2 015 年我国实施了史上最严的环境保护法，对企业污染排放做出严格规定， 对违法排污企业惩罚力度大大加强。食品和药品发酵企业的废水/废渣的资源化 利用是降低企业运行成本的有效途径。发酵废水/废渣由于其有机质含量高、可 生化处理性好和成分相对稳定的特点，非常适用于微生物电化学产氢气。 微生物电化学产氢所用到的装置称作微生物电解池。该装置被质子交换膜分 隔成一个阳极室和阴极室。在阳极室，生长在电极表面的微生物能够降解有机物 生成二氧化碳、质子和电子。质子和电子分别通过质子交换膜和外电路到达阴极， 两者在一定的外电压（>0.2 V）作用下在阴极生成氢气。整个装置可以实现污水 中有机物的去除，同时回收氢气。

研发阶段/n内容简介：低热值微生物多糖是由霉菌产生的一种高分子多糖，可作为食品稳定剂、增粘剂和低热纤维素食品。目前只日本有生产，价格为2000~3000日元/公斤。我国有少量进口。该成果可直接进行工业化生产。这种产品的发酵生产已通过湖北省科技厅主持的鉴定，技术填补国内空白，居国内领先水平。主原料为淀粉质类农副产品，如稻米、玉米、土豆等，主要设备有发酵罐等。产业化所需投入资金：按年产500吨规模设计，总投资3000万元，其中设备投资约二千多万。

南开大学环境微生物与微生物制造研究室从发酵食品中分离得到一株解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens LL3），它能够利用蔗糖合成低聚果糖。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 南开大学环境微生物与微生物制造研究室从发酵食品中分离得到一株解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens LL3），它能够利用蔗糖合成低聚果糖。为了提高低聚果糖的产量和纯度，项目组采用温敏质粒结合反向筛选标记——无痕基因敲除法对菌株的其他胞外产物和六个胞外蛋白基因以及3个细菌胞外多糖基因（簇）进行了敲除；5L罐分批发酵低聚果糖的产量（42 h）达到43.34g/L。为了进一步提高蔗糖酶的分泌表达，项目组整合强启动子和信号肽对菌种进行改造，在5L发酵罐采用补料分批发酵工艺，菌株低聚果糖产量达101.7 g/L。分子量约5000Dal，纯度95%以上。 项目优势：                                                    （1）低聚果糖产品产量高：101.7g/L；产品纯度高：95%以上； （2）解淀粉芽孢杆菌属农业部规定可使用的微生物菌种； （3）所构建的重组菌株是采用无痕敲除法从解淀粉芽孢杆菌而来，菌株不含抗性基因，具有安全性； （4）采用国内发酵企业通用的发酵设备即可实施生产。

选育高产菌种和发展赖氨酸生产对于提高食品中蛋白质 利用率,增强人民体质以及发展家禽饲养业等具有十分重要的意义,对于以谷物为主要食物的我国尤为重要。本实验室通过诱变选育和基因工程手段对大肠杆菌进行改造，获得一株高产赖氨酸生产菌株，发酵培养 36 h，赖氨酸盐酸盐产量高达 193 g/L，葡萄 糖得率为 74%左右。 关键技术 (1)本研究以玉米浆为氮源，有效的降低了发酵成本； (2)以葡萄糖为原料生产 L-脯氨酸的高转化率发酵，该法绿色、环保、可持续，具有经济竞争力，有很好的产业应用前景； (3)以大肠杆菌为宿主，不仅缩短了发酵周期，而且也降低了染菌几率。 

L-缬氨酸是生命有机体的重要组成部分，在生命体内物质代谢调控和信息传递等许多方面扮演着重要角色。L-缬氨酸属于八种必需氨基酸之一，也是三种支链氨基酸之一。L-缬氨酸发酵是典型的代谢控制发酵。国内虽有天然蛋白质水解液分离提取 L-缬氨酸的产品，但由于其产量很低，质量不佳，纯度不高，所以无法实现大规模工业化生产。利用微生物发酵法生产 L-缬氨酸具有原料成本低，反应条件温和及易实现大规模生产等优点，是一种非常经济的生产方法。但是， 以微生物发酵法生产 L-缬氨酸，国内大多数菌株的产酸水平不高，特别是 L-缬氨酸的生产水平和产量远不能满足国内市场的需求。因此，开展发酵法生产 L-缬氨酸的研究具有极其重要的意义。本研究室通过高通量筛选策略，获得一株高产缬氨酸的黄色短杆菌。 

