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        黑曲霉WZW001液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的工藝條件優(yōu)化

        2013-12-20 08:38:46吳鵬飛沈江偉
        發(fā)酵科技通訊 2013年3期
        關(guān)鍵詞:橘皮產(chǎn)酶黑曲霉

        吳鵬飛,魏 春,沈江偉,徐 力,汪 釗

        (浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

        果膠酶(Pectinase)是一種復(fù)合酶,主要由植物和微生物合成。果膠酶的應(yīng)用范圍很廣,主要包括食品、環(huán)保、醫(yī)藥和紡織等領(lǐng)域[1-3],特別是應(yīng)用于水果與農(nóng)副產(chǎn)品加工中,對(duì)于提高果汁的出汁率,改善過(guò)濾效果及澄清作用效果顯著[4]。果膠酶的生產(chǎn)有40多年的歷史,傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法采用固態(tài)發(fā)酵法,但固態(tài)發(fā)酵法存在設(shè)備放大困難,自動(dòng)化程度偏低,工藝參數(shù)不易控制等缺陷。且隨著國(guó)內(nèi)對(duì)果膠酶需求的增加及對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展,果膠酶的需求日益迫切,固態(tài)發(fā)酵法在品質(zhì)及產(chǎn)量上難以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。而液態(tài)發(fā)酵工藝與固態(tài)發(fā)酵法相比具有易實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn),生產(chǎn)規(guī)模大,易控制等優(yōu)點(diǎn)[5-7],為此進(jìn)行了黑曲霉WZW001的產(chǎn)果膠酶的液態(tài)發(fā)酵工藝研究。

        1 材料與方法

        1.1 菌種

        黑曲霉(Aspergillus niger)WZW001,由浙江工業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程研究所提供。

        1.2 培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件

        培養(yǎng)方法:接種一環(huán)PDA斜面孢子至種子培養(yǎng)基,溫度30℃,搖床轉(zhuǎn)速200 r/min培養(yǎng)1天。接種3 mL種子液至發(fā)酵培養(yǎng)基,培養(yǎng)溫度30℃,搖床轉(zhuǎn)速200 r/min,培養(yǎng)3天。無(wú)特別說(shuō)明,裝液量均為250 mL三角瓶裝30 mL。

        葡萄糖土豆浸出汁培養(yǎng)基(PDA培養(yǎng)基):馬鈴薯洗凈去皮,稱(chēng)取200 g馬鈴薯切成小塊,加水煮爛(煮沸20~30 min)。四層紗布過(guò)濾取濾液,加入200 g瓊脂及200 g葡萄糖,攪拌均勻,冷卻后補(bǔ)足水分至1 000 mL,121℃滅菌20 min。

        種子培養(yǎng)基(g/100 mL):橘皮粉 1 g,麩皮 3 g,硫酸銨 1 g,KH2PO40.3 g,MgSO40.05 g,初始 pH 5.0。

        發(fā)酵培養(yǎng)基(g/100 mL):橘皮粉 1.5 g,麩皮 2 g,硫酸銨 1.5 g,KH2PO40.3 g,MgSO40.05 g,初始 pH 5.0。

        1.3 果膠酶活力的測(cè)定方法及定義[8]

        粗酶液的制備:發(fā)酵液在4℃,10 000 r/min離心7 min后取上清液作為粗酶液,用于酶活力測(cè)定。

        測(cè)定方法及定義:吸取0.2 mL適當(dāng)稀釋的粗酶液于試管中,加入1.8 mL pH 3.5緩沖液配制的1%果膠底物溶液,50℃水浴反應(yīng)30 min后加2 mL DNS終止反應(yīng),沸水浴10 min。冷卻后吸取0.5 mL定容至10 mL,搖勻,在550 nm下測(cè)定其吸光值。酶活力定義:果膠酶降解果膠每分鐘產(chǎn)生1 μmol還原糖定義為一個(gè)酶活力單位。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 產(chǎn)酶培養(yǎng)基的優(yōu)化

        2.1.1 麩皮添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        碳源是重要的功能物質(zhì),通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并考慮到經(jīng)濟(jì)性,選擇麩皮作為最佳碳源[9,10]。研究了不同麩皮添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響,結(jié)果表明果膠酶活力隨著麩皮添加量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì),麩皮的最適添加量為4 g。

        2.1.2 不同氮源和添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        氮源對(duì)于微生物生長(zhǎng)及產(chǎn)酶影響很大,因此研究了不同氮源對(duì)黑曲霉WZW001產(chǎn)果膠酶的影響。研究結(jié)果由圖2可知:有機(jī)氮源較無(wú)機(jī)氮源更有利于菌株產(chǎn)酶,原因可能是有機(jī)氮源(如蛋白胨和酵母膏)成分比較復(fù)雜,富含大量微生物生長(zhǎng)代謝必需的微量元素。

        其中有機(jī)氮源蛋白胨為產(chǎn)酶最高的氮源,無(wú)機(jī)氮源磷酸氫二銨、硫酸銨其次,考慮到蛋白胨價(jià)格昂貴,不利于降低培養(yǎng)基的成本;此外硫酸銨易溶水,對(duì)發(fā)酵液粘度影響小,有利于發(fā)酵傳質(zhì)增加發(fā)酵液的含氧量,因此選擇 (NH4)2SO4為黑曲霉WZW001發(fā)酵產(chǎn)果膠的最適氮源。

        圖1 麩皮添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        圖2 不同氮源對(duì)產(chǎn)酶的影響

