乳酸桿菌水中發(fā)酵產(chǎn)生胞外多糖的研究和建模(共13頁)

1、乳酸桿菌水中發(fā)酵(f jio)產(chǎn)生(chnshng)胞外多糖的研究(ynji)和建模原文來源：Carbohydrate Polymers 114 (2014) 4347 K. Thirugnanasambandham, V. Sivakumar , J. Prakash MaranDepartment of Food Technology, Kongu Engineering College, Perundurai, Erode 638052, Tamil Nadu, India摘 要現(xiàn)階段研究的主要目標(biāo)是調(diào)查和優(yōu)化水中發(fā)酵過程的參數(shù)，比如用乳酸桿菌生產(chǎn)細(xì)胞外多糖和其他生物質(zhì)產(chǎn)物用乳酸桿菌生產(chǎn)

2、其他用乳酸桿菌生產(chǎn)其他過程中椰子汁的添加量，氯化鈉的劑量、培養(yǎng)溫度和時(shí)間等。在水中發(fā)酵過程的建模中應(yīng)用了結(jié)合了四種三級(jí)響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的響應(yīng)面法。響應(yīng)面法表明了實(shí)驗(yàn)與預(yù)測(cè)價(jià)值的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究水中發(fā)酵過程中變量的交互式影響還用到了3d響應(yīng)面圖。對(duì)使胞外多糖和其他生物質(zhì)產(chǎn)物產(chǎn)量最大的最佳條件如下：添加40%的椰子汁，氯化鈉劑量為15%，培養(yǎng)時(shí)間為24小時(shí)，溫度為35攝氏度。在這些條件下會(huì)產(chǎn)生10.57g/l的胞外多糖和3.9g/l的生物質(zhì)。關(guān)鍵詞胞外多糖；水下發(fā)酵；乳桿菌屬；響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)；優(yōu)化1 介紹(jisho)目前(mqin)，食品級(jí)生產(chǎn)胞外多糖（EPS）是人們?cè)掝}(hut)。他們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域由

3、于其抗腫瘤，抗癌，抗?jié)?，增?qiáng)免疫力，降低膽固醇的能力（De Vuyst, De Vin, Vaningelgem, & Degeest, 2001）具有極高潛能。發(fā)酵是生物轉(zhuǎn)化的復(fù)雜的基質(zhì)成簡(jiǎn)單的化合物的各種微生物如細(xì)菌和真菌的方法。此外，它可以分為兩個(gè)主要方面如下；固態(tài)發(fā)酵（SSF）和液體深層發(fā)酵（SMF）。相比SSF，SMF更易操作且效率更高。這是最適合于如細(xì)菌等需要高濕度含量的微生物的技術(shù)。這種技術(shù)的一個(gè)附加的好處是凈化最終產(chǎn)品更容易。更近幾年，SMF使用乳酸菌（LAB）在生物技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生具有生物活性的胞外多糖已經(jīng)很引人注意。乳桿菌TISTR 1498 的EPS只含有葡萄糖，表明均聚糖

4、類合成葡聚糖，它可能在藥物，保健，化妝品和食品工業(yè)等具有潛力（(Duenas, Munduate, Perea, & Irastorza, 2003）。此外，調(diào)節(jié)SMF過程中的條件如，椰子水，氯化鈉濃度，培養(yǎng)時(shí)間和溫度會(huì)顯著影響過程的效率。它的最優(yōu)化將可以得出一通過合理的操作成本產(chǎn)生最大活性性EPS的方法（Thirugnanasambandham, Sivakumar, & Prakash Maran, 2014a）。RSM是一個(gè)特定的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法的研究，用于幫助在某些問題的解決一定的類型，這是科學(xué)的相關(guān)過程。然而，據(jù)我們所知，SMF不能用于利用L.亞種經(jīng)由RSM產(chǎn)生EPS的過程。因此，本研

