[发明专利]一种黄伞菌发酵条件优化及动力学模型的构建方法

说明书

技术领域

本发明属于遗传算法的黄伞菌发酵条件技术领域，尤其涉及基于遗传算法 的黄伞菌发酵条件优化及动力学模型的构建方法。

背景技术

黄伞(Pholiotaadiposa)，又名柳蘑、黄蘑、多脂鳞伞，是一种食药兼用真 菌。黄伞在国外分布于欧洲、美国、日本等地，在我国分布于山东、河北、山 西、吉林、浙江、河南等多个地区。黄伞富含蛋白质、碳水化合物、维生素及 多种矿物质元素，食之黏滑爽口，味道鲜美，风味独特，营养丰富，民间用于 治疗肿瘤和肺疾[2]。经查阅文献，发现人们对黄伞的药效学研究主要集中于黄 伞子实体和菌丝体的多糖类物质，研究表明黄伞多糖具有增强免疫力、抑制肿 瘤、预防感染、调节血脂等作用。

黄伞多糖的来源途径主要有以下三种:①从天然黄伞子实体中提取；②从人 工培养黄伞子实体中提取；③从发酵培养的菌丝体中提取。自然界黄伞子实体 生产较慢，且由于条件所限不易获得；人工栽培黄伞子实体生长周期长、产量 低，成本较高，因而未得到全面开发。目前黄伞菌有效成分开发与应用主要途 径是液态发酵法，从黄伞深层发酵菌丝体中提取多糖。为此，十分有必要对黄 伞的深层发酵条件进行研究，以便用发酵的菌丝体代替子实体作为食品、保健 品和药品的原料。采用液体深层发酵工艺培养黄伞，用发酵液菌丝体来提取活 性物质是今后研究和发展的必然趋势。

为了获得更多的菌丝体多糖，必须对黄伞菌液体深层发酵工艺条件进行优 化。黄伞菌发酵过程是高度的非线性、非结构化的复杂系统，涉及诸多的影响 因素，发酵条件的选择对黄伞菌丝体的产量具有重要的影响。发酵条件的常规 优化方法是使用正交设计方法,但它具有精度不高、工作量大等诸多缺点,使得由 这种方法获得的结果往往不能得到让人满意的结果。研究发酵动力学是实现发 酵过程最优控制的前提条件,也是研究发酵过程放大及从分批发酵过渡到流加发 酵、连续发酵的理论基础。动力学模型的建立,离不开模型参数的估算。对于显 著非线性的发酵动力学模型而言,传统的“点到点”的优化算法对于初始点的确定 往往比较困难,而初始点的选择又直接影响到算法的收敛。

近20年来,一种成为研究热点的遗传算法(GeneticAlgorithms,简称GA)以其 高效、自适应及益于全局搜索的优势,在发酵条件优化和动力学模型建立等许多 领域中得到应用。遗传算法(GA)是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜 索算法，是一种求解复杂系统优化问题的方法。有研究表明遗传算法在处理发 酵条件优化和动力学模型建立等问题上较传统方法具有优势。本研究试图利用 上述方法解决黄伞深层发酵条件优化及建立动力学模型等问题，为发酵过程的 参数优化提供一种更为准确有效的方法，从而为黄伞菌发酵过程的工艺控制、 提高产品产量及用计算机对发酵过程的控制创造条件。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供基于遗传算法的黄伞菌发酵条件优化及动力 学模型的构建方法，以解决现有的问题。

本发明实施例是这样实现的，基于遗传算法的黄伞菌发酵条件优化及动力 学模型的构建方法，本模型的建立包含以下三部分：

在实验室摇瓶条件下以单因素实验和正交设计实验确定影响黄伞菌多糖发 酵条件的因素和其取值范围，此部分内容分解为以下四个工作任务：

(1)、以菌丝体量或菌丝体多糖产量为指标应用单因素实验确定黄伞菌液体发 酵培养基的配方(碳源、氮源、生产因子、无机盐等)及各组分取值范围；

(2)、以正交设计实验方法确定黄伞菌发酵培养基各组分最佳配比；

(3)、以菌丝体量或菌丝体多糖产量为指标应用单因素实验确定黄伞菌液体发 酵培养条件(接种量、摇床转速、摇瓶装液量)取值范围；

(4)、以正交设计实验方法确定影响黄伞菌液体发酵培养条件最佳取值。

对发酵培养基组分及发酵条件进行神经网络(ANN)建模和遗传算法寻优， 此部分研究内容分解为以下两个工作任务：

(1)、神经网络(ANN)建模

采用MATLAB软件进行神经网络的构建。以对黄伞菌发酵多糖产量影响较 大的培养基成分的初始质量浓度为输入值，以“性价比”为输出值，采用ANN法构 建该系统的数学模型。

(2)、遗传算法(GA)优化