生物氧化产碱去除半纤维素水解物中的有机酸.doc

1、微 生 物 学 通 报 OCT 20, 2010, 37(10): 14211426Microbiology China 2010 by Institute of Microbiology, CAS 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (No. 20666002); 广 西 自 然 科 学 基 金 项 目 (No. 2010GXNSFB013043, 0731033)* 通 讯 作 者 ： Tel: 86-773-3550103; : zh-收 稿 日 期 ： 2010-03-01; 接 受 日 期 ： 2010-06-28研 究 报 告生物氧化产碱去除半纤维素水解物中

2、的有机酸刘 胜 男 1,2 覃香香 1 张 厚瑞 1* 蔡 爱华 1 林 兰 英 2(1. 中 国 科 学 院 广 西 植 物 研 究 所 广 西 桂 林 541006)(2. 广 西 师 范 大 学 生 命 科 学 学 院 广 西 桂 林 541004)摘 要 : 盔 形 毕 赤 酵 母 Pichia galeiforms B-10 对 半 纤 维 素 水 解 物 中 的 有 机 酸 具 有 良 好 的 降 解 活性 , 影 响 它 脱 酸 活 性 的 最 主 要 因 素 是 水 解 物 初 始 pH。将 半 纤 维 素 水 解 物 初 始 pH 值 调 节 至 5.0 以上 而 无 需 其

3、 他 处 理 , Pichia galeiforms B-10 便 可 发 挥 良 好 的 脱 酸 发 酵 性 能 。Pichia galeiforms B-10代 谢 有 机 酸 盐 可 产 生 碱 性 物 质 , 使 水 解 液 pH 升 高 。在 pH 值 5.0 的 条 件 下 , 只 要 调 节 补 酸 (补 加低 pH 值 水 解 物 )的 速 率 与 代 谢 耗 酸 速 率 相 平 衡 , 发 酵 体 系 即 可 始 终 处 于 有 利 于 酵 母 快 速 代 谢 有 机酸 的 高 pH 环 境 。这 种 生 物 氧 化 产 碱 连 续 脱 酸 发 酵 方 式 , 可 有 效 降

4、 低 中 和 半 纤 维 素 水 解 物 的 外 加用 碱 量 , 具 有 降 低 成 本 , 减 少 新 污 染 物 的 优 势 。关 键 词 : 半 纤 维 素 水 解 物 , 生 物 氧 化 产 碱 , 有 机 酸Removal of Organic Acid from HemicelluloseHydrolysate by Bio-oxidation to Produce AlkaliLIU Sheng-Nan1,2 QIN Xiang-Xiang1 ZHANG Hou-Rui1* CAI Ai-Hua1LIN Lan-Ying2(1. Guangxi Institute of Bot

5、any, Chinese Academy of Science, Guilin, Guangxi 541006, China)(2. Life Science College, Guangxi Normal University, Guilin, Guangxi 541004, China)Abstract: Pichia galeiforms B-10 has a good ability to degrade organic acid in hemicellulose hydrolysate, and this depickling activity of the strain is ma

6、inly affected by the initial pH value of hydrolysate. If the initial pH value of hemicellulose hydrolysate was adjusted above 5.0, Pichia galeiforms B-10 would exhibit an excellent capability of depickling fermentation without any other treatment. During the metabolism of organic acid salt by Pichia

7、 galeiforms B-10, alkali products were generated and this caused the raising of pH value. Therefore, under the condition of pH 5.0, if only the acid supplying speed (by adding hydrolysate with low pH value) was adjusted to be in balance with the acid metabolizing speed, the fermentation system would

8、 always be kept in a high pH circumstance which was advantageous to the metabolism of organic acid by yeast. This mode, by using biooxidation to produce alkali for the continuous depickling fermentation, effectively reduced the addition of alkali during the neutralization of hemicellulose hydrolysat