5、究的目的是估計(jì)在一些SMF條件影響下，如椰子水，加入NaCl劑量，培養(yǎng)時(shí)間和溫度利用L.亞種經(jīng)由RSM產(chǎn)生EPS和生物質(zhì)的產(chǎn)量。2 實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1 材料與化學(xué)當(dāng)?shù)毓?yīng)商（Erode, Tamil Nadu）提供的中型L. confuses TISTR 1498菌株2.2. 發(fā)酵過程在SMF工藝中，對(duì)含有100毫升培養(yǎng)基的錐形瓶進(jìn)行冷凍培養(yǎng)。對(duì)制備的微生物接種，10%的菌株被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)含有100毫升培養(yǎng)基的250毫升錐形瓶，并培養(yǎng)在3524小時(shí)直到達(dá)到光密度（OD）0.8，650 nm。10%（體積分?jǐn)?shù)）的接種物被轉(zhuǎn)移到一個(gè)3升的有效容積為2 L的發(fā)酵罐，在35C 每分鐘50轉(zhuǎn)的攪拌的條

6、件下培養(yǎng)24小時(shí)。2.3. 分析方法用標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)程序（Phisit, 2012）測(cè)量(cling)EPS和生物量的濃度(nngd)。所有樣品一式三份進(jìn)行評(píng)價(jià)。2.4. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在目前的研究中，RSM和（BBD）被用來研究過程變量如椰子水（A），NaCl劑量（B），孵育時(shí)間（C）和溫度（D）對(duì)深層發(fā)酵等過程除個(gè)人和互動(dòng)的影響（表1），而EPS產(chǎn)量（Y1）和生物量（Y2）為響應(yīng)。結(jié)果適用于一個(gè)二階多項(xiàng)式模型，如下面的公式所示其中Y是響應(yīng)變量；xi和xj（i和j的范圍從1 到K）；0是模型的截距系數(shù)；J，JJ和IJ分別是相互作用的線性，二階線性，二次系數(shù)；K是獨(dú)立的參數(shù)的數(shù)量（在這項(xiàng)研究中

7、K = 4）；EI是誤差（(Prakash Maran, Sivakumar, Thirugnanasambandham, & Sridhar, 2014）。然后，充足的模型進(jìn)行方差分析和實(shí)際與預(yù)測(cè)圖檢查。最后，優(yōu)化的過程變量進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化方法結(jié)合。所有的統(tǒng)計(jì)分析采用的統(tǒng)計(jì)運(yùn)用了設(shè)計(jì)專家統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)軟件包的幫助，表1過程變量及其參數(shù)表2 BBD實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果表3 SMF過程(guchng)連續(xù)模型的統(tǒng)計(jì)表表4 SMF過程(guchng)模型簡(jiǎn)要總結(jié)表5 SMF過程(guchng)單因素(yn s)方差分析的結(jié)果3 結(jié)果(ji gu)和討論31 數(shù)學(xué)模型的開發(fā)(kif)和討論BBD實(shí)驗(yàn)(shyn)數(shù)據(jù)

8、（表2）采用多回歸分析，即連續(xù)平方模型和（表3）和模型統(tǒng)計(jì)總結(jié)（表4）。從結(jié)果來看，由于較高的F值，較高的相關(guān)系數(shù)（R2）和較低的p值，二階多項(xiàng)式方程被選來代表SMF過程。得到的方程與編碼的因素因素如下Y1 = 10.40 + 0.43A + 0.71C + 0.26D + 0.040AB + 0.46AC + 0.63BD+0.14CD 0.85A2 1.39B2 1.19C 2 0.61D2Y 2 = 3.72 + 0.46A + 0.48C + 0.27D + 0.235AB + 0.16AC + 0.60BD+0.18CD 0.76A2 1.95B2 2.15C 2 0.74D2然后，

