玉米浆发酵产生物丁醇的氨基酸代谢动力学模拟

作者：赵新河; 贺壮壮; 赵玉斌; 马成业; 任晓洁^*

来源：农业工程学报, 2020, 36(18): 263-274.

• 动力学
• 模型
• 丙酮丁醇梭菌
• ABE发酵
• 玉米浆
• 微生物组分析
• 氨基酸

为了深入挖掘利用丙酮丁醇梭菌产生物丁醇过程中氨基酸代谢的动态过程,探究利用廉价氮源玉米浆中的氨基酸用于丙酮丁醇梭菌产生物丁醇的生产策略,寻找生产丁醇的高效率廉价氮源来降低发酵生产成本。该研究首先利用高通量测序技术对玉米浆中微生物多样性进行分析;同时基于丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生产丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethanol,ABE)碳代谢动态模型的基础上,构建氨基酸代谢模型,以此模拟15种氨基酸在利用木糖为碳源发酵生产ABE中的氨基酸代谢过程,并对氨基酸的代谢与丙酮丁醇梭菌的生物量以及ABE的合成相关性关系进行冗余分析;通过模型预测实际生产中利用玉米浆发酵时氨基酸的消耗过程。结果表明,梭状芽胞杆菌属(Clostridium)占细菌总数的68.76%,是玉米浆中的优势菌群;最佳参数校正后构建了氨基酸代谢模型,模拟值与试验值有较好拟合度;11种氨基酸(苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、丝氨酸、精氨酸、天冬酰胺)在培养过程中迅速消耗用于细胞生长和溶剂生成,3种氨基酸(脯氨酸、组氨酸、天冬氨酸)保持稳定状态,同时发酵过程中谷氨酰胺积累;冗余分析表明其中5种氨基酸对发酵产物及生物量影响具有相关性,相关性排序从大到小依次为丝氨酸、甘氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天冬酰胺;模拟预测玉米浆中缬氨酸、甘氨酸、丝氨酸在发酵过程中基本被消耗,推测其为发酵后期的营养限制性因子。该结论可证实玉米浆可作为丙酮丁醇梭菌发酵丁醇的优势氮源,为丙酮丁醇梭菌的氨基酸代谢调控及下一步利用并优化玉米浆作为氮源生产生物丁醇提供一定的理论参考和数据支撑。

• 单位
  重庆市科学技术研究院; 山东理工大学