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        工程菌β-胡蘿卜素累積及提取條件優(yōu)化的研究

        2010-09-10 09:04:56馮亦平王健梅
        山西農業(yè)科學 2010年4期
        關鍵詞:工程菌破壁丙酮

        馮亦平,李 珍,王健梅

        (1.山西農業(yè)大學,山西太谷030801;2.長治職業(yè)技術學院園藝系,山西長治046000)

        類胡蘿卜素(carotenoids)是一類呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的植物色素,廣泛存在于各種動植物和微生物中。許多類胡蘿卜素是VA的重要來源,同時又是強抗氧化劑,具有一定的防癌功效[1~3]。其中,β-胡蘿卜素是類胡蘿卜素家族中的典型代表。它的分子式為C40H56,分子質量為536.85[4],易溶于二硫化碳(0.02 g/mL)、沸騰乙醚(0.33 g/L)、正己烷(0.07 g/L),溶于氯仿和苯,微溶于乙醇和甲醇,不溶于水,無毒[5]。β-胡蘿卜素是一種比較昂貴的天然色素[6],是目前國際市場上頗受歡迎的產(chǎn)品,具有廣闊的市場前景。

        傳統(tǒng)提取β-胡蘿卜素的方法是將新鮮胡蘿卜絞汁以后,倒入高壓均質機中均質,然后加入沉淀劑CaCl2·2H2O和穩(wěn)定劑氨水/乙醇,離心,棄上清液,得到橙紅色沉淀[7];然后將沉淀冷凍干燥,得到粉末狀干燥沉淀,并在沉淀中加入有機溶劑石油醚萃取β-胡蘿卜素[8],之后旋轉蒸發(fā)濃縮,回收有機溶劑后得到β-胡蘿卜素油狀物。但是該法產(chǎn)量低,不易操作。噬夏孢歐文氏菌(Erwinia uredovora)是種植物病原菌,可合成番茄紅素、β-胡蘿卜素、玉米黃素、玉米黃素二糖苷等多種類胡蘿卜素,其合成途徑最早被Masaki等闡明[9],且參與代謝的多個相關酶的編碼基因也被克隆。李麗[10]研究了無機鹽和碳氮源對噬夏孢歐文氏菌中類胡蘿卜素積累的影響,確定了該菌累積類胡蘿卜素的最佳培養(yǎng)條件;劉敏等[11]也將噬夏孢歐文氏菌的crtE,crtB,crtI及crtY基因置于T7啟動子的控制之下,構建了2個重組質粒,兩重組質粒共轉化大腸桿菌,獲得了累積β-胡蘿卜素的工程菌。

        本試驗總結了國內外學者的試驗方法和經(jīng)驗,使β-胡蘿卜素于原核生物(E coli DH5α)中進行表達,優(yōu)化β-胡蘿卜素累積及提取方法,使其表達量和提取量達到最佳,旨在解決人們對它與日俱增的需求問題。

        1 材料和方法

        1.1 菌種

        菌株(E coli DH5α,含 pACCAR16△crtX),由山西農業(yè)大學生命科學學院實驗室保存。

        1.2 方法

        挑取大腸桿菌工程菌單菌落,接種于5 mL LB液體培養(yǎng)基中,37℃振蕩培養(yǎng)過夜。取2 mL菌液加入100 mL培養(yǎng)基中,擴大培養(yǎng)約3~4 h。然后將菌液分成若干份,保存于4℃冰箱中待用。將培養(yǎng)好的菌液分別編號并加入誘導劑IPTG,放入搖床進行誘導,取出后3 000 r/min離心收集菌體。稱重加入4 mol/L的HCl水浴破壁,然后直接加入丙酮進行抽提,4 000 r/min離心15 min(上清液于4℃暗處保存),沉淀用少量丙酮再抽提2次,合并3次的上清液,加入1 mL氯仿,3 000 r/min離心8 min,棄上清液,最后測定下層液體的OD值。

        2 結果與分析

        2.1 誘導時間對工程菌累積β-胡蘿卜素的影響

        取培養(yǎng)好的5份菌液分別編號,并加入等量的誘導劑IPTG使其終濃度為0.5 mmol/L,放入搖床,分別誘導 1.25,2.25,3.25,4.25 h,按 1.2 提取方法進行β-胡蘿卜素的提取,再用分光光度計對以上樣品測定其在446,475,508 nm波長下的吸光度值,同時以不加IPTG的菌液作為對照。