9、建立的數(shù)學(xué)模型的合適性是運(yùn)用方差分析（ANOVA）檢測(cè)的，結(jié)果如表5所示。在表5中可以看出， EPS和生物質(zhì)的高產(chǎn)量意味著開發(fā)二次模型是非常重呀的。二者建立的模型的p值小于0.05顯示建立相應(yīng)的模型的重要性。本研究得到的相對(duì)誤差（CV%）和平均精度（AP）值，展示了觀察和預(yù)測(cè)值之間重要且強(qiáng)烈的相關(guān)性的問題。同時(shí)，實(shí)際和預(yù)測(cè)的EPS和生物質(zhì)產(chǎn)量繪制在圖1。數(shù)據(jù)點(diǎn)接近直線，表明實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和從模型獲得的數(shù)據(jù)之間的相應(yīng)協(xié)調(diào)性。(Thirugnanasambandham et al., 2014c).3.2 SMF過程(guchng)中過程條件的影響從建立的數(shù)學(xué)模型來看，三元構(gòu)建(u jin)是用來研究S

10、MF過程(guchng)變量的相互影響，如圖.2和圖3（Prakash Maran, Sivakumar, Thirugnanasambandham, & Sridhar,2013b）。為了研究椰子水的加入對(duì)SMF的影響，實(shí)驗(yàn)是在不同的椰子水中進(jìn)行，結(jié)果示于圖2（1B）。從結(jié)果來看，可以觀察到，EPS和生物產(chǎn)量隨椰子水加至45%的過程線性增加。然而，椰子水加超出45%顯示出對(duì)SMF過程的負(fù)面影響。也研究了NaCl對(duì)SMF過程的影響。從結(jié)果來看，可以觀察到，EPS和生物量隨NaCl在5到20%范圍內(nèi)的增加呈線性（圖2B）。然而，NaCl劑量超過20%，導(dǎo)致EPS和生物質(zhì)產(chǎn)量的降低。檢查培養(yǎng)時(shí)間對(duì)

11、SMF過程的影響，實(shí)驗(yàn)在不同培養(yǎng)時(shí)間進(jìn)行，結(jié)果示于圖3（1B）。從結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)，該EPS和生物產(chǎn)量隨培養(yǎng)時(shí)間達(dá)25小時(shí)迅速增加。超過25小時(shí)，結(jié)果顯示可以忽略EPS和生物質(zhì)產(chǎn)量。為了研究溫度的影響，實(shí)驗(yàn)是在不同的溫度下進(jìn)行，結(jié)果如圖3所示（1B），這表明，EPS和生物量隨溫度升高而增加（Looijesteijn & Hugenholtz, 1999）。之后EPS和生物質(zhì)產(chǎn)量有顯降低。SMF的過程擾動(dòng)圖如圖4所示。它也證明了SMF過程變量影響的重要性。圖一ssf過程的預(yù)測(cè)值和對(duì)應(yīng)實(shí)際值圖二RSM法表示(biosh)的SSF過程(guchng)變量（A和B）的影響(yngxing)圖三 RSM法表

12、示的SSF過程變量（C和D）的影響圖四 SSF過程(guchng)的擾動(dòng)圖3.3 多響應(yīng)(xingyng)優(yōu)化目前(mqin)SMF的最佳(zu ji)條件是40%的椰子水，15%氯化鈉的劑量，在24 h和35C.的培養(yǎng)時(shí)間和溫度條件下，產(chǎn)生了10.57 g / L的EPS和3.9 g / L的生物質(zhì)。4. 結(jié)論在目前的研究中，檢測(cè)了用L.菌株液體深層發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)EPS濃度和生物質(zhì)。用含BBD的RSM法在三因素四水平建立二階多項(xiàng)式模型。方差分析用來分析系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型是否合適。40%的椰子水，15%氯化鈉的劑量，24小時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間和 35C的溫度被認(rèn)為是最佳的條件。在這些條件下，產(chǎn)生了10.

13、57 g / L的EPS和3.9 g / L生物質(zhì)。結(jié)果表明，SMF是利用L. confusus產(chǎn)生最多EPS合適的技術(shù)。參考文獻(xiàn)De Vuyst, L., De Vin, F., Vaningelgem, F., & Degeest, B. (2001). Recent developments in the biosynthesis and applications of heteropolysaccharides from lactic acid bacteria. International Dairy Journal, 11, 687707.Duenas, M., Munduate,

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