A brief dataset on the model-based evaluation of the growth performance of Bacillus coagulans and l-lactic acid production in a lignin-supplemented medium
基于模型评估木质素添加培养基中凝结芽孢杆菌生长性能与L-乳酸产量的数据集简报
来源：Data in Brief, Volume 11, 2017, Pages 236-244, doi:10.1016/j.dib.2017.02.010
《数据简报》，第11卷，2017年，第236至244页，doi：10.1016/j.dib.2017.02.010
摘要
本文为配套数据集简报，依托相关主研究，系统展示了三株凝结芽孢杆菌在含木质素培养基中的培养相关数据。研究以木质纤维素来源的葡萄糖、木糖、阿拉伯糖为混合碳源，开展共发酵实验，借助高通量光密度筛选、液相色谱、紫外分光光度法等手段获取数据，结合逻辑增长模型、莫诺动力学模型完成参数拟合与模拟分析。同时检测了菌体对碱木质、阿魏酸、香草醛的脱色与利用能力，数据集包含菌株生长动力学参数、发酵过程物质变化、模型拟合结果及光谱数据等，可用于发酵工艺建模、高通量筛选方法的参照与拓展研究。
关键词
凝结芽孢杆菌；L-乳酸；木质素；木质纤维素糖；共发酵；生长模型；莫诺动力学；光密度筛选；紫外检测；发酵参数
研究目的
整理汇总三株凝结芽孢杆菌在添加木质素培养基中的发酵、生长相关实测数据集；依托高通量光密度检测获取菌株生长动力学参数，完成生长模型拟合；分析菌株对木质纤维素糖类的共发酵能力以及对木质素类物质的降解脱色效果；验证逻辑模型、莫诺动力学模型在该发酵体系中的适用性，为同类菌株筛选、发酵建模提供标准参考数据。
研究思路
首先设置不同浓度碱木质素以及葡萄糖、木糖、阿拉伯糖组合的培养基，采用芬兰Bioscreen C设备开展高通量光密度筛选，测定菌株生长特征并提取动力学参数；其次进行实验室规模发酵实验，利用高效液相色谱检测菌体生物量、各类糖类、L-乳酸含量，统计发酵产率、周期等指标；然后通过紫外分光光度法检测体系吸光度变化，分析菌株对木质素、阿魏酸、香草醛的脱色降解能力；接着运用MATLAB结合遗传算法，将实测数据与逻辑模型、莫诺动力学模型进行拟合，评估模型预测精度；最后整合全部实测数据、模型参数、统计结果，形成完整数据集并说明使用规范。
研究亮点
1. 配套完整的原始实验数据、模型拟合数据与统计分析结果，数据体系完整，可直接作为同类研究参照基准。
2. 采用高通量光密度筛选结合实验室发酵的两级实验方案，兼顾筛选效率与实际发酵验证。
3. 系统探究木质素存在下凝结芽孢杆菌对多种木质纤维素单糖的共发酵特性，贴合农林废弃物资源化应用场景。
4. 同步分析菌株对木质素衍生物的降解能力，完善菌株综合应用评价维度。
5. 验证多款经典微生物生长模型在该体系的适配性，给出模型拟合参数与评价指标。
6. 明确菌体生物量与细胞总数的定量关系，实现光密度数据与活菌量的换算。
可延伸的方向
1. 利用本数据集优化凝结芽孢杆菌发酵工艺，提升L-乳酸产量与光学纯度。
2. 基于现有模型进一步构建多组分耦合发酵动力学模型，提升预测精度。
3. 探究不同木质素、木质素衍生物对芽孢杆菌代谢通路的影响机制。
4. 拓展菌株筛选范围，使用该高通量筛选体系快速评估更多产乳酸菌株。
5. 结合数据集开展连续发酵、固态发酵等不同工艺的模拟与实验验证。
6. 研究木质纤维素水解液中多种抑制物协同作用对菌株生长与产酸的影响。
7. 将本数据建模方法推广至其他工业微生物发酵体系。
测量的数据及研究意义
1 不同木质素浓度下菌株生长相关模型参数β数据，数据来自图1。研究意义：量化木质素浓度对三株凝结芽孢杆菌生长的影响，直观对比菌株耐木质素能力差异。
2 多类培养基中菌体生物量、残糖、L-乳酸含量、发酵效率等发酵参数，数据来自表1。研究意义：全面反映菌株发酵性能，明确不同碳源、木质素条件下的产酸能力与底物利用效率。
3 发酵过程动态变化及模型拟合对比数据，数据来自图2、表2。研究意义：验证逻辑模型、莫诺动力学模型对该发酵体系的拟合效果，证明模型可有效预测发酵进程。
4 木质素、阿魏酸、香草醛体系紫外吸收光谱数据，数据来自图3。研究意义：表征菌株对三类木质素相关物质的降解脱色效果，评价菌株降解能力。
5 菌体生物量与总细胞数回归数据，数据来自图5。研究意义：建立生物量与活菌数的换算公式，实现光密度检测结果的定量转化。
结论
1 该数据集完整收录了三株凝结芽孢杆菌在含木质素培养基中的高通量筛选、实验室发酵、物质降解及模型拟合相关数据，数据可重复、参考价值高。
2 木质素会对凝结芽孢杆菌生长产生抑制作用，不同菌株对木质素的耐受能力存在明显差异。
3 供试菌株可高效共发酵葡萄糖、木糖、阿拉伯等木质纤维素单糖，且能同步降解木质素及其衍生物，具备农林生物质资源化利用潜力。
4 逻辑增长模型、莫诺动力学模型可较好拟合该发酵过程，模型拟合优度较高，能够用于发酵趋势预测。
5 光密度检测得到的生物量与细胞总数存在稳定线性关系，为高通量快速定量菌体浓度提供了换算依据。
使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义
本研究使用**芬兰Bioscreen C微生物生长分析仪**开展高通量光密度筛选实验。第一，设备配套蜂窝培养板可实现多样品、多浓度梯度同步检测，一次性完成不同木质素浓度、不同糖组合条件下的菌株培养，大幅提升筛选通量。第二，仪器在52℃目标温度下连续检测光密度，可长时间记录微生物完整生长曲线，精准提取最大生长速率、迟滞期、模型参数β等动力学指标，保障生长参数计算精准度。第三，设备采用标准化振荡与检测程序，统一实验环境，消除人为操作误差，保证各组数据平行可比，为菌株耐木质素能力横向对比提供可靠数据。第四，依托该设备获取的连续光密度数据，是后续生长模型拟合、参数求解的核心原始数据，支撑了动力学模型的有效性验证。第五，结合仪器检测结果建立生物量与总细胞数的换算关系，实现快速浊度检测向活菌定量的转化，完善了高通量检测方法体系。