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        劍麻總皂苷高產(chǎn)菌的篩選及發(fā)酵條件的優(yōu)化

        2014-08-08 18:50:15周菲菲郝再彬易克賢鄭金龍王秀麗
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年8期
        關(guān)鍵詞:劍麻總皂苷發(fā)酵液

        周菲菲+郝再彬+易克賢+鄭金龍+王秀麗+

        摘要:以綠色環(huán)保發(fā)酵生產(chǎn)提取劍麻(Agave sisalana perr.ex Engelm)總皂苷為目標(biāo),采集土壤樣品,對(duì)菌株進(jìn)行初篩和復(fù)篩得到1株菌株,編號(hào)JMZ-N06。通過(guò)料液比、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵液初始pH四因素三水平的正交試驗(yàn),確定了該菌的最適發(fā)酵條件為料液比1∶20(g∶mL),發(fā)酵時(shí)間60 h,發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵液初始pH 6.0。

        關(guān)鍵詞: 劍麻(Agave sisalana perr.ex Engelm);正交試驗(yàn);發(fā)酵條件;優(yōu)化

        中圖分類號(hào):Q815文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)08-1863-05

        Screening High-Yielding Strain for Extracting Agave sisalana perr.ex Engelm Total Saponins and Its Fermentation Condition

        ZHOU Fei-fei1, HAO Zai-bin1, YI Ke-xian2, ZHENG Jin-long2, WANG Xiu-li1

        (1.Chemical and Biological Engineering College,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi,China

        2.Environment and Plant Protection Institute,CATAS,Haikou 571101,China)

        Abstract: To environmentally ectract total saponins from Agave sisalana perr.ex Engelm , one strain of No. JMZ-N06 was obtained after twice screen from hundreds of soil samples. The optimal fermentation conditions were determined by orthogonal test of three levels and four factors including ratio of material to liquid, fermentation temperature, fermentation time, initial pH in fermentation broth. The results showed that the yield of total saponins from Agave sisalana perr.ex Engelm was 142.5 mg/g when fermented 60 h under 32 ℃ with the material to liquid ratio of 1∶20(g∶mL) and initial pH of 6.0.

        Key words:Agave sisalana perr.ex Engelm; orthogonal experiment; fermentation conditions; optimization

        劍麻(Agave sisalana perr.ex Engelm)又名鳳尾蘭,是生產(chǎn)硬質(zhì)纖維的主要經(jīng)濟(jì)作物,由于劍麻葉片中纖維的含量?jī)H占其本身的3%~5%,因此在劍麻纖維的加工過(guò)程中將產(chǎn)生大量的廢棄物,如抽取纖維后產(chǎn)生的麻渣、麻汁,劍麻纖維加工過(guò)程中產(chǎn)生的麻糠、麻頭等。這些廢棄物中含有豐富的皂苷、果膠、葉綠素和纖維素,若將其直接排放或堆放,不僅導(dǎo)致大量資源的浪費(fèi),而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。劍麻皂苷具有抗腫瘤、抗炎、抗菌、止血、抗衰老、降血糖和保肝等多種活性[2-5],被廣泛應(yīng)用于食品、保健品、藥品等諸多領(lǐng)域。劍麻皂苷主要包括兩部分即糖和苷元,分子結(jié)構(gòu)如圖1(R為糖),有5種單體結(jié)構(gòu)Dongsaponin A、B、C、D、E[6-8],平均相對(duì)分子質(zhì)量為1 209.8。

        傳統(tǒng)的皂苷分離提取方法主要有溶劑法、酸堿沉淀法、超聲萃取法、超臨界萃取法和生物工程發(fā)酵法。溶劑法局限性是提取分離有效組分的量以及純化的程度都較低。酸堿沉淀法局限性是單相酸水解條件劇烈,常伴有脫水、構(gòu)型變化等。超聲萃取法能夠避免高溫高壓對(duì)有效成分的破壞,但其對(duì)容器壁厚薄和容器的擺放位置有很高的要求。超臨界萃取法對(duì)物料有較好的滲透性和較強(qiáng)的溶解能力,對(duì) 物料某些成分的提取具有更高的效率,但是皂苷類化合物的分子量大、羥基多、極性大,需要加大壓力和加入適當(dāng)?shù)脑噭﹣?lái)提高萃取產(chǎn)率。生物工程發(fā)酵法是通過(guò)加入菌株加速植物細(xì)胞壁的破除釋放出有效成分[9],從而降低提取難度,可減少原料、化工試劑,節(jié)約動(dòng)力和勞力,減少環(huán)境污染[10]。