番茄红素具有强抗氧化作用，有卓越的防癌、抗癌、预防心血管疾病等功效，在食品、保健品、化妆品以及医药领域具有重要用途。目前，国外已将这一产品广泛用于食品添加剂、功能性食品、医药原料等方面。2003 年，美国《时代》杂志把番茄红素列在“对人类健康贡献最大的食品”之首，番茄红素由于其优越的功能和防癌、抗癌作用，被誉为“植物黄金”，成为“二十一世纪医药保健制品 新宠”。 本项目采用生物发酵法生产番茄红素，具备了工业化开发的条件，生产工艺成熟，产品质量稳定，番茄红素产量可达 1.5-2.5g/L，处于国内领先水平。 创新要点 采用三孢布拉酶菌发酵生产番茄红素，其合成水平高于多种生物体，而且具有生产原料易获得，不受自然条件限制，周期短和适用工业生产等优点。 

低聚果糖是由果糖基连接生成的多糖，微生物来源的果聚糖是含 有β (2→6) 糖苷键及少量β (2→1)侧链的果聚糖，低聚果糖具有改善肠道菌群平衡的作用。低聚果糖特有的理化特性和生理功效如水溶 性膳食纤维、双歧杆菌增殖因子等是以高纯度低聚果糖为原料作实验 而得结论。除了具有天然多糖共同的特点如生物相容性、生物降解性、 安全无毒，还具有抗肿瘤、抗糖尿病、免疫增强、降血脂等多种重要 的生物学功能，而且可用于制备纳米材料，在生物医药和功能食品等 方面具有巨大的应用潜能，体现出巨大的潜在市场价值。 国内目前 以酶转化法生产的低聚果糖执行国家低聚果糖标准 GB/T 23528- 2009，产品是蔗糖-果糖或果糖-果糖聚合度为 2-9 的功能性低聚糖， 分子量为 342-1476。 新一代低聚果糖采用菌体发酵法合成生产，美 国市售产品分子量约 5000。是很好的益生元产品。 项目特色和创新之处： 南开大学环境微生物与微生物制造研究室从发酵食品中分离得 到一株解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens LL3），它能够利用 蔗糖合成低聚果糖。为了提高低聚果糖的产量和纯度，项目组采用温 敏质粒结合反向筛选标记-------无痕基因敲除法对菌株的其他胞外产 物和六个胞外蛋白基因以及 3 个细菌胞外多糖基因（簇）进行了敲除； 5 L 罐分批发酵低聚果糖的产量（42 h）达到 43.34 g/L。为了进一步 提高蔗糖酶的分泌表达，项目组整合强启动子和信号肽对菌种进行改 造，在 5 L 发酵罐采用补料分批发酵工艺，菌株低聚果糖产量达 101.7 g/L。分子量约 5000 Dal，纯度 95%以上。 项目特色： 1. 菌种（Bacillus amyloliquefaciens）LL3 是分离自传统发酵食品，生 产主要原料为蔗糖；菌种改造采用无痕基因编辑技术，具有安全性 2. 补料分批发酵产量为：101.7 g/L;分子量约为 5000；纯度大于95.0%; 3. 授权专利号为：ZL201410405975.2 市场应用前景： 目前,低聚果糖的应用领域逐步扩大，除了生产人类保健品口服 制剂之外，在中老年营养品、中老年专用奶粉、婴儿奶粉、部分营养 饮料等中实施添加；某些化妆品中也需要加入低聚果糖。还是替代抗 生素在饲料中添加的主要成分之一。随着肠道菌群影响人类健康研究 新成果的不断报道，低聚果糖----益生元/膳食纤维越来越受到人们 的青睐。开展该产品的生产将会获得巨大的经济效益和社会效益。另 外，生产中实施废菌体回用技术工艺，可使发酵做到近零排放，具有 绿色生态效益.

