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乳酸是工业领域必不可少的化学品。以乳酸为前体物聚合而成的聚乳酸是一种可生物降解且可再生的新型生物基材料,是目前最有潜力替代传统塑料的环保材料。近年来,由于以传统粮食为底物进行乳酸发酵造成的粮食安全问题和传统工艺中精制糖底物的高成本问题,寻求廉价非粮食作物作为乳酸发酵底物成为研究热点。菊芋是一种非粮食的生态和经济作物,在我国西北部种植范围广,因其根茎富含菊粉而成为一种良好的发酵底物来源。本课题筛选出一株副干酪乳杆菌NJ,其可以直接利用菊芋粉原料为底物发酵生产乳酸;探索了一种利用菊芋粉生产乳酸的发酵工艺,其发酵过程不需要原料酶解或酸解,不需要外加氮源,不需要灭菌。这种简单、低成本兼具高得率高纯度的L-乳酸发酵工艺使菊芋在乳酸工业生产中具有广阔的应用前景。主要结果如下:(1)从本实验室现有的乳酸菌中通过对菊糖和菊芋粉的利用情况对比选出了一株副干酪乳杆菌NJ,其利用菊芋粉生产乳酸产量最高,转化率最高(32.65 g/L和0.65 g/g JAP),表现出可直接利用菊芋粉生产乳酸的能力。同时在单一碳源(糖类)下NJ的的生长曲线和其乳酸发酵能力结果表明,NJ可以有效利用葡萄糖、果糖和蔗糖,对不同聚合度的菊粉均表现出了较高的乳酸转化率。(2)探究p H、温度、氮源来源、底物浓度、酶的添加与否和培养基灭菌与否对NJ利用菊芋粉发酵生产乳酸的影响。得到的结果为最适p H 5.5;最适温度40℃;最适氮源来源为玉米浆粉;不外加氮源条件下的转化率仅次于玉米浆粉实验组;不灭菌实验组的乳酸产量与转化率均和灭菌实验组的水平一致,并且副干酪乳杆菌仍占总菌数的99%以上。(3)在5-L和50-L厌氧发酵罐中,NJ在非无菌、不添加外源氮源条件下将215g/L菊芋粉直接转化为高浓度L-乳酸。乳酸产量、产率、平均生产率分别达到144.08g/L和139.57 g/L、0.67 g/g和0.65 g/g、4.37 g/L/h和3.32 g/L/h,转化效率为理论产率的99%。同时,生产的L-乳酸其光学纯度为99%。(4)对副干酪乳杆菌NJ的基因组进行测序、组装、编码基因功能注释和分析。通过在KEGG数据库对NJ进行代谢通路分析,发现其基因组含有大量参与磷酸转移酶系统和ABC转运系统的基因,以及多种糖苷酶基因,糖的转运和代谢活动丰富。其中尤以果糖/甘露糖介导的磷酸转移酶系统相关基因居多,并发现了两种与菊粉降解相关的关键酶基因,其编码的氨基酸序列在经典数据库中经BLAST比对预测具有菊粉酶活性,分别为β-果糖苷酶(3.2.1.80)和蔗糖-6-磷酸水解酶(或称β-呋喃果糖苷酶)(3.2.1.26)。