        1材料與方法

        1.1材料與試劑

        1.1.1菌種來(lái)源從廣西桂林市周邊山地采集到幾百份土壤樣品,從中篩選。

        1.1.2主要試劑劍麻皂苷元標(biāo)準(zhǔn)品(98%,HPLC純,上海研生生物技術(shù)有限公司),劍麻殘?jiān)◤V西劍麻集團(tuán)),DNS試劑:2 mol/L NaOH(262 mL)與3,5-二硝基水楊酸(6.30 g)混合加入500 mL的熱水溶液中(含182 g的酒石酸鉀鈉),再加入苯酚5.00 g及亞硫酸鈉5.00 g,待溶解完全,冷卻至室溫,用蒸餾水定容至1 L,貯存于棕色試劑瓶中,室溫放置10~15 d即可使用。

        1.1.3培養(yǎng)基PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯200.00 g,葡萄糖20.00 g,瓊脂粉15.00 g,加水至1 L;木聚糖培養(yǎng)基:馬鈴薯200.00 g,木聚糖20.00 g,瓊脂粉15.00 g,加水至1 L;篩選平板培養(yǎng)基:NaNO3 3.00 g,K2HPO4 1.00 g,MgSO4·7H2O 0.50 g,KCl 0.50 g,FeSO4·7H2O 0.01 g,木聚糖20.00 g,瓊脂15.00 g,加水至1 L;搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基:NaNO3 3.00 g,K2HPO4 1.00 g,MgSO4·7H2O 0.50 g,KCl 0.50 g, FeSO4·7H2O 0.01 g,木聚糖20.00 g,加水至1 L;種子培養(yǎng)基:NaNO3 2.00 g,K2HPO41.00 g,MgSO4·7H2O 0.50 g,KCl 0.50 g,FeSO4·7H2O 0.01 g,葡萄糖3.00 g,木聚糖2.00 g,加水至1 L;產(chǎn)酶基礎(chǔ)培養(yǎng)基:葡萄糖5.00 g,蛋白胨6.00 g,K2HPO4 1.00 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,KCl 0.05 g,FeSO4·7H2O 0.01 g,木聚糖20.00 g,加水至1 L。

        1.1.4儀器Cary50型紫外可見光分光光度計(jì)(美國(guó)VARIAN公司),SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式多用真空泵(鞏義市子華儀器有限公司),手提式高壓滅菌器(上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司),DZF-6050型真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司),LRH-150-Z(Ⅱ)型微電腦控制振蕩培養(yǎng)箱(廣東省醫(yī)療器械廠)。

        1.2試驗(yàn)方法

        1.2.1菌種初篩無(wú)菌水浸泡劍麻麻渣24 h,紗布過(guò)濾,濾液備用。取土壤樣品10 g,放入盛有100 mL麻渣濾液三角瓶中。30 ℃ 160 r/min振蕩培養(yǎng)24 h,取該土壤稀釋液5 mL離心,上清液涂布于篩選平板上,30 ℃下恒溫培養(yǎng),挑選單菌落進(jìn)一步復(fù)篩。

        1.2.2菌種復(fù)篩將初篩的菌株在PDA液體培養(yǎng)基中純化,加入到種子培養(yǎng)基中,30 ℃下培養(yǎng)32 h備用。

        分別精密量?。埃埃?、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00、1.20、1.40、1.60 mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液(母液濃度1 mg/mL),加入25 mL具塞比色管中,編號(hào) 0~8。加去離子水補(bǔ)足至2.00 mL,加入1.50 mL DNS 試劑,沸水中顯色5 min,冷卻至室溫后,加去離子水定容至25 mL,充分混勻,在波長(zhǎng)540nm處檢測(cè)OD540 nm。以還原糖的含量x(mg)對(duì)光密度Y進(jìn)行回歸,得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.128x-0.020,r=0.999 0,濃度范圍10~70 μg/mL。