通过微生物育种和基因工程手段相结合，获得了一株脯氨酸高产菌株黄色短杆菌。发酵培养 65~68 h， L-脯氨酸产量高达 100 g/L，葡萄糖得率为 45%左右。 关键技术 (1)本研究以玉米浆为氮源，有效的降低了发酵成本； (2)以葡萄糖和味精为原料生产 L-脯氨酸的高转化率发酵，该法绿色、环保、可持续，具有经济竞争力，有很好的产业应用前景。

威兰胶是一种性能优良的微生物多糖，性质与黄原胶相似，同时存在同类多糖不可比拟的优势：1、在更大的范围内具有热稳定性，可以耐受150℃的高温；2、pH耐受范围广，在pH2.0-13.0的范围内性质稳定；3、耐盐性好。威兰胶的耐温特性在深层采油中十分重要，目前油井深度已达3000米以上，对采油驱动剂耐温要求大于140℃，因此威兰胶的耐温优势以及它的一些独特性能，使它有望成为一种性能更为优良的驱油制剂。威兰胶是一种不可多得的混凝土外加剂，可以增加水泥的可塑性，悬浮量，空气含量，抗下陷能力以及抗失水性。威兰胶是制备自密实混凝土和自流平混凝土不可缺少的添加剂。按每吨混凝土中添加0.01%的威兰胶，则成本仅增加10块钱左右。我国在这一领域的应用全部依赖进口。本课题组拥有一株自主知识产权的生产菌株，并率先在国内开展了发酵法生产威兰胶的研究。本项目的成功开发将具有我国自主知识产权，对石油、混凝土等相关行业的发展具有积极的意义。威兰胶的生产基本可以利用黄原胶的生产资源，因此实验室中试成熟后，厂家无需太多的前期投入就可以实现工业化。

γ-聚谷氨酸（Poly-γ-glutamic acid）是一种重要的天然聚合物，由 于其具有良好的性质已被广泛应用于食品，化妆品，医药，材料等领 域。解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）LL3 是一株谷氨酸 非依赖型 γ-PGA 合成菌。为了提高其 γ-PGA 产量，项目组采用无痕 基因编辑技术对菌株进行了代谢工程改造。包括三部分：模块化代谢 通路改造；蔗糖代谢途径改造；谷氨酸合成途径改造。 B. amyloliquefaciens LL3 是项目组从发酵食品中分离得到，它能 够从蔗糖出发合成 γ-PGA。利用模块化通路改造策略对 γ-PGA 合成 相关的八个代谢通路进行改造包括：γ-PGA 降解相关途径；细胞呼吸 链；胞外蛋白及胞外蛋白酶合成途径；细菌多糖合成途径；次级小分 子代谢产物合成途径；细胞自诱导因子合成途径；谷氨酸合成途径以 及 γ-PGA 合成途径。最终整合获得的最优基因工程菌株 NK-anti-rocG （敲除了 epsA-O 操纵子（负责胞外多糖合成），sac 操纵子（负责果 聚糖合成），lps（脂多糖合成相关），pta（乙酸合成相关），pgdS（γ-PGA 降解酶），cwlO（细胞壁水解酶），luxS（AI-2 合成）以及表达 anti-rocG sRNA（抑制谷氨酸脱氢酶表达））γ-PGA 摇瓶发酵产量从 3.8 g/L 提高到 11.04 g/L，较对照菌株提高了 2.91 倍。γ-PGA 产物纯度也 从 78.6%提高到 95.2%。5-L 罐补料分批发酵实验得到 NK-anti-rocG 菌株产量可达 20.3 g/L。分子量 450,000 Dal，纯度 95%以上。 项目特色： 1. 菌种（Bacillus amyloliquefaciens）LL3 是谷氨酸非依赖型 γ-聚谷 氨酸合成菌株；发酵生产主要原料为蔗糖； 2. 补料分批发酵产量为：20.3 g/L。 3. 授权专利号为：ZL200810053900.7 市场应用前景： γ-聚谷氨酸（Poly-γ-glutamic acid）是一种重要的天然聚合物，由 于其具有良好的性质已被广泛应用于食品，化妆品，医药，材料等领 域。本项目采用谷氨酸非依赖型 γ-聚谷氨酸合成菌做为发酵菌种，以 蔗糖为原料发酵法生产 γ-聚谷氨酸，可产生巨大的经济效益和社会效 益。