论文总字数：27170字

摘 要

随着人们的生活水平逐渐提高，健康意识不断加强，人们对食品的品质提出了更高的要求，人们更加关心食品的食用安全性。因此，天然的生物防腐剂代替传统的化学防腐剂成为食品保鲜领域的一种必然趋势。ε-聚赖氨酸(ε-PL)是一种新型生物防腐剂，它具有安全性高、热稳定性好、抑菌谱广、适用pH范围广等优点，目前日本、美国、韩国在内的多个国家已经允许ε-PL作为防腐剂在食品中添加。此外，ε-PL在农业、电子、医药等多个领域也有着十分广泛的应用。

目前，生产成本过高依然是制约ε-PL产业化的最大问题之一，降低原料成本是实现ε-PL大规模生产的重要保障。因此，本论文以ε-PL的高产菌株小白链霉菌Streptomyces albulus PD-1为研究对象，使用廉价原料发酵以降低生产成本。选取制糖工业中的副产物甘蔗糖蜜为原料，经过酸水解处理后作为发酵生产ε-PL的廉价碳源。在5 L发酵罐上进行补料分批发酵，水解糖蜜初始总糖浓度为20 g L^-1，补料控制总糖浓度约10 g L^-1，ε-PL终浓度达到17.5 ± 0.4 g L^-1，与葡萄糖为原料相比，虽然ε-PL的终浓度有所下降，但是本方法节约了大量的原料成本，为实现绿色环保、经济有效的ε-PL工业生产打下了良好的基础。

关键词：ε-聚赖氨酸 发酵工艺 糖蜜

Abstract

Recently, with the increase of people’s living standards and the enhancement of health awareness, food quality is being put into a high level, people pay more and more attention to the safety of food. Therefore, it is an inevitable choice to use the bio-preservatives to substitute the chemically synthesized preservatives. ε-polylysine (ε-PL), a novel bio-preservative, has a broad antibacterial spectrum, high safety, good water solubility, heat stability, and wide efficient region of pH. Due to its notable biological activities, ε-PL has been used as a food preservative in many countries, including Japan, Korea, and the United States. In addition, ε-PL offers broad applications in the fields of medicine, agriculture, electron and so on.

Nowadays, the high cost of production is still one of the problems to restrict the industrial utilization of ε-PL. Reducing raw material cost is the most important guarantee for large scale ε-PL production. Therefore, Streptomyces albulus PD-1, a high ε-PL producing strain, was used to study ε-PL fermentation using cheap raw materials in this study. The cane molasses, which is a by-product of sugar industry, was used as cheap raw materials, the cane molasses was hydrolyzed to prepare pretreated cane molasses, which was used as cheap carbon source for ε-PL production. Fed-batch fermentations were performed in 5 L fermentor, the initial total sugar of pretreated cane molasses was 20 g L^-1 and the total sugar was maintained at 10 g L^-1 through feeding solution during the fermentation, the final concentration of ε-PL was 17.5 ± 0.4 g L^-1. Compared with glucose acting as raw materials, the final concentration of ε-PL using cane molasses decreased a little, but it saved much cost of raw materials, and it is helpful for industrial ε-PL production with a green, economical and efficient method.

Key words: ε-poly-lysine; fermentation technology; cane molasses

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 ε-聚赖氨酸的理化性质 1

1.3 ε-聚赖氨酸的功能和应用 1

1.3.1 ε-聚赖氨酸在食品防腐领域中的应用 2

1.3.2 ε-聚赖氨酸作为食疗剂在保健食品中的应用 3

1.3.3 ε-聚赖氨酸在医药领域中的应用 3

1.3.4 ε-聚赖氨酸在吸水树脂中的应用 4

1.4 ε-聚赖氨酸的发酵生产 4

1.4.1 ε-聚赖氨酸菌株的选育 4

1.4.2 ε-聚赖氨酸发酵工艺的优化 5

1.5 廉价碳源用于ε-聚赖氨酸发酵生产的研究 6

1.5.1 工业甘油为ε-聚赖氨酸发酵生产廉价碳源的研究 7

1.5.2 糖蜜作为廉价碳源用于发酵生产 7

1.6 本论文的研究意义和内容 8

第二章 实验材料与方法 9

2.1 实验材料 9

2.1.1 菌种 9

2.1.2 实验仪器及试剂 9

2.1.3 培养基及培养条件 10

2.2 分析方法 11

2.2.1 细胞生长的测定 11

2.2.2 ε-聚赖氨酸含量的测定 11

2.2.3 葡萄糖、果糖和蔗糖浓度的测定 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 糖蜜成分及发酵可行性分析 13

3.1.1 糖蜜成分分析 13

3.1.2 小白链霉菌Streptomyces albulus PD-1对糖蜜中不同糖分的利用情况 13

3.2 糖蜜水解条件的探究 14

3.3 糖蜜发酵最适初糖浓度探究 15

3.4 5L发酵罐上分批发酵和补料分批发酵ε-聚赖氨酸 17

3.5本章小节 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致 谢 26

第一章 文献综述

1.1 引言

ε-聚赖氨酸（ε-poly-L-lysine，以下简称ε-PL）是日本的酒井平一和岛昭二^[1]两位博士1977年在大量筛选有价值的生物碱（Dragendorff-positive）物质时首次发现的一种新型聚合物。ε-PL具有广谱抑菌性，能够抑制革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和病毒的活性，且具有安全性能高、水溶性好、热稳定性好等优点，是一种性能优良的生物防腐剂。此外，ε-PL在化妆品、基因载体、药物包被物、电子材料和环保材料等领域也具有广阔的开发和应用前景。ε-PL市场价格居高不下，高昂的发酵生产成本是限制它的广泛应用的重要原因。ε-PL作为一种具有巨大的应用潜力与商业价值的生物高分子，已成为众多学者的研究热点。

1.2 ε-聚赖氨酸的理化性质

ε-PL是一种由微生物大量生产的氨基酸同型聚合物，其结构如下图所示，它由L-赖氨酸的ε-氨基与另一L-赖氨酸的α-羧基形成的ε-酰胺键连接而成^[2]。ε-PL纯品为白色或淡黄色粉末，略有苦味，吸湿性强；不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，极易溶于水、盐酸，有良好的热稳定性，在100 ℃加热处理30 min及120 ℃加热处理20 min，均保持其抑菌能力。ε-PL的等电点pI约为9.0，比旋光度[α]²⁵_D=57.1º（c=1，H₂O）[α]²⁵_D=40.9º（c=1.3，5 mol L^-1 HCl）^[3]。

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