9、e, and finally lowered the processing cost and generated less pollutant.1422 微 生 物 学 通 报 2010, Vol.37, No.10http:/ Hemicellulose hydrolysate, Bio-oxidation to produce alkali, Organic acid木 质 纤 维 素 是 地 球 上 最 丰 富 的 可 再 生 资 源 , 主要 由 纤 维 素 、半 纤 维 素 与 木 质 素 组 成 。半 纤 维 素 约占 其 总 量 的 20%30%, 它 很 容 易 被 稀 酸 水

10、 解 生 成以 木 糖 (五 碳 糖 )为 主 要 成 分 的 半 纤 维 素 水 解 物 , 可 用 于 发 酵 生 产 木 糖 醇 、燃 料 乙 醇 等 一 系 列 化 工 产品 12。但 是 稀 酸 水 解 半 纤 维 素 生 成 可 发 酵 性 糖 的同 时 , 会 伴 随 生 成 一 系 列 有 机 酸 , 其 中 以 醋 酸 为 主要 成 分 , 还 包 括 少 量 的 甲 酸 、丙 酸 、丁 酸 、苯 甲 酸 和异 戊 酸 35在 内 的 对 微 生 物 代 谢 有 毒 的 副 产 物 , 影响 发 酵 过 程 。要 改 善 半 纤 维 素 水 解 物 的 发 酵 性 能 , 必

11、 须 除 去 这 些 有 机 酸 67。除 去 半 纤 维 素 水 解 液 中以 醋 酸 为 主 的 有 机 酸 , 已 经 报 道 的 方 法 有 活 性 炭吸 附 8、胺 抽 提 9、离 子 交 换 膜 10、电 渗 析 11和 离 子排 斥 12等 。不 过 , 半 纤 维 素 水 解 物 的 理 化 脱 酸 由 于成 本 高 或 因 产 生 新 的 污 染 物 而 限 制 了 其 实 际 应 用 的潜 力 。许 多 酵 母 可 以 利 用 醋 酸 为 唯 一 碳 源 生 长 , 因 此利 用 代 谢 醋 酸 的 酵 母 可 以 实 现 半 纤 维 素 水 解 物 脱酸 。Henry S

12、chneider3等 曾 利 用 一 株 酿 酒 酵 母 糖 类营 养 缺 陷 突 变 体 除 去 亚 硫 酸 盐 硬 木 制 浆 废 液 中 的 醋酸 , 但 是 他 所 用 的 酵 母 具 有 易 复 性 的 缺 点 。林 兰英 13发 现 , 盔 形 毕 赤 酵 母 (Pichia galeiforms)可 利 用多 种 有 机 酸 , 不 仅 对 半 纤 维 素 水 解 物 具 有 很 强 的 脱酸 活 性 , 且 不 代 谢 其 中 的 木 糖 。本 文 进 一 步 研 究 以 Pichia galeiforms B-10 为 生 物 脱 酸 菌 株 , 研 究 了 影响 半 纤 维

13、 素 水 解 物 生 物 脱 酸 的 主 要 因 素 , 探 讨 其 适宜 的 生 物 脱 酸 条 件 , 以 期 为 半 纤 维 素 水 解 物 生 物 脱酸 工 艺 的 建 立 提 供 更 充 分 的 科 学 依 据 。 1 材 料 与 方 法1.1 供 试 菌 株供 试 菌 株 Pichia galeiforms B-10, 本 实 验 室 从纤 维 水 解 工 厂 环 境 分 离 , 它 在 中 国 典 型 培 养 物 保 藏中 心 的 保 藏 编 号 为 CCTCC M 209245, 普 通 麦 芽 汁培 养 基 斜 面 培 养 , 4C 保 存 。1.2 种 子 培 养培 养 基