        從表1可以看出,隨著誘導時間的延長,樣品在不同波長時的吸光度值總體上呈先增加后減少的趨勢,即β-胡蘿卜素的積累量先增加后減少,誘導時間為1.25 h時,3種波長下所得到的OD值均為最大,其平均值分別是2.25 h的6倍和3.25 h的2倍,即在IPTG誘導1.25 h時,工程菌的β-胡蘿卜素積累量達最大。這是因為隨著誘導時間的增加,細菌密度增大,生活活力降低,甚至死亡,致使β-胡蘿卜素不能合成進而積累;而誘導2.25 h時,β-胡蘿卜素積累量最少,與對照(不加誘導劑IPTG)相當,這可能是由于在試驗過程中光照、溫度等因素使其降解所致。綜上所述,IPTG誘導1.25 h時,最有利于β-胡蘿卜素的積累。

        表1 不同誘導時間下樣品在波長446,475,508 nm時的吸光度值

        2.2 不同濃度誘導劑IPTG在相同誘導時間下對工程菌積累β-胡蘿卜素的影響

        取培養(yǎng)好的5份菌液分別編號,并加入IPTG 使 其 終 濃 度 分 別 為 0.2,0.5,0.8,1.0,2.0 mmol/L,誘導1.25 h后取出,按1.2方法提取β-胡蘿卜素,并用分光光度計對以上樣品進行吸光度值的測定。

        從表2可以看出,隨著IPTG終濃度的增加,樣品在不同波長下的吸光度值呈先增加后減少的趨勢,即β-胡蘿卜素的積累量呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(OD值先增加后減少);IPTG終濃度為0.8 mmol/L時,所得氯仿抽提液的OD值達最大,也就是說,此時工程菌的β-胡蘿卜素積累量達最大。這說明低濃度IPTG誘導可促進β-胡蘿卜素的大量、高效積累,而高濃度的IPTG可能對細胞具有一定的毒害作用,致使工程菌死亡,無法大量表達目的產(chǎn)物β-胡蘿卜素。因此可以得出,工程菌在0.8 mmol/LIPTG誘導下,最有利于β-胡蘿卜素的積累。

        表2 不同誘導劑IPTG量的樣品在波長446,475,508 nm下的吸光度值

        2.3 菌液不同OD值對工程菌積累β-胡蘿卜素的影響

        由于IPTG高效啟動重組菌外源基因的表達時需要消耗能量,而菌體本身的生長也需要吸收能源物質,二者之間存在一定的競爭作用,這就要求把握好IPTG誘導的時機。

        表3顯示,隨著菌液OD600值的增加,樣品在不同波長下的吸光度值總體上呈先增加后減少的趨勢,即β-胡蘿卜素的積累量整體上呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,當菌液OD600值為0.6時,所得到的氯仿抽提液的OD值達最大,即此時工程菌的β-胡蘿卜素積累量達最大。這可能是由于菌液OD600值較低時,工程菌可能正處于遲緩期,此時加入IPTG,結果會導致菌體的生長繁殖大受影響;而菌液OD600值較高時,工程菌處于穩(wěn)定期或衰亡期,有害代謝產(chǎn)物積聚,細菌繁殖開始變慢,死亡數(shù)增加,不利于β-胡蘿卜素積累。綜上所述,OD600值為0.6的菌液最適合β-胡蘿卜素的積累。

        表3 不同OD值的菌液經(jīng)實驗后樣品在446,475,508 nm的吸光度值

        2.4 鹽酸量對β-胡蘿卜素提取量的影響

        把收集到的β-胡蘿卜素按1.2試驗方法提?。ㄆ渲?,HCl和丙酮分別按 5,10,15,20 mL/g(濕菌體)加入),并用紫外分光光度計法測定其中的β-胡蘿卜素含量(表4)。

        表4 鹽酸量對β-胡蘿卜素提取量的影響

        由表4可知,隨著HCl量的增加,最后測得的OD值即β-胡蘿卜素的提取量也逐漸增大。當HCl量為2.6 mL時,β-胡蘿卜素的提取量達到最大,再增大HCl量會使β-胡蘿卜素的提取量逐漸降低。因此,HCl量為2.6 mL即15 mL/g(濕菌體)時,最后測得的OD值最大,即β-胡蘿卜素提取效果最好。

