奥默毕赤氏酵母发酵过程的控制及数学模型的建立

<广州食品工业科技> Guangzhou Food Science and Technology Vo1．18 No．1(总 74) 奥默毕赤氏酵母发酵过程的控制及 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型的建立 张继泉 孙玉英 王瑞明 关凤梅 (山东轻工业学院食品工程 系 济南 2501o0) 摘 要 本文通过对奥默毕赤氏酵母发酵过程的拟合，初步确定了该菌株发酵葡萄糖和木糖的最适浓度分别为 0．10kg·L-1 和 0．076kg·L～。发 酵 0．10 kg·L一。葡萄糖 的最适发酵 时间为 36h，发酵 0．076kg·L-1木糖 的最 适发酵 时间为 62．2h。 关键词 奥默毕赤氏酵母 ；发酵；拟合方程 Control and Model of the Fermentation Process with Pichia ohmeri Zhangjiquan，Sun yuying，Wang ruJming，Guan fengmei (Dept．of Food Engineering，Shandong Institute of Light Industry Jinan 250100) Abstract Through 6mngthefermentation process ofthePichiaohmeri，itwas gotthatthe mal concentrations ofthe glucose and xylose werc 0．10kg·L～and 0．076kg·L～ separately．The fermentation time was 36h when the glucose of 0．10 kg·L～ Was fermented and the fer· mentation time Was 62．2h when the xylose of 0．076 kg·L一。Was fermented Key words Pichia ohmeri；fermentation；fitted equation 地球上每年大约形成 1000亿 吨植物有机物 ，是 自 然界分布最广 、含量最多、价格低廉 ，而又未得到充分 利用的可再生 资源⋯1。利 用木质纤 维素发 酵生产燃 料酒精在解决资源危 机、食物 短缺 、环境污染等 方面 有着重要的作用【 “】。 本实验室经过长期工作，从自然界中筛选出一株 能够同时发酵葡萄糖与木糖的酵母菌株一奥默毕赤 氏酵母(Pichia ohmeri)SQY一021。有效的控制葡萄糖 浓度与木糖浓度 对于提高乙醇产率有着重要 的意义。 本人利用建立数学模型的方式初步解决了这一问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 l 材料 1．1 菌种 奥默毕赤氏酵母 SQY一021 本实验室 自行筛选。 1．2 培养基 YEPD培养基 ； 发酵葡萄糖培养基：改变 YEPD 中的葡萄糖浓 度，其余组分含量不变； 发酵木糖培养基 ：发酵葡萄糖培养基中的葡萄糖 收曩日囊：2002—9—12 作者篱介：张t囊【1975 1．舅．一曩工疆■．一士研完生．在蕾．主要 从事 生●一技术的研究。 改为木糖 ，其余组分含量不变。 2 方法 2．1 菌种活化 从斜面试管刮取一环酵母菌泥于 YEPD培养基 中，160r／rain，30℃下 培养 16h。多 次离心 。洗涤 ，加无 菌生理盐水调细胞浓度 为 109ceU／mL。 2．2 发酵 按 107cell／mL的接种 量 向发 酵培养基 添加 活化 的菌悬液 ，34℃下静 止发酵 48h(发酵 木糖时 为摇床 培养 ，转速为 80r／min，时间为 72h)。 2．3 蒸馏 发酵结束后，取 100mL发酵液加入 100mL蒸馏水 蒸馏出 100mL样品，利用气相色谱法【6】测定乙醇含 量。 2．4 计算 g~lttt)= 篇 3 结果与讨论 3．1 葡萄糖浓度对 乙醇产率 的影响 分别测定发 酵不 同葡萄糖浓 度 的发 酵培养 基的 乙醇产量，按公式计算出乙醇产率(如表 1)，并按表 l 7l 维普资讯 http://www.cqvip.com <广州食品工业科技> Vo1．