rhodotorulasp.发酵生产类胡萝卜素的动力学研究.(附件)【字数：11040】
摘 要摘 要类胡萝卜是一种具有多种保健功能、对人体十分有益的偏黄色、橙红色的复杂化合物素，它在一些比较常见的菌种、植物中都大量的存在。当使用红酵母来生产类胡萝卜素的时候有很多明显的长处，比如发酵过程的整体时间不长，整个发酵流程控制起来也比较容易，这为工业化生产菌体提供了便利。随着日前人们对食品安全问题越来越重视以及对优良品质、天然无公害的食品的需求日益提高，微生物发酵生产类胡萝卜素的前景也变得越来越好。本文以葡萄糖为原料，用红酵母菌(Rhodotorula sp.)进行发酵并研究其发酵动力学。通过对每12 h的红酵母菌生物量、葡萄糖消耗浓度以及类胡萝卜素的产量得出，经过大约12 h的延缓期后，类胡萝卜素的产量与红酵母细胞的生物量一起快速增加，生物量的最大值为16.35 g/L。产物的合成与酵母菌的生长是相关的过程，在t为60 h左右达到最大值4.21 mg/L，36 h以后，菌体的发育速度开始变得越来越慢，大约两天之后菌体进入一个稳定时间。而同一时间伴随着红酵母细胞生物量的快速提高，葡萄糖的底物浓度也很快速的降低，48 h之后，总糖的浓度变得接近于0。利用实验数据分别构建了菌体细胞生长、类胡萝卜素的产生、葡萄糖消耗的动力学模型。得到的细胞生长动力学模型是/；与之相对应的类胡萝卜素生成动力学模型是Cp=/；葡萄糖的底物消耗动力学模型是/。经过软件处理验证，所得到的动力学模型与实验结果能够非常好的匹配。这也表明了所建立的动力学的模型能够用来表示完整的发酵过程，在为控制类胡萝卜素的发酵生产流程与深入扩大生产方面提供很好的理论支撑。关键词红酵母；类胡萝卜素；动力学；发酵
目 录
第一章 绪论 1
1.1 类胡萝卜素的概述 1
1.2 类胡萝卜素分子结构 1
1.3 类胡萝卜素生理特性 2
1.3.1 类胡萝卜素在光合作用中的作用 2
1.3.2 类胡萝卜素分子抗氧化性 2
1.3.3 类胡萝卜素在细胞膜上的作用 3
1.3.4 类胡萝卜素与蛋白质分子之间的彼此作用 3
1.4 类胡萝卜素实际应用 3
1.4.1 功能性色素 3
1.4.2 饲料添加剂 4
1.4.3 预防肿瘤 4
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1.4.4 其它方面的药用功能 4
1.5 类胡萝卜素生产方式 5
1.5.1 植物提取法 5
1.5.2 化学合成法 6
1.5.3 微生物发酵法 6
1.6 利用微生物生胡萝卜素研究概况 7
1.6.1 利用红酵母生产类胡萝卜素 7
1.6.2 利用基因工程产类胡萝卜素 9
1.7 发酵动力学研究 9
1.7.1 发酵动力学特性 9
1.7.2 动力学模型分类 10
1.7.3 菌体的生长动力学模型 11
1.7.4产物形成动力学模型 11
1.7.5 底物消耗动力学模型 12
1.8本课题的研究意义 12
第二章 材料与方法 14
2.1 实验材料 14
2.1.1 实验菌株 14
2.1.2 实验仪器 14
2.1.3 实验试剂 14
2.2 实验方法 15
2.2.1 培养方法 15
2.2.2 细胞生物量检测方法 15
2.2.3 类胡萝卜素的分析方法 15
2.2.4 葡萄糖底物的分析方法 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 类胡萝卜素发酵过程 16
3.2细胞生长动力学模型 16
3.3 产物形成动力学模型 17
3.4 底物消耗动力学模型 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
第一章 绪论
1.1 类胡萝卜素的概述
类胡萝卜素包括了番茄红素、虾青素、叶黄素和β萝卜素，是一类天然的色素，十九世纪三十年代，Wachenroder从萝卜的根须里分离提取出了一些色素，并把这种色素起了个名字叫“胡萝卜素”；后来，Berzelius分离出了黄色的色素从植物的一些叶片里，这一黄色色素被命名成“叶黄素”；到了21世纪，现代生物技术水平越来越高，科学家们采用色谱分析等技术手段分离出与之相类似的天然色素，这种色素就被叫做“类胡萝卜素”[1]。
