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凝结芽孢杆菌具有独特的生理特性,能够进行高温发酵从而降低染菌风险,同时通过发酵可以获得高光学纯L-乳酸,研究发现通过改变发酵条件,凝结芽孢杆菌会表现出较大的发酵表型差异,因此对凝结芽孢杆菌发酵过程的代谢特性分析变得尤为重要。工业乳酸发酵主要以玉米淀粉/玉米粉为原料,其水解液属于混合碳源,在发酵结束时会有以异麦芽糖为主的残糖存在,从而使得乳酸产量降低以及后续提纯成本增加。本文先以凝结芽孢杆菌36D1作为研究对象,通过恒化培养分析不同稀释速率和不同pH条件下36D1产乳酸培养过程的代谢特性,然后比较了凝结芽孢杆菌36D1、HL5和BH1在混合碳源(特别是葡萄糖+异麦芽糖)下进行乳酸发酵过程的糖利用状况。本研究在合成培养基MCDM3++下分别对不同稀释速率0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 h-1进行葡萄糖限制下的恒化培养。以乳酸产量和糖酸转化率衡量,初步确定μ=0.15 h-1最适合乳酸发酵生产。利用恒化培养结果分别以Monod、Luedeking-Piret以及Luedking-Piret-Like方程建立了凝结芽孢杆菌36D1生长、乳酸合成和葡萄糖消耗动力学模型,拟合所得36D1最大比生长速率μm=0.294 h-1,半饱和常数Km=0.4942 g/L,乳酸合成属于部分生长偶联型且主要与生长速度相关。基于已构建的36D1全基因组代谢网络模型iBag597对不同条件下中心碳代谢途径主要反应的通量进行模拟分析,采用pFBA和FVA两种通量分析方法分析不同比生长速率下通量变化情况,采用取样方法(Sampling)分析不同pH下通量变化情况,发现比生长速率的提高或pH的降低使得菌体的葡萄糖代谢从ATP得率低的糖酵解(EMP)途径向ATP得率高的磷酸酮醇酶(XPK)途径变化。而在最低比生长速率0.05 h-1下,菌体会通过提高电子传输链通量来提高ATP生成能力以维持自身的生长。而ATP产生途径随比生长速率或pH的改变而发生改变,也导致乳酸合成效率发生改变。本研究还分别考察了凝结芽孢杆菌36D1、HL5和BH1对6种单一碳源和混合碳源的利用情况。单一碳源研究结果表明,36D1可以高效利用葡萄糖、木糖和海藻糖,但对麦芽糖利用能力较差。BH1和HL5可以高效利用葡萄糖和麦芽糖,对木糖和海藻糖利用较差。三株菌都可以代谢少量异麦芽糖,对蔗糖均无明显利用。以葡萄糖+其他五种碳源中的一种作为混合碳源发酵时,36D1表现出明显的葡萄糖分解代谢物阻遏效应;HL5和BH1对麦芽糖的利用不存在葡萄糖代谢物阻遏效应;通过对比发酵过程葡萄糖消耗完前后异麦芽糖的消耗量,HL5对异麦芽糖的利用较其它两菌株有一定优势。以45 g/L葡萄糖+45 g/L低聚异麦芽糖作为混合碳源进行5 L罐微耗氧发酵,结果表明,葡萄糖存在期间,36D1、HL5和BH1代谢异麦芽糖的速率分别为3.73 g/L/h、2.04 g/L/h和1.02 g/L/h。而在葡萄糖消耗完全后到发酵结束(72 h),三株菌代谢异麦芽糖的速率分别为0.066 g/L/h、0.125 g/L/h和0.042 g/L/h,在整个发酵过程,HL5代谢异麦芽糖的能力相对于36D1和BH1具有一定的优势。