，接入乳杆菌(接种量10％)进行同时糖化
发酵。发酵结束时，乳酸量为45．3w，nd。。
由图6可知，对经蒸汽爆破预处理物料的预酶
解(底物浓度为8％质量分数)12h之后，再进行同
8_×暑．J≤、串蝴础L
万方数据
万方数据