类胡萝卜素在我们地球上主要以四种方式存在[2]。(1)以晶体的形式或无定型的固体形式存在于溶液或脂质的介质中；(2)以脂肪酸酷的形式(如辣椒中辣椒红素的月桂酸醋)存在；(3)与蛋白质相联合而存在，成为一种结构最稳定的的胡萝卜素的分子；(4)与某些糖类结合(比如龙胆二糖)。现在已经有近六百多种的类胡萝卜素的结构被人们所知道，其中柑桔中有一百多种多种。主要是是叶黄素、岩藻黄素(fuooxanthi)(海藻类生物特有)、新黄质(neoxanthin)和荃菜黄素丈(violaxanthin)这几种。这些类胡萝卜素可以分成胡萝卜素和叶黄素两大种类。
非水容性的的类胡萝卜素占到了胡萝卜素中的大多数，在一些生物体的疏水环境中广泛存在，比如某些蛋白和脂类的疏水区域中。这一种类胡萝卜素的主要运送方式是凭借亲脂脂蛋白完成的。此外，类胡萝卜素还非常容易逐渐衰减在受到热、氧、光等因素影响的时候。
1.2 类胡萝卜素分子结构
类胡萝卜素在分子结构上可以看成八个类异戊二烯构成的CO类物质和它的衍生物共同组成，类胡萝卜素分子的一般结构是由2个分子的20个C原子构成的，这一物质的基本结构是番茄红素，此外，其它种类的类胡萝卜素是由其经过一系列氧化、氢化、脱氢、环化等环节产生的[3]。分子结构中包含的由不一样数目的单键或双键的长链所构成的中间分子区域是类胡萝卜素分子最显著的结构特征，能够成为一个完整的共扼体。大部分的类胡萝卜素结构中含有九至十三个共轭双键，由于/的作用，使得许多同分异构体在每个类胡萝卜素分子都有很高的存在可能性。类胡萝卜素大多数情况下是碳四十分子结构，然而有时也有数目很高的碳类的胡萝卜素(/和/)。
/
图11番茄红素和β类胡萝卜素的结构
Fig11 Structure of lycopene and beta carotene
类胡萝卜素是共轭双键组成的长链多烯类物质，发色团形成也是根据的以上原理。类胡萝卜素的主要结构是直链反式结构。可以将它可分为两种按照它的组成方式，第一种是包含了C元素和H元素的类胡萝卜素，比如β胡萝卜素和番茄红素，而另外一种是含O分子的化合物。β胡萝卜素和番茄红素的分子结构见图11。
1.3 类胡萝卜素生理特性
类胡萝卜素能够起到一些很重要的作用：它们是一种很强的抗氧化剂；在光合作用中也是至关重要的，能十分有效的碎灭单线态的氧；在和其它蛋白质分子发生反应的时候，能够对细胞膜起着重要的化学作用；它们还可以保护人类的健康，可以抵抗有些人类的重大疾病，并且在保护免疫系统方面起着十分重要的作用。
1.3.1 类胡萝卜素在光合作用中的作用
在光合作用的过程中类胡萝卜素发挥两种十分重要的作用：分别是光吸收作用和光保护作用。首先，可见光在被类胡萝卜素分子吸收后，能够激发类胡萝卜素分子的状态，使得类胡萝卜素分子可以把能量运送给叶绿素，这么一来，光合作用中所必须的能量就可以被类胡萝卜分子吸取；其次，类胡萝卜素分子还能够将具有活性度很高的单线态氧分子中的能量以热能的方式放出来，并将该分子转化为基态氧，这一功能在光合作用的整个流程中对生物体发挥着到特别重要的功能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 类胡萝卜素的概述 1
1.2 类胡萝卜素分子结构 1
1.3 类胡萝卜素生理特性 2
1.3.1 类胡萝卜素在光合作用中的作用 2
1.3.2 类胡萝卜素分子抗氧化性 2
1.3.3 类胡萝卜素在细胞膜上的作用 3
1.3.4 类胡萝卜素与蛋白质分子之间的彼此作用 3
1.4 类胡萝卜素实际应用 3
1.4.1 功能性色素 3
1.4.2 饲料添加剂 4
1.4.3 预防肿瘤 4
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1.4.4 其它方面的药用功能 4
1.5 类胡萝卜素生产方式 5
1.5.1 植物提取法 5
1.5.2 化学合成法 6
1.5.3 微生物发酵法 6
1.6 利用微生物生胡萝卜素研究概况 7
1.6.1 利用红酵母生产类胡萝卜素 7
1.6.2 利用基因工程产类胡萝卜素 9
1.7 发酵动力学研究 9
1.7.1 发酵动力学特性 9
1.7.2 动力学模型分类 10
1.7.3 菌体的生长动力学模型 11
1.7.4产物形成动力学模型 11
1.7.5 底物消耗动力学模型 12
1.8本课题的研究意义 12
第二章 材料与方法 14
2.1 实验材料 14
2.1.1 实验菌株 14
2.1.2 实验仪器 14
2.1.3 实验试剂 14
2.2 实验方法 15
