完全密閉發(fā)酵條件下釀酒酵母的生長代謝及其代謝通量分析.pdf

1、CO2是釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)發(fā)酵代謝的主要產(chǎn)物之一，在許多工業(yè)發(fā)酵過程，發(fā)酵基質(zhì)中會積累高濃度的CO2。高濃度的CO2能降低釀酒酵母的發(fā)酵活力，阻礙其增殖，影響發(fā)酵產(chǎn)品的風(fēng)味，導(dǎo)致發(fā)酵緩慢甚至中止。因此，充分認(rèn)識cO2對釀酒酵母生長代謝的抑制及其作用機(jī)制具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，至今人們尚未回答，在完全密閉條件下，由于發(fā)酵產(chǎn)生的CO2的抑制，釀酒酵母的發(fā)酵代謝如何以及發(fā)酵何時(shí)停止這一疑問，而在

2、抑制機(jī)制的研究上也缺乏代謝途徑方面的定量研究。本研究旨在考察在完全密閉的容器內(nèi)發(fā)酵葡萄汁時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)生的CO2在基質(zhì)中的積累對釀酒酵母生長代謝的影響，定量分析高濃度CO2對釀酒酵母代謝途徑的作用。 首先，建立厭氧條件下釀酒酵母的代謝通量分析(MFA)模型，為代謝通量分析奠定基礎(chǔ)。然后，采用常壓厭氧發(fā)酵(用發(fā)酵栓隔絕空氣)和完全密閉發(fā)酵(在耐壓發(fā)酵罐中密封進(jìn)行)這兩種發(fā)酵方式，利用釀酒酵母發(fā)酵無菌葡萄汁，裝液量為發(fā)酵罐容積的70％，

3、發(fā)酵溫度控制在18-20℃。考察完全密閉條件下發(fā)酵何時(shí)停止，并通過比較這兩種發(fā)酵方式下釀酒酵母發(fā)酵速度、揮發(fā)性產(chǎn)物的種類以及酒精、甘油、乙酸和琥珀酸等的產(chǎn)量和產(chǎn)率的差別，了解CO2對釀酒酵母生長代謝的影響。最后，根據(jù)釀酒酵母在常壓厭氧和完全密閉兩種發(fā)酵方式下的碳源消耗速率和各種代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率，利用已建立的代謝通量分析模型進(jìn)行分析，通過比較釀酒酵母在兩種發(fā)酵方式下的代謝通量圖，找到CO2的作用位點(diǎn)。研究結(jié)果如下： 一、在完全密閉條

4、件下，釀酒酵母每消耗5.73g L-1的葡萄糖所產(chǎn)生的CO2可形成1bar的壓力，而當(dāng)消耗糖82.0g L-1、壓力達(dá)到14.3bar時(shí)，釀酒酵母的發(fā)酵代謝停止，此時(shí)發(fā)酵液的含糖量為83.0g L-1，活酵母濃度為5.5×107cfu mL.-1，而常壓厭氧條件(對照)下釀酒酵母幾乎能夠消耗完基質(zhì)中的所有糖。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，常壓厭氧處理下的酵母總數(shù)約為完全密閉處理下的兩倍。 二、完全密閉發(fā)酵和常壓厭氧發(fā)酵兩種處理下乙醇產(chǎn)率相差不大，

5、但完全密閉發(fā)酵的甘油產(chǎn)率為常壓厭氧發(fā)酵時(shí)的79.1％，而琥珀酸產(chǎn)率和乙酸產(chǎn)率分別為常壓厭氧發(fā)酵時(shí)的24.7倍和26倍。 三、在已鑒定的風(fēng)味物質(zhì)成分中，有36種成分是常壓厭氧發(fā)酵液和完全密閉發(fā)酵液共有的，有6種為完全密閉發(fā)酵液特有，2種為常壓厭氧發(fā)酵液獨(dú)有。與常壓厭氧發(fā)酵相比，完全密閉發(fā)酵產(chǎn)生了更多的高級醇，3-羥基-2-丁酮(乙偶姻)產(chǎn)量為前者的23.54倍，但酯類產(chǎn)量較低。 四、代謝通量分析結(jié)果表明，兩種處理下酵母的代

6、謝在乙醛產(chǎn)乙酸、丙酮酸產(chǎn)草酰乙酸、磷酸戊糖途徑(PPP)和磷酸二羥丙酮產(chǎn)甘油等途徑上的通量存在較大差異。完全密閉處理下分配給PPP途徑的碳源為對照的35.6％，但流向草酰乙酸的碳源是對照的1.89倍。 通過對上述結(jié)果的討論分析，得出如下結(jié)論：在完全密閉發(fā)酵條件下，由發(fā)酵產(chǎn)生并在發(fā)酵基質(zhì)中積累的CO2的濃度到達(dá)一定值時(shí)能完全抑制酵母的繁殖和酒精發(fā)酵代謝；高濃度CO2能抑制酯類和甘油的合成，促進(jìn)乙醇和高級醇的產(chǎn)生，大大提高乙酸、琥珀