18 No．1(总74) 数据作图(如图 1)。 表 l 葡萄糖浓度对乙醇产率的影响数据表 TIbk l 1k Dm ofIhcE0mnolYield at Di Olucose cc联棚舡ad0n 萄萄|I奢量 0．∞ 0．o1 0．06 0．∞ 0．10 0．12 0．14 0．16 0．18 0．20 ’L-1 乙肆产丰 0．192 0．3Il 0．3s3 0．36B 0．389 0．314 0．19l 0．165 0．155 0．143 ／g‘g—l 利用 QSTAT软件对数据进行拟合，可以得到分 段拟合方程 ： y：f0．433一 o．o2 ¨ (1) v=《 ^ (1) 0．0459e丁 0．1≤ X≤0．2 。L 对拟合方程(1)进行求导 ，可以得到 f 0 ．0 05 0．02<~X≤0．10 ·L’l Y={ (2) 【 一 0．1≤ 20kg·L 由式(2)可以确 定 ，当 X<0．10kg·L．1时 ，乙醇产 率随葡萄糖浓度 的增 加而 逐渐增 大 ；当 X>0．10kg· L．1时，乙醇产 率随 葡萄糖 浓度 的增 加而逐 渐减 小。 由此可以确定 ，在 X>0．1Okg·L．1时 ，乙醇 产率最大 ， 所以在发酵过程中应控制葡萄糖浓度为 0．10kg·L．1 左右。 乙醇产率／gg-- Ethanol Yield／gg一‘ 72 0． 0． 0． 0． 0． O． O． O． O． 12 木糖浓度／kg·L．1 X ylose Concentration／kg·L‘ 图2木糖浓度对乙醇产率的影响 3．2 木糖浓度对 乙醇产率的影 响 分别测定发酵不 同木糖 浓度 的发酵 培养基 的乙 醇产量，按公式计算出乙醇产率(如表 2)，并按表 2数 据作图(如图 2)。 未糖浓度 O．02 O．03 O．o4 O．05 O．06 O．o8 O．1O O．12 ／kg·L一 乙醇产率 0．140 0．146 0．151 0．155 0．158 0．159 0．083 0．016 ／g‘g一‘ 利用 QSTAT软件对数据进行拟合，可以得到分 段拟合方程： 卜6．19 +o．94X+0．124 o．02≤ ≤o．10 ‘L～ 。 【一O．7298—0．352 0．1≤ ≤O．12船·L一 对拟合方程(3)进行求导 ，可 以得到 r一12．38X+0．94 0．02≤ ≤0．10 。L一 I一 0．10≤x 12妇 l(4) 由式(4)可知，当 X>0．10l【g·L．1时 ，乙醇产率逐 渐降低 ；当 X<0．10kg·L．1时，令 一 12．38x+0．94=0 (5) 由(5)可得 x=0．076 所以，当木糖浓度为 0．076kg·LI1时，乙醇产率最 高 。所以在发酵含有木糖的发酵培养基时 ，应控制发 酵过程中木糖浓度为 0．076kg·L-1左右。 3．3 一定葡萄糖浓度下 ，发 酵时 间对 乙醇产 率的影 响 分别测定发酵不同时间时，菌株发酵葡萄糖浓度 为0．10kg·L-1的培养基的乙醇产量，按公式计算出乙 醇产率，作图(如图3)。 利用 QSTAT软件 对数据 进行 拟合 ，可 以得到分 段拟合方程 ： r 0．O18e。·05"7 6≤ t ~<21h y：{0．006@。‘ 21≤t<~36h (6) l 6．，97 0．24l2 — 36≤ t≤ 66h 对拟合方程(3)进行求导，可以得到 Y 0．O010e~·o57 0．654e~·009t 1．591 6—．5—97 一 下 6≤ t≤ 21 h 2l≤ ≤36^ (7) 36≤ t≤ 66h 由式(7)可 以明显 看 出，该 菌株在发 酵 36h时 乙 醇产率最大。原因是 由于该菌株有一定的同化乙醇 能力，在发酵液中的葡萄糖浓度较低时，菌株就可能 利用自身的代谢产物一乙醇来维持 自身的生长。由 此我们可以确定在利用该菌株进行 乙醇发酵 时，应严 维普资讯 http://www.cqvip.com <广州食品工业科技> Guangzhou Food Science and Technology Voi．18 No．1(总74) 格控制发酵时间在 36h左右 。 