2.2.1 培养方法 15
2.2.2 细胞生物量检测方法 15
2.2.3 类胡萝卜素的分析方法 15
2.2.4 葡萄糖底物的分析方法 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 类胡萝卜素发酵过程 16
3.2细胞生长动力学模型 16
3.3 产物形成动力学模型 17
3.4 底物消耗动力学模型 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
第一章 绪论
1.1 类胡萝卜素的概述
类胡萝卜素包括了番茄红素、虾青素、叶黄素和β萝卜素，是一类天然的色素，十九世纪三十年代，Wachenroder从萝卜的根须里分离提取出了一些色素，并把这种色素起了个名字叫“胡萝卜素”；后来，Berzelius分离出了黄色的色素从植物的一些叶片里，这一黄色色素被命名成“叶黄素”；到了21世纪，现代生物技术水平越来越高，科学家们采用色谱分析等技术手段分离出与之相类似的天然色素，这种色素就被叫做“类胡萝卜素”[1]。
类胡萝卜素在我们地球上主要以四种方式存在[2]。(1)以晶体的形式或无定型的固体形式存在于溶液或脂质的介质中；(2)以脂肪酸酷的形式(如辣椒中辣椒红素的月桂酸醋)存在；(3)与蛋白质相联合而存在，成为一种结构最稳定的的胡萝卜素的分子；(4)与某些糖类结合(比如龙胆二糖)。现在已经有近六百多种的类胡萝卜素的结构被人们所知道，其中柑桔中有一百多种多种。主要是是叶黄素、岩藻黄素(fuooxanthi)(海藻类生物特有)、新黄质(neoxanthin)和荃菜黄素丈(violaxanthin)这几种。这些类胡萝卜素可以分成胡萝卜素和叶黄素两大种类。
非水容性的的类胡萝卜素占到了胡萝卜素中的大多数，在一些生物体的疏水环境中广泛存在，比如某些蛋白和脂类的疏水区域中。这一种类胡萝卜素的主要运送方式是凭借亲脂脂蛋白完成的。此外，类胡萝卜素还非常容易逐渐衰减在受到热、氧、光等因素影响的时候。
1.2 类胡萝卜素分子结构
类胡萝卜素在分子结构上可以看成八个类异戊二烯构成的CO类物质和它的衍生物共同组成，类胡萝卜素分子的一般结构是由2个分子的20个C原子构成的，这一物质的基本结构是番茄红素，此外，其它种类的类胡萝卜素是由其经过一系列氧化、氢化、脱氢、环化等环节产生的[3]。分子结构中包含的由不一样数目的单键或双键的长链所构成的中间分子区域是类胡萝卜素分子最显著的结构特征，能够成为一个完整的共扼体。大部分的类胡萝卜素结构中含有九至十三个共轭双键，由于/的作用，使得许多同分异构体在每个类胡萝卜素分子都有很高的存在可能性。类胡萝卜素大多数情况下是碳四十分子结构，然而有时也有数目很高的碳类的胡萝卜素(/和/)。
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图11番茄红素和β类胡萝卜素的结构
Fig11 Structure of lycopene and beta carotene
类胡萝卜素是共轭双键组成的长链多烯类物质，发色团形成也是根据的以上原理。类胡萝卜素的主要结构是直链反式结构。可以将它可分为两种按照它的组成方式，第一种是包含了C元素和H元素的类胡萝卜素，比如β胡萝卜素和番茄红素，而另外一种是含O分子的化合物。β胡萝卜素和番茄红素的分子结构见图11。
1.3 类胡萝卜素生理特性
类胡萝卜素能够起到一些很重要的作用：它们是一种很强的抗氧化剂；在光合作用中也是至关重要的，能十分有效的碎灭单线态的氧；在和其它蛋白质分子发生反应的时候，能够对细胞膜起着重要的化学作用；它们还可以保护人类的健康，可以抵抗有些人类的重大疾病，并且在保护免疫系统方面起着十分重要的作用。
1.3.1 类胡萝卜素在光合作用中的作用
在光合作用的过程中类胡萝卜素发挥两种十分重要的作用：分别是光吸收作用和光保护作用。首先，可见光在被类胡萝卜素分子吸收后，能够激发类胡萝卜素分子的状态，使得类胡萝卜素分子可以把能量运送给叶绿素，这么一来，光合作用中所必须的能量就可以被类胡萝卜分子吸取；其次，类胡萝卜素分子还能够将具有活性度很高的单线态氧分子中的能量以热能的方式放出来，并将该分子转化为基态氧，这一功能在光合作用的整个流程中对生物体发挥着到特别重要的功能。
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