14、 配 方 (g/L): 葡 萄 糖 50, 酵 母 膏 5, MgSO47H2O 1, KH2PO4 1, NH4NO3 3, CaCl2 0.2。灭 菌 条 件 : 糖 、盐 分 开 灭 菌 , 1 105 Pa, 灭 菌20 min。250 mL 三 角 瓶 装 液 体 培 养 基 50 mL, 接 种 一环 斜 面 培 养 物 , 200 r/min、30C 摇 床 培 养 24 h。1.3 半 纤 维 素 水 解 物 制 备干 燥 的 蔗 渣 按 固 : 液 = 1 : 3.5 与 1% HCl 混合 , 蒸 汽 压 力 0.18 MPa/cm2 水 解 40 min。压 滤 收 集水

15、 解 液 , 用 10% KOH 调 节 至 pH 3.0, 抽 滤 去 除 沉淀 , 即 得 半 纤 维 素 水 解 物 。这 种 水 解 物 的 可 溶 性 固形 物 含 量 为 8.5%, 其 中 木 糖 含 量 78.9% (W/W)。4C 冷 藏 , 使 用 时 按 要 求 进 一 步 处 理 。1.4 水 解 物 预 处 理真 空 蒸 发 : 水 解 物 用 R-200 旋 转 蒸 发 仪 (瑞 士 , Buchi) 75C 真 空 蒸 发 浓 缩 至 1/2 体 积 , 以 除 去 其 中的 挥 发 性 物 质 。浓 缩 过 的 水 解 物 再 用 去 离 子 水 稀 释 , 还

16、 原 至 原 体 积 。活 性 炭 吸 附 : 按 100 mL 水 解 物 加 入 粉 末 活 性炭 0.19 g (GA-T1, 江 西 怀 玉 山 三 达 活 性 炭 有 限 公司 ), 50C 恒 温 条 件 下 搅 拌 60 min, 抽 滤 去 除 活 性 炭粉 末 , 得 活 性 炭 吸 附 处 理 水 解 物 。pH 值 调 节 : 制 备 好 的 pH 3.0 的 水 解 物 , 或 经真 空 蒸 发 、活 性 炭 吸 附 处 理 过 的 水 解 物 , 再 用 10% KOH 分 别 调 至 要 求 的 pH 值 , 过 滤 去 除 调 节 pH 所产 生 的 沉 淀 ,

17、用 于 考 察 不 同 预 处 理 与 pH 值 调 节 联合 效 应 。1.5 氧 化 脱 酸 发 酵 条 件通 气 量 : 250 mL 三 角 瓶 按 不 同 装 液 量 加 入 蔗 渣水 解 物 , 按 2% (V/V)种 量 接 入 新 鲜 的 种 子 液 , 30C、200 r/min 摇 瓶 培 养 60 h, 通 过 不 同 装 液 量 评 估通 气 量 对 生 物 脱 酸 效 果 的 影 响 。连 续 脱 酸 发 酵 : 250 mL 三 角 瓶 、装 液 量 50 mL, 水 解 液 初 始 pH 5.0, 接 种 量 2% (V/V), 30C、200 r/min 摇 床

18、 培 养 。待 发 酵 液 pH 升 至 一 定 值后 , 从 摇 瓶 中 移 出 总 体 积 10%的 发 酵 液 , 沉 淀 离 心收 集 细 胞 , 并 用 相 同 体 积 pH 3.0的 新 鲜 水 解 液 调 匀收 集 的 细 胞 , 一 起 返 回 摇 瓶 。通 过 进 、出 料 的 体 积 和速 率 调 节 维 持 发 酵 液 处 于 要 求 的 pH 范 围 。1.6 检 测 方 法细 胞 干 重 : 离 心 发 酵 液 收 集 菌 体 , 去 上 清 液 。沉 淀 反 复 用 去 离 子 水 洗 涤 3 次 , 加 水 至 原 体 积 , 依次 取 1、2、3、4、5 mL

19、加 水 定 容 至 11 mL, 分 别 取1 mL 稀 释 100 倍 , 于 T6 紫 外 可 见 光 分 光 光 度 计 (北京 普 析 通 用 仪 器 有 限 公 司 )利 用 比 浊 法 测 定 600 nm处 吸 光 值 。剩 余 10 mL 菌 体 离 心 , 于 85C 烘 箱 中 干燥 至 恒 重 。菌 体 干 重 为 纵 坐 标 , 以 菌 体 稀 释 100 倍吸 光 值 (OD600)为 横 坐 标 , 绘 出 细 胞 干 重 标 准 曲 线 。测 定 发 酵 液 OD 值 , 通 过 标 准 曲 线 换 算 出 细 胞 干重 。糖 类 : HPLC 法 , 510 色

