发酵木糖生产木糖醇的拉曼光谱研究

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木糖醇即戊五醇,是一种具有营养价值的甜味物质,是木糖生物代谢的产物,也是人体糖类代谢的正常中间体。木糖醇是一种优质的低热量蔗糖替代品,可作为糖尿病人的营养剂、治疗剂,因而在食品等的诸多行业中运用广泛。  传统的生产木糖醇方法是用富含木糖农林和工业废料经水解、氢化之后并经过一些列提纯工艺而获得木糖醇。但化学法需高温(115-135℃)、高压(约6.5×106Pa)、易燃易爆的高压氢气及对溶液纯度要求很高的镍催化剂,基本建设投资及操作费用高,污染较严重。而微生物发酵生产木糖醇可避免剧烈化学反应,对生产设备的要求低,同时又易于分离纯化,生产过程具有良好的社会经济效益,因而受到广泛关注和研究。但到目前为止,利用微生物发酵生产木糖醇仍未广泛应用于工业化生产。  拉曼光谱是分析分子结构和含量的有用工具,现已越来越多地应用于微生物的细胞结构、化学组成以及代谢过程的研究。本实验以热带假丝酵母发酵木糖生产木糖醇这一过程为研究对象,利用拉曼光谱对发酵过程中底物,发酵产物,以及细胞胞内生物大分子的变化进行研究。提取不同时刻发酵液拉曼光谱发现木糖的特征峰(866 cm-1)和木糖醇(901 cm-1)的特征峰强度,观察到866 cm-1位置的木糖醇的特征峰和901 cm-1的木糖特征峰在整个发酵过程中的变化趋势,木糖醇的特征峰从18h开始明显增高,而本糖的特征峰从发酵开始后逐渐减小,到30小时拉曼光谱的结果表明木糖基本完全消耗,对比高效液相色谱法检测结果发现两者变化曲线基本吻合,同时,拉曼光谱出现乙醇的特征峰880 cm-1表明发酵过程中有副产物乙醇的生成。  生物大分子能够产生各自独特的拉曼特征峰,在不同时刻酵母细胞的拉曼光谱指认分析这些特征峰能够提供胞内生物大分子如核酸,蛋白酰胺,脂类和糖类的信息,1658cm-1的特征峰来源于蛋白酰胺Ⅰ,处于1459cm-1的拉曼峰归属于C-H的振动模型,包括CH2的剪式振动和CH3的收缩振动,这些振动模型来源于酵母细胞蛋白质,核酸以及脂类物质,所以该峰是功能大分子共有的振动峰,可以作为细胞生物总量的代表,用作归一化的标准。1308 cm-1的振动峰来源于细胞中的酰胺Ⅲ,腺嘌呤和鸟苷酸;1003 cm-1拉曼信号归属于苯丙氨酸;出现在1030到1130 cm-1之间区域的拉曼峰代表细胞中碳水化合物;853 cm-1和830cm-1是丝氨酸的特征峰,前者代表包埋的丝氨酸,而后者代表裸露的丝氨酸;同时在拉曼谱图中也发现木糖的拉曼特征峰901 cm-1;783cm-1的振动峰来源于核酸(DNA和RNA)中胞嘧啶,胸腺嘧啶以及磷酸基团,并对不同时刻拉曼光谱中的1658cm-1(蛋白质),783cm-1(核酸)及碳水化合物的特征峰强变化做了分析,了解相关生物大分子的变化情况,发现利用拉曼光谱获得的变化情况与发酵各个阶段的代谢特征一致,能帮助我们了解酵母细胞胞内组分,结构和生理状态的变化,提供细胞在发酵过程中各个时期的演变信息。  这些数据表明拉曼光谱技术能够为木糖醇生物发酵研究提供光谱学的视角,同时也能够作为木糖醇发酵生产的新检测方法。
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