基于失活微生物细胞的苹果汁中展青霉素去除方法与分子机制

China is the biggest processing and export country of apple juice concentrate (AJC) for its exports of AJC account for more than 50% in the world. However, as an important safety factor,patulin is hard to be degraded and removed completely in the process of production due to its special physical and chemical properties.Patulin residue has become one of Green trade-barriers in further internationalization development of AJC. Therefore, To establish a safe, efficient, rapid and low cost removal technique system becomes one of hot research topics and urgent needs for current industry. Target strains will be selected through screening patulin removal ability of inactivated cider yeast and lactic acid bacteria strains from our laboratory in apple juice. Patulin adsorption behaviors of inactivated cells will be analyzed primarily based on patulin adsorption theory models, and then molecular adsorption mechanisms will be revealed by molecular characterization analysis of patulin binding locus, binding chemical groups and structures. Magnetic immobilized inactivated cells will be prepared for patulin adsorption according to molecular adsorption mechanism and fuzzy comprehensive evaluation of micorbial saturated adsorption capacity and juice quality. Finally, patulin removal theories and methods using inactivated micorbial cells will be established systematically.

中国是世界上最大的苹果浓缩汁生产国，出口量占世界贸易量的50%以上，而苹果汁中具有致畸致癌毒性的展青霉素污染严重，生产中难以去除，成为中国苹果汁国际化发展的"绿色安全壁垒"之一。建立一种安全、高效、快速、低成本的展青霉素去除方法和技术体系是目前产业急需。本项目以近年来选育的苹果酒酵母菌株和积累的乳酸菌菌株为基本材料，甄别获得有效吸附苹果汁中展青霉素的目标微生物菌株；通过建立基于失活微生物细胞吸附展青霉素的理论模型，解析失活目标菌株对苹果汁中展青霉素的吸附结合行为，对结合位点、化学基团及化学结构进行分子表征，系统揭示失活微生物细胞吸附去除苹果汁中展青霉素的分子机制；基于分子机制并结合失活菌体细胞的饱和吸附量及处理后苹果汁品质变化的模糊综合评价优化，获得最大生物饱和吸附量的结合位点化学改性方法与失活微生物细胞固定化方法，最终构建基于失活微生物细胞的苹果汁中展青霉素去除方法体系。

本项目主要基于课题组积累的苹果酒酵母及融合子菌株和乳酸菌菌株，在最佳培养条件下制备成失活菌粉，通过比较不同菌株的生物量、对展青霉素的吸附率以及对果汁品质影响，获得能够有效去除果汁中展青霉素的目标微生物菌株；针对筛选得到的菌株，研究展青霉素与失活微生物细胞的结合行为，揭示吸附的主要作用部位和结合位点；通过对失活微生物吸附行为和机理的研究，系统构建果汁中展青霉素吸附去除的新方法。主要取得了以下重要成果：.（1）筛选出了对苹果汁中展青霉素高效吸附并且对果汁品质没有显著影响的酵母及乳酸菌菌株。获得了酵母在酸性水溶液中的最佳吸附条件。乳酸菌吸附展青霉素的过程与细胞比表面积、细胞壁总体积、氮碳比（N/C）、表面疏水性，基团电负性，蛋白质和多糖类成分相关的基团（CO、OH/NH），有一定相关性。.（2）失活酵母吸附展青霉素的过程符合一级动力学模型及Langmuir等温吸附模型，以表面单层可逆吸附为主，包含Freundlich多层吸附的物理性吸附过程。热灭活乳酸菌细胞吸附展青霉素的过程中物理吸附和化学吸附同时发生，且主要受化学吸附控制。吸附过程是吸热的和有限可逆的。吸附过程符合Freundlich等温吸附模型及准二级动力学模型，内部扩散是该吸附过程中主要的速率控制步骤。.（3）完整的酵母细胞壁网状结构对展青霉素的吸附起着决定性的作用，吸附过程可以理解为展青霉素嵌入一个三维网状结构，且吸附能力随着网络密度的增加而增强。热灭活乳酸菌菌体对展青霉素的吸附作用以强的结合作用为主。碱性氨基酸、酯基、巯基等菌体上的电负性基团是展青霉素的主要吸附位点。疏水相互作用、静电相互作用均参与了展青霉素的吸附过程。几丁质是控制展青霉素方面较具潜力的吸附剂材料。.（4）模拟酵母细胞物理结构制备了Fe3O4磁性壳聚糖微粒并获得其最佳吸附条件。磁性壳聚糖微粒对展青霉素的吸附符合二级动力学模型及以Langmuir等温吸附模型的表面单层可逆吸附为主的吸附过程。细胞试验及小鼠试验表明该磁性材料具有生物安全性，且对果汁品质影响较小，可作为展青霉素吸附剂应用于猕猴桃果汁中。