20、 谱 仪 , 410 示 差 折 光 检 测刘 胜 男 等 : 生 物 氧 化 产 碱 去 除 半 纤 维 素 水 解 物 中 的 有 机 酸 1423http:/ (美 国 , Waters), BC-100 Ca2+碳 水 化 合 物 柱 (美 国 , BENSON)。检 测 条 件 : 超 纯 水 0.5 mL/min, 柱 温85C, 进 样 量 20 L。总 有 机 酸 : pHS-2C 型 精 密 酸 度 计 (上 海 雷 磁 仪器 厂 ), 使 用 前 校 正 。测 定 水 解 液 的 pH, 以 其 变 化情 况 代 表 总 有 机 酸 量 的 变 化 , pH 上 升 表 示

21、 有 机 酸被 消 耗 。醋 酸 : Agilent 1100 HPLC 色 谱 仪 , 色 谱 柱 , Symmetry 5 m C18 柱 , 柱 温 为 室 温 , 流 动 相 为甲 醇 : 0.2%磷 酸 = 1 : 3, 流 速 为 1.0 mL/min, 二 极 管 阵 列 紫 外 检 测 器 。进 样 量 : 10 L, 检 测 波 长 : 198 nm。2 结 果 与 分 析2.1 不 同 预 处 理 对 生 物 脱 酸 的 促 进 作 用2.1.1 真 空 蒸 发 : 真 空 蒸 发 (浓 缩 因 子 : 2)过 程 产 生的 冷 凝 液 所 含 主 要 挥 发 性 物 为

22、糠 醛 , 以 及 少 部 分 醋酸 (图 1)。无 论 未 经 真 空 蒸 发 的 水 解 物 , 还 是 经 过 真空 蒸 发 之 后 再 用 水 还 原 回 蒸 发 前 体 积 的 蒸 发 处 理 水解 物 , 提 高 初 始 pH 值 都 是 Pichia galeiforms B-10获 得 高 细 胞 增 长 速 率 的 最 主 要 因 素 。虽 然 在 初 始 pH值 3.0、4.0 的 条 件 下 , 蒸 发 处 理 水 解 物 的 细 胞 密 度略 高 于 不 经 真 空 蒸 发 水 解 物 的 细 胞 密 度 , 但 增 加 的幅 度 10%。当 初 始 pH 值 提 高

23、至 5.0, 则 两 者 之 间的 细 胞 密 度 几 无 差 异 。显 然 , 只 要 将 水 解 物 的 初 始pH 值 调 节 至 5.0 左 右 , 即 可 基 本 消 除 其 中 挥 发 性 有毒 成 分 对 Pichia galeiforms B-10 细 胞 生 长 的 抑 制 作用 (图 2), 而 不 必 再 对 水 解 物 进 行 蒸 发 浓 缩 处 理 。图 1 蔗 渣 水 解 物 蒸 发 冷 凝 液 HPLC 图 谱Fig. 1 HPLC analysis of bagasse hydrolysate evaporation condensate注 : 1: 醋 酸 ;

24、 2: 糠 醛 .Note: 1: Acetic acid; 2: Furfural.图 2 蒸 发 处 理 蔗 渣 水 解 液 对 酵 母 细 胞 生 长 的 影 响Fig. 2 The effect of evaporation of bagasse hydrolysate on the growth of yeast cells无 论 水 解 物 是 否 经 过 真 空 蒸 发 处 理 , 在 初 始pH 值 3.0 的 条 件 下 接 种 Pichia galeiforms B-10, 发酵 48 h 之 后 细 胞 干 重 均 升 高 至 5 g/L 以 上 , 但 水 解液 pH