        1.2.3DNS 法測(cè)定菌體發(fā)酵還原糖的能力取備用菌液30 mL離心4 500 r/min,15 min,收集菌體,加入到2%木聚糖的PDA培養(yǎng)基中,恒溫?fù)u床培養(yǎng)48 h,離心4 500 r/min,15 min,取上清液,制備成還原糖提取液,DNS法檢測(cè)提取液中還原糖的含量。

        1.2.4菌株生長(zhǎng)曲線的繪制以10%的接種量,將培養(yǎng)3 d種子菌液接種到產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基中,25 ℃、140 r/min搖瓶培養(yǎng),間隔2 h檢測(cè)發(fā)酵液的OD560 nm,繪制發(fā)酵液中生物量、菌體與光密度的曲線。

        1.2.5劍麻皂苷元標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作制備皂苷元標(biāo)準(zhǔn)曲線:稱量劍麻皂苷元標(biāo)準(zhǔn)品5.00 mg,用甲醇溶解并定容至5 mL,分別吸?。埃?、0.4、0.6、0.8和1.0 mL置25 mL具塞試管中,以空白管作對(duì)照,在70 ℃下烘干后冷卻至室溫。各管中依次加入5%香草醛冰醋酸0.2 mL,高氯酸0.8 mL,搖勻后置于70 ℃烘箱中加熱15 min,取出后迅速流水冷卻至室溫,再分別加入5 mL冰醋酸,搖勻,于450 nm處測(cè)定光密度值OD450 nm。以含量為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

        1.3高產(chǎn)菌株發(fā)酵劍麻皂苷條件優(yōu)化

        選取料液比、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、發(fā)酵液酸堿度4個(gè)因素,通過(guò)麻渣中皂苷的提取率確定其適宜的發(fā)酵條件[11-14]。

        1.3.1料液比對(duì)提取率的影響活化的種子菌液30 mL,4 500 r/min離心20 min,取沉淀備用。加入100 mL無(wú)菌水稀釋,制備8支稀釋菌液,每4支一組。第一組滅活菌體1~4支作對(duì)照,兩組試管分別加入5、10、15、20 g麻渣,標(biāo)記號(hào)1~4和5~8。28 ℃、160 r/min搖床培養(yǎng)48 h,取發(fā)酵液5 mL,4 500 r/min離心15 min,取上清液,吸取100 μL,對(duì)應(yīng)標(biāo)記1~8,真空干燥箱中烘干。其余同皂苷檢測(cè)。

        1.3.2發(fā)酵時(shí)間對(duì)提取率的影響種子菌液30 mL,4 500 r/min離心20 min,取沉淀備用。稱?。?g麻渣于100 mL無(wú)菌水中,菌體加入麻渣料液中,160 r/min 恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),在12、24、36、48、60、72 h時(shí)取發(fā)酵液離心,上清液100 μL干燥,其余同皂苷檢測(cè)。

        1.3.3發(fā)酵溫度對(duì)提取率的影響稱?。?g麻渣于100 mL無(wú)菌水中,分別置于24、26、28、30、32和34 ℃下160 r/min搖床培養(yǎng)48 h,將發(fā)酵液離心,取上清液100 μL干燥,其余同皂苷檢測(cè)。

        1.3.4發(fā)酵液初始pH對(duì)總皂苷提取率的影響稱取5 g麻渣于100 mL無(wú)菌水中。30 mL種子菌液4 500 r/min離心20 min,沉淀菌體加入麻渣料液中,調(diào)整發(fā)酵液pH依次為 3、4、5、6、7和8,160 r/min搖床培養(yǎng)48 h,將發(fā)酵液離心,取上清液100 μL干燥,其余同皂苷檢測(cè)。

        1.3.5正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)以上單因素的試驗(yàn)結(jié)果,選取料液比(A)、發(fā)酵時(shí)間(B)、發(fā)酵溫度(C)、發(fā)酵液初始pH(D)為試驗(yàn)因素,按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L9(34)進(jìn)行試驗(yàn),以劍麻總皂苷的提取量為考察指標(biāo),進(jìn)行提取工藝的優(yōu)選[15]。因素與水平見表1。

        1.3.6劍麻總皂苷提取工藝的穩(wěn)定性按照正交試驗(yàn)選擇的最優(yōu)條件,重復(fù)皂苷的提取試驗(yàn),評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果[16]。

