玉米秸秆水解产物对L-乳酸发酵的影响

论文摘要

目前L-乳酸生产大多使用糖质和淀粉质为原料，与其相比，以农作物秸秆为代表的木质纤维素类生物质具有廉价，来源丰富的特点，是未来L-乳酸产业规模化发展公认的原料来源。但在秸秆水解过程中，伴随半纤维素被水解的同时，也产生了一些副产物，可能会抑制菌体生长及乳酸生成。国外学者对木质纤维素水解液中存在的抑制因子的种类进行了比较系统的研究，并考查了它们对某些酵母菌株菌体生长及乙醇发酵的影响。目前，国内相关的研究大多局限于工艺的探讨，对副产物的抑制作用的研究还鲜见报道，且不同的微生物菌种对各种抑制物质的耐受程度差异很大。在此基础上，本文考查了抑制因子对米根霉菌体生长及L-乳酸发酵的影响。本文利用米根霉（AS3.819）发酵玉米秸秆水解液，制取L-乳酸。根据玉米秸秆水解液中副产物的成分及其浓度，选择了三种副产物即乙酸、香草醛和糠醛，并研究了各种副产物单独作用对米根霉AS3.819发酵L-乳酸的影响以及秸秆水解液中多种副产物的共同作用对发酵的影响，并以无副产物存在的含盐葡萄糖培养基的发酵情况作为对照。结果表明，三种副产物对菌体生长及L-乳酸生成的影响各不相同。乙酸的抑制作用随其浓度的增加而增强，当含量为3g/L时，即明显抑制了葡萄糖的消耗、菌体生长及L-乳酸的生成；香草醛在较低浓度（0.2g/L）就呈现对菌体生长的抑制，含量小于0.5g/L时，可促进葡萄糖消耗，达到0.8g/L时，葡萄糖消耗量和L-乳酸产量明显降低；糠醛浓度在0.2～0.8g/L时，促进葡萄糖消耗，菌体生长滞后期延长，L-乳酸产量降低，当达到1g/L时，则完全抑制了菌体生长和L-乳酸生成。由此可见，对于目标产物L-乳酸来说，香草醛和糠醛是很强的抑制因子；米根霉AS3.819对乙酸的耐受性相对较强，其次是糠醛，对酚类化合物香草醛耐受性较差。实验中采用玉米秸秆水解液原液及其浓缩液作为发酵底物，对比其发酵结果。实验发现，副产物以不同浓度共同存在时对发酵的影响很大，其中经高温热水预处理后不溶性固体洗涤至中性再酶解得到的水解液（水解液2）发酵L-乳酸的效果比较好，其他组实验则明显抑制了葡萄糖消耗和L-乳酸生成。从而得到各种副产物以不同浓度共同存在对米根霉发酵L-乳酸的影响有较大不同。副产物的共同作用对发酵影响很大，且原因很复杂，水解液中还可能存在未知的对发酵有较大影响的副产物，需要进一步的研究和分析。本论文所取得的研究进展有助于深入了解玉米秸秆水解副产物对米根霉菌体生长和L-乳酸发酵的抑制现象，为开发适宜的消除抑制的策略提供了依据，为进一步提高利用玉米秸秆原材料发酵产L-乳酸的生产效率及生产菌种的改造提供一定的理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 L-乳酸简介
• 1.2 L-乳酸行业的发展
• 1.2.1 国内外研究概况
• 1.2.2 L-乳酸行业的发展及展望
• 1.3 利用农业废弃物发酵制 L-乳酸的研究
• 1.3.1 植物纤维资源概述
• 1.3.2 植物纤维原料的预处理
• 1.3.3 植物纤维水解为糖的过程——水解糖化
• 1.3.4 将水解糖液转化为 L-乳酸——L-乳酸的发酵
• 1.4 米根霉发酵乳酸的生化反应机理
• 1.4.1 米根霉
• 1.4.2 发酵原理
• 1.5 水解副产物的形成
• 1.6 课题组前期研究基础及本文实验的思路和方法
• 第二章 实验材料和方法
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 仪器
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 菌种
• 2.2.3 培养基
• 2.2.3.1 固体培养基
• 2.2.3.2 液体种子培养基
• 2.2.3.3 发酵培养基
• 2.2.4 米根霉的培养
• 2.2.4.1 孢子悬液的制备
• 2.2.4.2 液体种子增殖培养
• 2.2.4.3 摇瓶游离发酵培养
• 2.2.5 生长情况的测定
• 2.2.6 玉米秸秆高温热水预处理
• 2.2.7 水解液的制备
• 2.2.8 L-乳酸发酵对比实验
• 2.3 发酵液的分析
• 2.3.1 孢子浓度的测定
• 2.3.2 葡萄糖及 L-乳酸的测定
• 2.3.3 生物量的测定
• 2.4 原料成分的分析
• 2.4.1 苯醇抽出物含量的测定
• 2.4.2 葡萄糖和葡聚糖含量的测定
• 2.4.3 戊聚糖含量的测定
• 2.4.4 糠醛和羟甲基糠醛含量的测定
• 2.4.5 酸不溶木素和酸溶木素含量的测定
• 2.4.6 灰分的测定
• 2.4.7 水分含量的测定
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 各种副产物对米根霉发酵 L-乳酸的影响
• 3.1.1 乙酸对米根霉 AS3.819 发酵的影响
• 3.1.2 香草醛对米根霉 AS3.819 发酵的影响
• 3.1.3 糠醛对米根霉 AS3.819 发酵的影响
• 3.2 米根霉发酵玉米秸秆水解液
• 3.2.1 水解液原液发酵对比实验
• 3.2.2 浓缩水解液发酵对比实验
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 科研成果