25、值 上 升 均 不 足 0.2 pH 单 位 。如 果 水 解 物 的 初始 pH 值 调 节 至 4.0 或 5.0, 则 接 种 24 h 之 后 发 酵 液的 pH 便 可 分 别 上 升 1 或 1.5 个 单 位 (图 3)。初 始 pH 值 3.0 的 条 件 下 , Pichia galeiforms B-10 细 胞 的 增 长 并 不 使 水 解 物 发 酵 液 的 pH 显 著 升高 ; 将 初 始 pH 调 节 至 4.0 或 5.0, 细 胞 增 长 过 程 同时 使 发 酵 液 的 pH 显 著 升 高 。半 纤 维 素 稀 酸 水 解 物用 碱 调 节 至 pH 值

26、 3.0 时 , 主 要 是 无 机 酸 被 中 和 , 以醋 酸 为 主 的 有 机 酸 主 要 以 分 子 酸 的 形 式 存 在 。在 这种 条 件 下 , Pichia galeiforms B-10 对 有 机 酸 的 代 谢显 然 不 会 引 起 培 养 基 pH 的 显 著 变 化 。如 果 将 水 解物 pH 值 调 节 至 4.0 或 5.0, 则 大 量 的 醋 酸 已 经 被 中和 成 盐 , 酵 母 利 用 醋 酸 盐 之 后 必 然 生 成 碳 酸 盐 , 使培 养 基 的 pH 升 高 。1424 微 生 物 学 通 报 2010, Vol.37, No.10htt

27、p:/ 3 蒸 发 处 理 对 水 解 物 发 酵 液 pH 变 化 的 影 响Fig. 3 The effect of evaporation on the pH change of hydrolysate fermentation broth2.1.2 活 性 炭 吸 附 : 利 用 活 性 炭 吸 附 处 理 蔗 渣 水 解物 , 可 以 去 除 一 部 分 水 解 液 中 的 有 毒 物 质 , Pichia galeiforms B-10 细 胞 在 其 中 的 生 长 情 况 略 好 于 未 经活 性 炭 吸 附 的 水 解 物 , 但 是 与 蒸 发 处 理 水 解 液 的 情况

28、 类 似 , 提 高 初 始 pH 值 才 是 Pichia galeiforms B-10 获 得 高 细 胞 增 长 速 率 (图 4)和 加 速 脱 酸 过 程 (图 5)的 最 主 要 因 素 。将 水 解 液 初 始 pH 调 节 至 5.0, 活 性炭 处 理 已 经 没 有 明 显 提 高 发 酵 液 的 细 胞 密 度 和 有 效促 进 脱 酸 过 程 的 作 用 。显 然 , 对 于 Pichia galeiforms B-10 的 脱 酸 发 酵 而 言 , 将 水 解 液 初 始 pH 调 节 至5.0 之 后 不 必 再 进 行 活 性 炭 预 处 理 。图 4 活 性

29、 炭 吸 附 处 理 蔗 渣 水 解 物 对 酵 母 细 胞 生 长 的 影响Fig. 4 The effect of active carbon adsorption of bagasse hydrolysate on the growth of yeast cells图 5 活 性 炭 吸 附 对 水 解 物 发 酵 液 pH 变 化 的 影 响Fig. 5 The effect of active carbon adsorption of bagasse hydrolysate on the pH change of fermentation broth2.2 水 解 物 发 酵 液 醋

30、 酸 含 量 的 变 化半 纤 维 素 水 解 物 的 有 机 酸 以 醋 酸 为 主 , Pichia galeiforms B-10 脱 酸 发 酵 前 HPLC 检 测 的 醋 酸 峰 明显 (图 6A), 发 酵 后 醋 酸 峰 几 乎 完 全 消 失 (图 6B)。初始 pH 5.0 的 水 解 物 经 脱 酸 发 酵 后 可 升 至 pH 8.0 (图3, 图 5)左 右 。碱 性 的 环 境 条 件 表 明 : Pichia galeiforms B-10 已 经 代 谢 除 去 水 解 物 中 以 醋 酸 为 主的 有 机 酸 。根 据 HPLC 检 测 脱 酸 前 后 醋 酸