乙醇产率／gg Ethanol Yield／gg‘。 O．35 O．3 O．25 O．2 O．15 O．1 O．O5 O 0 10 20 30 4O 5O 6O 7O 时间／h 图3发酵时间对乙醇产率的影响 乙醇产*／gg O．16 O．12 O．O8 O．O，l O O lO 2O 3O 4O 5O 6O 7O 8O 9O 时间／h 图4发酵时间对乙醇产率的影响 3．4 一定木糖浓度下。发酵时间对乙醇产率的影响 分别测定发酵不同时间时 ，菌株发酵木糖浓度为 0．076kg·L-1的培养基 的 乙醇 产量 ，按公式计算 出乙 醇产率，作图(如图4)。 利用 QSTAT软件对 数据进行 拟合 ，可 以得 到拟 合方程 ： Y=一5．6×10一 t +6．962×10一t—O．07154 8≤t．<84h(8) 对式(8)进行求导，得 ： 一 1．12×10一‘t+6．962×10—0 8≤t．<84h (9) 令 ：0，则 df 一 1．12×10一‘t+6 ．962×10—3=0 (10) 将式(10)求解，得 t=62．2h。 所以 ，该 菌株在 发酵 0．076kg·L-1的木糖培养基 时。当发酵时间为62．2h时乙醇产率最大。因此，在发酵 含有木糖的培养基时，应控制发酵时间在 62h左右。 4 结论 4．1 通过利用 QSTAT软件对数据进行分析，得到发酵 葡萄糖及木糖的最适浓度分别为0．10kg·L-1和 0．076kg ·L～。发酵 0．10 kg·L 葡萄糖的最适发酵时间为 36h， 发酵 0．076kg·L-1葡萄糖的最适发酵时间为62．2h。 4．2 通过数学 方法建立起 来的拟 合方程 ，对于发酵 过程的控制具有重要的理论意义和实践意义。 参 考 文 献 l 陈艳萍，勇强，刘朝纲等 ．戊糖发酵微生物及其选育[J]．纤 维素科学与技术．2001，9(3)：18 20． 2 曲音波，高墙基．造纸厂废物发酵生产纤维素酶．乙醇和酵 母综合工艺的研究进展【J]食品与发酵工业 ，1993，19(6)：62 — 65． 3 NickNagie．A Ptoc~sEconomic toDevelop aDilute．．AcidCe1． 1uloseHydrolysis process to produc~ethanol from Biomass[J]． App1．Biotechno1．，1999，77—79：599—6O7． 4 Jeewon Lee．Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol[J】．J．Biotechno1．，1997，56：l一24． 5 杜连祥编著．工业微生物学试验技术[M]．天津 ：天津科学 技术 出版 社 ．1992。10 6 张龙翔 ，张庭芳 ，李令嫒．生化实验方法和技术[M]．北京： 高等教育 出版社 。1981． I上接第 86页) 糖酯影响最小 。 经进一步 实验证 明：0．05％单硬脂 酸甘 油酯、0． 1％司班 60及 0．15％蔗糖脂肪酸酯 3种乳 化剂和 0． 05％羧甲基纤维素纳、0．1％阿拉伯胶 2种稳定剂复合 使用时，产品在 6个月的保质期内，呈均匀稳定乳浊 液状态，未产生沉淀分层现象。 5 产品质量标准 5．1 感官指标 色泽 乳 白色或略带微黄 ； 滋味和气味 乳香味和淡淡的茶香味 ，无异味 ； 组织状况 组织细腻 ，质地均匀 。 5．2 理化指标 可溶性固形物≥5。Bx，蛋白质≥1．5g／100ml，砷 (以 AS计)≤0．5mg／Kg，铅(以Pb计)≤1．0rag／Kg，铜 (以 cu计)≤1．0mg／Kg。 5．3 卫生指标 菌落总数≤10个／nil，大 肠菌群 ≤3个／100ml，致 病菌不得检 出。 参 考 文 献 1 夏晓明，彭振山．植物蛋白饮料生产技术饮料化学工业出版 社 。2OO1． 2 中国茶 叶学 会 ．中国茶叶进 出 口公 司 ．中国茶与健康 中国经 济贸易出版社，199o(3) 3 胡小松等．现代果蔬汁加工工艺学．中国轻工业出版社， 1995． 4 刘程等 ．食品舔加剂实用大全 ．北京工业大学 出版社 。1995． 5 杨昌举．食品科学概论．中国人民大学出版社，1999． 73 维普资讯 http://www.cqvip.com