        2結(jié)果與分析

        2.1JMZ-N06菌株的篩選獲得

        由圖2可知,該菌株平板培養(yǎng)時(shí)菌落表面光滑;光學(xué)顯微鏡下呈短棒形態(tài);透射電鏡下無(wú)鞭毛,長(zhǎng)寬比2∶1。

        2.2復(fù)篩

        由表2可知,該菌株對(duì)木聚糖有較高的降解能力。因此該菌加速劍麻麻渣中木聚糖向單糖的降解,從而有利于麻渣中皂苷的釋放,達(dá)到提高得率的目的。菌株有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

        2.3菌株繁殖生長(zhǎng)

        細(xì)胞生長(zhǎng)曲線是判定細(xì)胞活力的重要指標(biāo),也是細(xì)菌生物學(xué)特性的基本參數(shù)之一。一定波長(zhǎng)下菌液的光密度表示菌量。由圖3可知,培養(yǎng)32 h時(shí),種子菌體吸光值達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,此時(shí)發(fā)酵液中菌體活性最高,代謝活動(dòng)最旺盛。

        2.4劍麻皂苷元的標(biāo)準(zhǔn)曲線

        測(cè)得劍麻皂苷元標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=1.416x+0.042 7,R2=0.998 0,在0.1~0.7 mg范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系(圖4)。根據(jù)劍麻皂苷的5種單體結(jié)構(gòu)計(jì)算得出劍麻總皂苷的相對(duì)分子質(zhì)量為1 209.8,即得劍麻總皂苷的量M(mg)與光密度對(duì)應(yīng)方程為M=(y-0.042 7)×2.90/1.416 0。

        2.5料液比對(duì)劍麻總皂苷提取率的影響

        由表3可知,菌液接種量一定的情況下,100 mL發(fā)酵液中加入的麻渣質(zhì)量在1~5 g時(shí),皂苷的提取量隨著麻渣質(zhì)量的增加而明顯增大,當(dāng)麻渣加入量超過(guò)5 g時(shí),其麻渣中總皂苷的提取率隨著麻渣質(zhì)量的增加而逐漸減小。

        2.6發(fā)酵時(shí)間對(duì)劍麻總皂苷提取率的影響

        由表4可知,發(fā)酵12~48 h時(shí),皂苷的提取率隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,之后略減小,可見在發(fā)酵48 h時(shí)總皂苷提取率最大。

        2.7發(fā)酵溫度對(duì)劍麻總皂苷提取率的影響

        由表5可知,24~30 ℃時(shí),隨著溫度的上升總皂苷提取率明顯增加,之后提取率反而下降,溫度越高劍麻總皂苷提取量越低。

        2.8發(fā)酵液初始pH對(duì)劍麻總皂苷提取率的影響

        由表6可知,初始pH為5.0時(shí)總皂苷的提取量達(dá)到最大值,當(dāng)pH超過(guò)5.0時(shí)總皂苷提取率又迅速減少。

        2.9正交試驗(yàn)結(jié)果

        由表7中極差的直觀分析法 R值可以看出,因素B的極差最大,說(shuō)明發(fā)酵時(shí)間對(duì)總皂苷提取率的影響最大,其次是因素D和C,料液比對(duì)總皂苷提取率的影響最小。所以這4個(gè)因素對(duì)皂苷提取的影響由大到小的順序依次為B、D、C、A。由表7可知,劍麻總皂苷提取發(fā)酵最佳工藝條件為A2B3C3D2,即料液比1∶20(1 L發(fā)酵液中加入麻渣50 g),發(fā)酵時(shí)間60 h,發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵液初始pH 6.0。

        4結(jié)論

        本試驗(yàn)篩選1株JMZ-N06,用于劍麻總皂苷的提取。以總皂苷提取量為指標(biāo),對(duì)發(fā)酵提取工藝進(jìn)行了優(yōu)選,最佳工藝條件為料液比1∶20(g:mL),發(fā)酵時(shí)間48 h,發(fā)酵溫度32 ℃,發(fā)酵液初始pH 6.0。通過(guò)生物工程發(fā)酵法降解麻渣,降低了提取難度,使含有豐富皂苷資源的廢棄物變廢為寶可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

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