31、 减 少 量4.7 g/L。图 6 发 酵 前 后 蔗 渣 水 解 物 中 醋 酸 含 量 的 变 化Fig. 6 The content variation of acetic acid in bagasse hydrolysate before and after fermentation注 : A: 发 酵 前 ; B: 发 酵 后 ; 1: 醋 酸 .Note: A: Before fermentation; B: After fermentation; 1: Acetic acide.刘 胜 男 等 : 生 物 氧 化 产 碱 去 除 半 纤 维 素 水 解 物 中 的 有 机 酸

32、1425http:/ 水 解 物 生 物 脱 酸 过 程 的 糖 分 变 化蔗 渣 半 纤 维 素 水 解 物 中 主 要 糖 类 包 括 D-葡 萄糖 、D-木 糖 和 L-阿 拉 伯 糖 , 其 中 葡 萄 糖 占 总 糖 的6.5%, 木 糖 占 78.9%, 阿 拉 伯 糖 占 11.5%左 右 (图7)。接 种 Pichia galeiforms B-10 之 后 , 水 解 物 的 葡萄 糖 被 消 耗 (图 7B), 随 后 有 机 酸 被 消 耗 (图 6B), 培养 基 pH 上 升 (图 3, 图 5)。但 即 使 经 过 很 长 时 间 的培 养 , 水 解 物 中 的

33、木 糖 , 阿 拉 伯 糖 , 以 及 其 他 一 些未 知 成 分 的 杂 糖 始 终 未 见 被 消 耗 的 迹 象 (图 7B)。显 然 除 葡 萄 糖 外 , Pichia galeiforms B-10 对 半纤 维 素 水 解 物 中 葡 萄 糖 之 外 的 糖 类 均 缺 乏 同 化 利 用的 能 力 。用 Pichia galeiforms B-10 除 去 水 解 物 中 的有 机 酸 , 不 会 造 成 主 要 糖 类 的 损 失 。 图 7 蔗 渣 水 解 物 发 酵 前 后 的 不 同 糖 类 的 含 量 变 化Fig. 7 The content variation

34、of sugar components in bagasse hydrolysate before and after fermentation注 : A: 发 酵 前 ; B: 发 酵 后 ; 1: 葡 萄 糖 ; 2: 木 糖 ; 3: 阿 拉 伯 糖 .Note: A: Before fermentation; B: After fermentation; 1: D-glucose; 2: D-xylose; 3: L-arabinose.2.4 通 气 量 对 脱 酸 速 率 的 影 响纯 净 的 有 机 酸 钾 盐 呈 碱 性 , 接 种 后 水 解 液 培 养基 升 至 pH 7.

35、0 意 味 着 其 中 的 分 子 态 有 机 酸 已 经 消耗 完 毕 。在 初 始 pH 5.0 的 条 件 下 , 在 试 验 装 料 量 范围 内 , 装 料 量 越 少 , 即 通 气 量 越 大 , Pichia galeiforms B-10 耗 酸 的 速 度 越 快 (图 8)。250 mL 三角 瓶 装 液 量 由 25 mL 提 高 至 150 mL, 培 养 基 至 pH 7.0 所 需 要 的 时 间 由 15 h 延 长 至 60 h 左 右 。伴 随 着 通 氧 量 的 增 大 脱 酸 速 度 逐 渐 加 快 , 主 要是 高 的 通 气 水 平 为 细 胞 增

36、殖 提 供 了 足 够 的 氧 , 加 快了 细 胞 增 殖 速 率 , 从 而 缩 短 了 脱 酸 时 间 。图 8 摇 瓶 不 同 装 液 量 与 蔗 渣 水 解 物 发 酵 液 pH 变 化 的关 系Fig. 8 The relationship between the medium loading of shake-flask and the pH change of bagasse hydrolysate fermentation broth2.5 连 续 脱 酸 发 酵摇 瓶 装 料 量 50 mL 条 件 下 , pH 5.0 的 蔗 渣 半 纤维 素 水 解 物 经 Pichi