        圖3 硫酸銨添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        研究了不同硫酸銨添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響,圖3可知果膠酶酶活力隨硫酸銨呈先上升后下降的趨勢(shì),添加量1.0 g時(shí),果膠酶活力最高,為最適添加量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,合適濃度的無(wú)機(jī)氮源(以硫酸銨效果更好)能顯著提高產(chǎn)酶。

        圖4 橘皮粉添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        圖5 不同金屬離子對(duì)產(chǎn)酶的影響

        2.1.3 誘導(dǎo)物添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        果膠是黑曲霉產(chǎn)果膠酶的誘導(dǎo)物,對(duì)產(chǎn)酶有很大的影響,考慮到純果膠價(jià)格昂貴,用富含果膠的橘皮粉替代果膠有利于降低發(fā)酵的成本,而且橘皮粉還可以提供其他營(yíng)養(yǎng)成分,進(jìn)一步提高菌株產(chǎn)酶能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入0.5%橘皮粉時(shí)對(duì)酶活力的提高就有作用。研究結(jié)果表明當(dāng)橘皮粉添加量從0.5 g增加至2.0 g時(shí),產(chǎn)酶逐漸增加。但是添加更多的橘皮粉將導(dǎo)致酶活力下降,橘皮粉最適添加量為2.0 g。

        2.1.4 不同金屬離子及添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        不同金屬離子能促進(jìn)或者抑制微生物產(chǎn)酶,因此研究了不同金屬離子對(duì)黑曲霉WZW001發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的影響。研究結(jié)果如圖5可知:在金屬元素中CaCl2,CuSO4,KCl對(duì)產(chǎn)酶有較大的促進(jìn)作用,而鉬酸鈉則對(duì)菌株產(chǎn)酶有較強(qiáng)的抑制作用。

        選擇CaCl2,CuSO4,KCl三個(gè)因素作為影響產(chǎn)酶的主要因子,在單因子試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選用L9(34)正交表進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),研究不同水平添加量對(duì)產(chǎn)酶的影響。試驗(yàn)因素和水平如表1,結(jié)果和極差分析如表2。

        表1 產(chǎn)果膠酶正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素和水平

        表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

        由表2的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,A,B,C三因素中對(duì)菌株產(chǎn)果膠酶影響最大的因素為B(CuSO4),其次為 C(KCl),A(CaCl2)的影響最小。 分析結(jié)果表明A1B1C1為最佳組合,即黑曲霉WZW001發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的最佳金屬元素組合為CaCl20.02 g,CuS040.02 g,KCl 0.02 g。

        2.2 產(chǎn)酶發(fā)酵條件優(yōu)化

        2.2.1 培養(yǎng)溫度對(duì)產(chǎn)酶的影響

        圖6 不同溫度對(duì)產(chǎn)酶的影響

        采用最適合培養(yǎng)基,研究了20℃,25℃,27℃,30℃,33℃,35℃,40℃溫度條件下對(duì)菌株產(chǎn)酶的影響。結(jié)果如圖6可知,隨著溫度的上升酶活也在提高,在30℃時(shí)酶活達(dá)到最大,之后溫度繼續(xù)上升酶活下降。原因可能是在30℃之前,溫度升高菌體生長(zhǎng)和代謝能力加強(qiáng),產(chǎn)酶能力上升;溫度繼續(xù)增加,導(dǎo)致菌體提前衰亡,菌體代謝受到影響,該菌株發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的最適溫度是30℃。

        圖7 初始pH值至對(duì)產(chǎn)酶的影響

        圖8 不同接種量至對(duì)產(chǎn)酶的影響

        2.2.2 培養(yǎng)基初始pH對(duì)產(chǎn)酶的影響

        研究了初始pH值對(duì)菌株發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的影響。研究結(jié)果如圖7所示:發(fā)酵培養(yǎng)基產(chǎn)酶的最適pH 4~6,當(dāng)pH值為6.0時(shí),產(chǎn)果膠酶活力最高,為最適pH。

        2.2.3 接種量對(duì)產(chǎn)酶的影響

        在250 mL三角瓶中裝入30 mL培養(yǎng)基,研究了不同接種量對(duì)菌株發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的影響。研究結(jié)果如圖8所示:隨著接種量的增大酶活反而降低,接種量為2 mL時(shí)產(chǎn)酶活力最高,果膠酶酶活力為54.65 u.mL-1。這可能是因?yàn)樵谟邢薜臓I(yíng)養(yǎng)成分中過(guò)高的接種量使得營(yíng)養(yǎng)消耗過(guò)快,菌體的生長(zhǎng)受到抑制。

        3 結(jié) 論

        黑曲霉WZW001的液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基簡(jiǎn)單,以低成本的麩皮、橘皮粉農(nóng)副產(chǎn)品為主要原料,不僅產(chǎn)酶活力較高,而且成本低廉。通過(guò)對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵條件的優(yōu)化可知,黑曲霉WZW001發(fā)酵產(chǎn)果膠酶的最適培養(yǎng)基的組成為(g/100 mL):麩皮4 g,硫酸銨 1 g,橘皮粉 2 g,K2HPO40.3 g,MgSO40.05 g,CaCl20.02 g,CuSO40.02 g,KCl 0.02 g; 最適發(fā)酵條件為:初始pH 6.0,發(fā)酵溫度30℃,接種量2 mL/100 mL。最終果膠酶活力可達(dá)54.65 u.mL-1,比優(yōu)化前提高了45.2%。

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