【摘 要】
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番茄红素是一种具有高经济价值的类胡萝卜素,其强大的抗氧化功能,使得其在饲料、食品、保健品、化妆品及医药等行业均得以广泛应用。目前已有不少研究者通过途径工程,在大肠杆菌中异源表达生产番茄红素,本实验构建了一株高产番茄红素菌株,在自诱导培养基中发酵24 h,产量为92.66 mg/L,但对它的生产潜力不甚了解。本论文着力于从培养基组分和菌体细胞宏观生理特性入手,挖掘其生产潜力并探索发酵模型。具体结果如
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番茄红素是一种具有高经济价值的类胡萝卜素,其强大的抗氧化功能,使得其在饲料、食品、保健品、化妆品及医药等行业均得以广泛应用。目前已有不少研究者通过途径工程,在大肠杆菌中异源表达生产番茄红素,本实验构建了一株高产番茄红素菌株,在自诱导培养基中发酵24 h,产量为92.66 mg/L,但对它的生产潜力不甚了解。本论文着力于从培养基组分和菌体细胞宏观生理特性入手,挖掘其生产潜力并探索发酵模型。具体结果如下:（1）高表达番茄红素发酵条件优化。鉴于复合培养基内含丰富的微量元素等物质,在工业生产中有较强的优势,本文首先考察了复合培养基的各组分,确定摇瓶中高产番茄红素的培养条件为氮源浓度28.5 g/L、诱导剂浓度1%（w/v）、诱导温度21℃;在5 L罐中发酵,补加2.5 g/L无机磷元素,OUR维持在60 mmol/L/h左右可以使番茄红素水平最高。本实验室构建的工程菌DM436番茄红素产量提高了 13倍（92.66 vs 1216 mg/L）,番茄红素得率提高9倍（4.69 vs 46.69 mg/gDCW）,（2）合成培养基研究。复合培养基组分复杂,因此,利用合成培养基可更精准地研究高产工程菌DM436的宏观生理特性,为此需要开发合成培养基。经过Box-Behnken试验设计（BBD）和单因素实验,确定最佳的合成培养基组成为:葡萄糖10 g/L,十二水合磷酸氢二钠18.25 g/L,磷酸二氢钾3.25 g/L,氯化钠0.65 g/L,硫酸铵6.5 g/L,并在发酵初始加入诱导剂,合成培养基中单位细胞菌体番茄红素产量为40 mg/L。（3）重组大肠杆菌发酵番茄红素的动力学模型。根据菌株DM436的细胞宏观代谢生理特性,利用Monod动力学模型并结合Herbert-Pirt方程和Luedeking-Piret方程,建立以黑箱模型为基础的发酵动力学模型和双底物限制性的动力学模型。在比较这两种动力学模型对发酵过程的适用性后,发现双底物限制性动力学模型与发酵过程更加吻合,这个结果对后续发酵过程优化具有指导意义。因此,经过发酵条件优化和发酵过程动力学模型模拟,确定了高产番茄红素菌株DM436具备工业生产的能力。同时,将数学模型与发酵过程相结合,对产番茄红素大肠杆菌基因工程菌的发酵控制和工业化应用具有指导作用。
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