37、a galeiforms B-10 脱 酸 发 酵 24 h, 发 酵 液 pH 值 升 至 7.0, 表 明 脱 酸 完 全 (图3、5、8)。移 出 装 料 量 体 积 10% (5 mL)的 发 酵 液 , 离心 收 集 沉 淀 细 胞 , 用 5 mL, pH 3.0 的 水 解 物 调 匀 细胞 并 返 回 摇 瓶 , 约 12 h 后 可 再 次 升 至 7.0。继 续 按前 述 方 法 移 出 发 酵 液 , 收 集 细 胞 , 及 用 新 鲜 的 水 解液 调 匀 沉 淀 细 胞 并 返 回 摇 瓶 , 如 此 循 环 利 用 细 胞 , 补 料 脱 酸 10 次 , Pich

38、ia galeiforms B-10 的 脱 酸 速 率未 见 下 降 , 随 补 料 批 次 增 加 , 细 胞 密 度 增 大 , 脱 酸时 间 呈 不 断 缩 短 的 趋 势 (图 9)。图 9 循 环 利 用 细 胞 补 料 发 酵 批 次 与 脱 酸 效 率 的 关 系Fig. 9 The relationship between the fed-batch of recycle cell fermentation and the efficiency of acid removal提 高 初 始 pH 可 降 低 半 纤 维 素 水 解 物 中 有 机 酸对 Pichia gale

39、iforms B-10 的 抑 制 作 用 , 提 高 细 胞 增长 速 率 (图 2), 改 善 脱 酸 效 果 (图 3), 但 以 碱 液 直 接中 和 有 机 酸 提 高 初 始 pH 值 的 方 法 , 不 仅 提 高 成 本 , 1426 微 生 物 学 通 报 2010, Vol.37, No.10http:/ 且 加 入 的 碱 金 属 离 子 最 终 将 成 为 环 境 污 染 物 。Pichia galeiforms B-10 代 谢 有 机 酸 盐 的 过 程 中 , 首 先 是 氧 化 有 机 酸 根 生 成 CO2, CO2 再 与 金 属 离 子(本 实 验 主 要

40、 为 钾 离 子 )作 用 生 成 碳 酸 盐 , 使 发 酵 液的 pH 升 高 。当 水 解 物 的 pH 升 高 至 一 定 值 之 后 再流 加 低 pH 值 的 水 解 物 , 只 要 调 节 补 料 加 酸 速 率 与氧 化 产 碱 的 速 率 相 平 衡 , 则 发 酵 体 系 可 长 期 稳 定于 快 速 脱 酸 的 高 pH 状 态 。本 质 上 , 这 是 利 用 生 物氧 化 有 机 酸 盐 产 生 的 碱 性 物 质 , 提 高 水 解 物 的 pH值 , 使 酵 母 始 终 处 于 快 速 代 谢 有 机 酸 的 高 pH 环 境 。生 物 氧 化 产 碱 代 谢 特

41、 性 的 利 用 , 可 以 大 量 节 约 调 节水 解 物 pH 的 外 加 用 碱 量 , 使 脱 酸 发 酵 更 为 经 济 、便捷 、环 保 。3 讨 论盔 形 毕 赤 酵 母 Pichia galeiforms B-10 可 有 效 代谢 半 纤 维 素 水 解 物 中 的 有 机 酸 , 影 响 它 脱 酸 发 酵 活性 的 最 主 要 因 素 是 水 解 物 初 始 pH 值 。将 蔗 渣 半 纤维 素 水 解 物 初 始 pH 值 调 节 至 5.0 以 上 , 不 经 其 它任 何 处 理 Pichia galeiforms B-10 即 可 发 挥 良 好 的 生物 脱

