酵母的生产效率和成本在很大程度上依赖于培养模式。根据酵母的生长特性,提出了一种新的线性减小比生长速率指数补料(exponential-feeding based on linear reducing specific-growth-rate,LR-μ-EF)策略。首先,采用该策略进行抗冻酵母SaccharomycescerevisiaeAFY-1的3 L发酵罐培养试验,比较了培养过程中生物量的计算值和实验值。然后在此基础上,以最终生物量、收率和生产速度为酵母生产效率的评价指标,讨论了补料速度和累计补料体积对酵母生产效率的影响。当恒定比生长速率指数补料(constant-μexponential-feeding,C-μ-EF)培养阶段的比生长速率(μ)为0.05 h-1、LR-μ-EF培养阶段的μ减小速度为0.000 8 h-2时,生物量的实验值与计算值基本一致。在累计补料体积560 mL的条件下,最终生物量和酵母收率随着μ减小速度的增大而逐渐上升,当μ减小速度为0.000 8 h-2时分别达到77.5g/L和38.0%。这与μ减小速度为0(即C-μ-EF策略)时相比,分别增加了26.7%和27.5%。此外,酵母生产速度基本与μ减小速度无关,保持在0.8~0.9g/(L·h)范围。以上研究结果表明了LR-μ-EF策略改善酵母生产效率的能力,为酵母的工业化生产提供了有用信息。


酵母在食品、医药、生物工程、发酵工程、饲料工业等领域有着广泛的应用,目前其全球年消费量高达数百万吨,并仍在不断增长。酵母的培养模式直接影响其生产效率和成本,是酵母生产技术的研究热点之一。从理论上来说,指数流加培养是一种最为有效的酵母培养模式。指数流加培养根据酵母的指数生长规律确定培养基的流加速度,可避免一次性投料培养中的底物抑制问题,减少乙醇和其他副产物的形成,从而提高酵母的收率和生产速率。


目前关于酵母指数流加培养的研究大多数都假设培养过程中酵母的比生长速率保持恒定,也就是说酵母以恒定的比生长速率按时间的指数函数生长。但实际上,指数流加培养过程中,比生长速率难以保持恒定。这是因为随着培养的进行(特别是在培养的中后期),酵母、乙醇和溶氧浓度等环境条件发生改变,酵母生长受到抑制。此外,合理的比生长速率也难以确定。若比生长速率设定过高,则培养基供给超出酵母生长的需要,酵母生长受到抑制,反之若比生长速率设定过低,则培养基供给不足,限制酵母生长速度。在指数流加培养的前期采用较大的比生长速率,后期采用较小的比生长速率,可改善溶氧不足问题,提高最终生物量。因此,本研究根据糖代谢受到氧和糖浓度双重影响的酵母生长特性,提出一种新的线性减小比生长速率指数补料(exponential feeding based on linear reducing specific-growth-rate,LR-μ-EF)策略。该补料策略在培养初期采用较大的比生长速率,而在培养中后期采用随时间线性减小的比生长速率,以达到提高酵母生产效率的目的。

本文作者在前期研究中以SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.1423为出发菌株,采用低温等离子体诱变结合定向驯化的手段,选育出了1株发酵能力强的抗冻酵母S.cerevisiaeAFY-1。该酵母冷冻生胚的发酵力在-20℃条件下冻藏7 d时为冷冻前的93%,35 d以后一直稳定在冷冻前的86%,抗冻能力明显优于其他市售酵母。本研究以抗冻酵母S.cerevisiaeAFY-1为实验菌株,探究LR-μ-EF策略改善酵母生产效率的有效性。首先,采用该策略进行抗冻酵母S.cerevisiaeAFY-1的培养,以恒化培养动力学参数为依据计算指数补料培养中的生物量,并与实验值比较;然后在此基础上,以最终生物量、收率和生产速度为酵母生产效率的评价指标,讨论补料速度和累计补料体积对酵母生产效率的影响。


本文提出一种新的LR-μ-EF策略,并采用该策略进行抗冻酵母S.cerevisiaeAFY-1的3 L发酵罐培养试验。得到的结论如下:


(1)当C-μ-EF培养阶段的μ为0.05 h-1、LR-μ-EF培养阶段的μ减小速度为0.000 8 h-2时,罐内葡萄糖和乙醇浓度无上升,溶氧始终维持在30%以上,生物量的实验值与计算值基本一致。


(2)在累计补料体积560 mL的条件下,最终生物量和酵母收率随着μ减小速度的增大而逐渐上升。当μ减小速度为0.000 8 h-2时,最终生物量和酵母收率分别为77.5 g/L和38.0%,与μ减小速度为0(即C-μ-EF策略)时相比分别增加了26.7%和27.5%。酵母生产速度基本与μ减小速度无关,保持在0.8~0.9 g/(L·h)范围。


(3)当累计补料体积从200 mL增加到560 mL时,最终生物量和酵母收率在μ减小速度0.000 8 h-2的条件下分别增加和减少30.8 g/L、2.9%,而在μ减小速度0的条件下分别增加和减少17.8 g/L、6.4%。酵母生产速度与累计补料体积无关。


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