酵母前发酵影响葡糖酸醋杆菌产纤维素的机理研究

Bacterial cellulose(BC) was defined as cellulose synthesized by microorganism, which is composed of β-D glucoses through β-1, 4 glycosidic linkages. It is a high purity biopolymer free of hemicellulose, lignin, is expected as the best type of cellulose at present and exhibits superior features such as extreme purity, high crystallinity, high Young’s modulus and water holding capacity, as well as excellent biological affinity and biodegradability. BC has great applications potential in food, biomedicine and special material field. Increasing BC production and fermentation controllability was a hot topic and urgently demanded in this field. Gluconacetobacter intermedius CIs26 was a high BC producing strain screened in our previous research. Yeast pro-fermentation could improve it’s BC yield significantly, but the mechanism is still unknown. This project will investigate effects of different pro-fermentation processing on BC micro-structure and yield of CIs26, to infer the material basis and regulation mode of BC yield promotion by yeast pro-fermentation. It’s mechanism will be aslo explored through investigating on the key substance and enzyme, metabolic flux, and cel-mutants of CIs26. The research founding will opened a new way to raise BC yield significantly, and also have a positive meaning on practical application and theory development of segmenting fermentation of different microorganisms.

细菌纤维素（BC）是由微生物产生的纤维素统称，由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链组成，直链间彼此平行，无分支结构，不含木质素与半纤维素，具有高纯度、高结晶度、高弹性模量、高持水性、良好的生物适应性与可降解性，是目前性能最好的纤维素，在食品、医药及特殊材料领域应用广泛。提高BC产量与发酵可控性是BC产业发展的需求与研究热点。本团队前期筛选到BC高产菌株-中间葡糖酸醋杆菌CIs26，并发现酵母前发酵能够显著提高其BC产量，但其影响规律与作用机理尚不明确。本项目研究不同酵母前发酵处理对中间葡萄酸醋杆菌CIs26菌株BC产量、微结构的影响，分析其物质基础与影响规律；通过研究前发酵对细胞变异、BC合成关键酶、关键调控物质及代谢通量的影响，明确前发酵影响葡糖酸醋杆菌BC合成的机理，为大幅度提高BC产量开拓新的思路，对推动不同微生物分段偶联发酵的理论与实践进展也有积极意义。

细菌纤维素（BC）是由微生物产生的纤维素统称，由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链组成，直链间彼此平行无分支，不含木质素与半纤维素，具有高纯度、高结晶度、高弹性模量、高持水性、良好的生物适应性与可降解性，是目前性能最好的纤维素，在食品、医药及特殊材料领域应用广泛。提高BC产量与发酵可控性是BC产业发展的需求与热点。.本团队筛选到高产菌株-中间葡糖酸醋杆菌CIs26，酵母前发酵能显著提高该菌株的发酵效率，蔗糖浓度30 g/L时效果最佳，BC产量由3.82 g/L提高至7.15 g/L。前发酵增加了微纤丝的致密性与直径，但对BC的一级结构与结晶类型影响不大。前发酵将培养液的蛋白质含量从1.83 g/L提高至2.89 g/L，氨基酸总量从1.4 g/L增加至2.3 g/L，并生成B族维生素。前发酵组经CIs26发酵后，发酵液活菌数为1*105 CFU/mL，酸度为34.20 g/L，而未前发酵组活菌数为5*104 CFU/mL，酸度仅为11.53 g/L。该规律与培养方式无关，推测其原因可能是前发酵赋予培养液新的生长因子，从而刺激菌株增殖与BC合成代谢。.解析前发酵影响BC产量的物质基础，发现前发酵产生的乙醇等胞外代谢产物能够提高CIs26的BC产量，酵母菌体所含蛋白质、B族维生素，细胞壁中葡聚糖、甘露聚糖对菌株BC合成均有促进作用，这些因素共同作用，促进菌体BC合成量的提高。其中酵母葡聚糖能够显著提高菌株的BC产量，其浓度为1.7 g/L时BC产量即可提高67%，添加量增加至2.55 g/L时，BC合成量从对照4.34 g/L增加至8.48 g/L，增幅达95%。B族维生素对BC合成也具有明显促进作用，0.025 g/L B族维生素可将BC产量从2.68 g/L提高至4.72 g/L，增幅高达76%。.酵母葡聚糖、B族维生素对人体、某些动物的重要生理功能已得到验证，但其对于微生物生长的影响研究还很少，也未见促进BC合成的报道。其对CIs26菌体的生理调节作用、提高BC合成的途径均为未知，是一个值得关注的研究方向。将前发酵与外源添加酵母葡聚糖、B族维生素相结合，能够进一步提高BC产量。研究结果对提高BC生产效率具有理论与实际意义。