42、酸 发 酵 活 性 。Pichia galeiforms B-10 对 半 纤 维 素 水 解 物 进 行脱 酸 发 酵 不 会 造 成 主 要 糖 类 的 损 失 。Pichia galeiforms B-10 对 半 纤 维 素 水 解 物 进 行 脱 酸 发 酵 , 即 使 脱 酸 完 全 , 水 解 物 发 酵 液 pH 升 至 碱 性 条 件 也不 会 利 用 其 中 的 木 糖 、阿 拉 伯 糖 等 主 要 糖 类 , 使 它们 得 到 有 效 保 存 。Pichia galeiforms B-10 代 谢 有 机 酸 盐 产 生 碱 性物 质 , 利 用 这 一 特 性 可 大

43、量 节 约 调 节 水 解 物 pH 值的 外 加 用 碱 量 。Pichia galeiforms B-10 氧 化 代 谢水 解 物 中 的 有 机 酸 , 发 酵 体 系 pH 升 高 至 一 定 值(pH 5.0)之 后 , 可 直 接 流 加 低 pH (约 为 pH 3.0)的水 解 液 进 行 脱 酸 发 酵 。尤 其 是 , 只 要 调 节 发 酵 体 系的 补 料 加 酸 速 率 与 代 谢 耗 酸 速 率 相 平 衡 , Pichia galeiforms B-10 细 胞 即 可 长 时 间 维 持 于 能 快 速 代 谢有 机 酸 的 高 pH 状 态 。这 种 生 物

44、 氧 化 产 碱 连 续 脱 酸发 酵 方 式 , 有 效 解 决 了 水 解 物 生 物 脱 酸 需 要 在 较 高pH 值 条 件 下 进 行 , 与 调 节 pH 值 的 用 碱 最 终 将 成 为环 境 污 染 物 , 并 提 高 生 物 脱 酸 成 本 的 矛 盾 , 使 半 纤维 素 水 解 物 的 生 物 脱 酸 工 艺 更 加 经 济 、环 保 。参 考 文 献1 龚 霄 , 贺 稚 非 , 陈 盼 , 等 . 发 酵 法 生 产 木 糖 醇 研 究 进 展 . 粮 食 与 油 脂 , 2008(3): 4448.2 王 晓 娟 , 王 斌 , 冯 浩 , 等 . 木 质 纤

45、维 素 类 生 物 质 制 备 生物 乙 醇 研 究 进 展 . 石 油 与 天 然 气 化 工 , 2007, 36(6): 452461.3 Schneider H. Selective removal of acetic acid from hardwood-spent sulfite liquor using a mutant yeast. Enzyme and Microbial Technology, 1996, 19(2): 9498.4 Larsson S, Palmqvist E, HahnHagerdal B, et al. The generation of fermen

46、tation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood. Enzyme and Microbial Technology, 1998, 24(3/4): 151159.5 Naoyuki O, Mayumi S, Kazuaki N, et al. Biological detoxification of waste house wood hydrolysate using Ureibacillus thermospHaericus for bioethanol production. Journal of Bioscience

47、and Bioengineering, 2008, 106(2): 128133.6 Tihany AM, Silvio SS. Inhibition of microbial xylitol production by acetic acid and its relation with fermentative parameters. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2000, 84/86(1/9): 801808.7 丁 兴 红 . 利 用 玉 米 芯 半 纤 维 素 水 解 液 发 酵 生 产 木 糖 醇的 研 究 . 浙 江 大 学 博

48、士 学 位 论 文 , 2006.8 Sarah AP, Thomas RH. Effect of agitation on removal of acetic acid from pretreated hydrolysate by activated carbon. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2003, 106(1/3): 353364.9 Lee YM, Kang JS, Nam SY, et al. Removal of acetic acid with amine extractants from fermentation broth using hydrophobic hollowfiber membrane contactor. Separation Science and Technology, 2001, 36(3): 457471.10 Han B, Carvalho W, Canilha L, et al. Adsorptive membranes and resins for acetic