        2.5 HCl處理時間對β-胡蘿卜素提取量的影響

        把收集的β-胡蘿卜素按1.2試驗方法提取 (HCl處理時間為 10,20,30,40,50,60 min,HCl破壁溫度為35℃,丙酮抽提時間為1.5 h),用紫外分光光度計法測其中的β-胡蘿卜素含量。

        由表5可知,隨HCl處理時間的逐漸延長,最后測得的OD值即β-胡蘿卜素提取量也逐漸增大。當HCl處理時間為40min時,β-胡蘿卜素提取量達到最大;繼續(xù)延長破壁時間到60 min,β-胡蘿卜素提取量反而降低。因此,HCl處理時間為40 min時,β-胡蘿卜素提取效果最好。

        表5 HCl處理時間對β-胡蘿卜素提取量的影響

        2.6 HCl破壁溫度對β-胡蘿卜素提取量的影響

        把收集的β-胡蘿卜素按1.2試驗方法提?。℉Cl破壁溫度為 30,35,40,45,50,55 ℃,HCl處理時間為20 min,丙酮抽提時間為1.5 h),用紫外分光光度計法測其中的β-胡蘿卜素含量。

        由表6可知,隨著HCl破壁溫度的逐漸升高,最后測得的OD值即β-胡蘿卜素的提取量也逐漸增大,當HCl破壁溫度為40℃時,β-胡蘿卜素的提取量達到最大;再升高溫度可能會使β-胡蘿卜素受熱分解,從而致使提取量逐漸降低。因此,HCl處理溫度為40℃時,最后測得的OD值最大,即β-胡蘿卜素提取效果最好。

        2.7 丙酮量對β-胡蘿卜素提取量的影響

        把收集的β-胡蘿卜素按1.2試驗方法提?。ㄆ渲?,HCl和丙酮分別按 10,20,30,40 mL/g(濕菌體)加入),用紫外分光光度計法測其中的β-胡蘿卜素含量。

        由表7可知,隨著丙酮量的增加,最后測得的OD值即β-胡蘿卜素的提取量也逐漸增大,當丙酮量為2.40 mL時,β-胡蘿卜素的提取量達到最大,再增大丙酮量則會使β-胡蘿卜素的提取量逐漸降低。因此,可以得知丙酮量為2.40mL即20 mL/g(濕菌體)時,最后測得的OD值最大, β-胡蘿卜素提取效果最好。

        表6 HCl破壁溫度對β-胡蘿卜素提取量的影響

        表7 丙酮量對β-胡蘿卜素提取量的影響

        2.8 丙酮抽提時間對β-胡蘿卜素提取量的影響

        把收集的β-胡蘿卜素按1.2試驗方法提?。ㄆ渲?,丙酮抽提時間為 0.5,1.0,1.5,2.0 h 的時間梯度,HCl處理時間為20 min,HCl破壁溫度為35℃),并用紫外分光光度計法測其中的β-胡蘿卜素含量。

        由表8可知,隨著丙酮抽提時間的逐漸延長,最后測得的OD值即β-胡蘿卜素的提取量卻逐漸較少。在丙酮抽提時間為0.5 h時,β-胡蘿卜素的提取量達到最大,而升高溫度會使β-胡蘿卜素遭受高溫破壞,從而致使提取量逐漸降低。因此,可以得知丙酮抽提時間為0.5 h時,最后測得的OD值最大,即β-胡蘿卜素的提取效果最好。

        表8 丙酮抽提時間對β-胡蘿卜素提取量的影響

        3 結論與討論

        雖然β-胡蘿卜素在很多植物和微生物中均有分布,但由于其所含色素的成分復雜,且很多β-胡蘿卜素與天然脂肪酸會形成酯,致使提取單一組分的成本較高。隨著β-胡蘿卜素合成途徑的闡明和相關基因的相繼克隆,通過基因工程的辦法使原本不產(chǎn)生β-胡蘿卜素的生物可大量積累這類色素成為可能。

        本試驗將在大腸桿菌上表達的β-胡蘿卜素用丙酮抽提法提取出來,并使用變量法對傳統(tǒng)的提取方法作了改進,試圖對提取條件進行優(yōu)化。試驗得出,用大腸桿菌作工程菌積累β-胡蘿卜素的最佳條件是:誘導時間1.25 h,IPTG濃度0.8 mmol/L,菌液 OD值 0.6,HCl量 15 mL/g(濕菌體),破壁時間40 min,破壁溫度40℃,丙酮量20 mL/g(濕菌體),抽提時間0.5 h。

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