董永勝，馬　蕾，王艷杰

（齊魯工業(yè)大學生物工程學院，山東濟南250353）

提高微生物谷胱甘肽產率措施的探討

董永勝，馬蕾，王艷杰

（齊魯工業(yè)大學生物工程學院，山東濟南250353）

谷胱甘肽是生物體內具有重要生理功能的活性物質，具有清除自由基、解毒、預防糖尿病和癌癥、抑制衰老、抑制艾滋病病毒、提高人體免疫力等功能，廣泛應用于醫(yī)療保健和食品等行業(yè)，谷胱甘肽主要由微生物發(fā)酵產生。該文介紹了微生物生產谷胱甘肽的現狀，綜述了微生物生產谷胱甘肽過程中優(yōu)良菌株選育、發(fā)酵過程優(yōu)化與控制等提高谷胱甘肽產率的策略與措施，并對發(fā)酵法生產谷胱甘肽需解決的問題進行了展望，旨在為微生物發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究提供參考。

谷胱甘肽；微生物；產率；措施

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸經肽鍵縮合而成的一種含有巰基的活性三肽物質［1］，具有清除自由基、解毒、抑制衰老、預防糖尿病和癌癥、抑制艾滋病病毒、提高人體免疫力等重要生理功能［2-4］。谷胱甘肽不僅作為試劑廣泛應用于生化、生物學、化學、醫(yī)學等領域的研究與測定［5-6］，而且已在臨床醫(yī)療、防衰老、保健、食品制作、養(yǎng)殖等行業(yè)引起人們日益廣泛的關注［7-9］。微生物發(fā)酵法是谷胱甘肽生產普遍采用的方法，谷胱甘肽是由微生物胞內的谷胱甘肽合成酶系催化而成，該酶系由γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酸合成酶（GSH-Ⅰ）和谷胱甘肽合成酶（GSH-Ⅱ）組成。微生物在生長代謝過程中產生谷胱甘肽的前體物質，進而在酶系的催化下合成谷胱甘肽。在谷胱甘肽生產過程中，影響其產率的主要因素包括生產菌株胞內谷胱甘肽合成酶系的活性、微生物發(fā)酵條件控制、谷胱甘肽代謝調控等。該文綜述了提高谷胱甘肽產率的策略與措施，并對發(fā)酵法生產谷胱甘肽需解決的問題進行了展望，旨在為微生物發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究提供參考。

1　利用微生物生產谷胱甘肽的研究概況

谷胱甘肽的生產方法主要有萃取法、化學合成法、發(fā)酵法、酶（或固定化細胞）法等。微生物發(fā)酵法是以糖類為原料，利用特定微生物體內的物質代謝將糖類轉化為谷胱甘肽的方法，是目前谷胱甘肽工業(yè)化生產的主要方法，該法通過選育（或構建）谷胱甘肽合成能力強和胞內含量高的微生物，篩選和優(yōu)化培養(yǎng)基配方、建立和優(yōu)化發(fā)酵控制策略、改進和提高下游過程技術等，最終提高谷胱甘肽的產率和質量。發(fā)酵法生產谷胱甘肽所采用的微生物通常是酵母菌，基因工程大腸桿菌谷胱甘肽的產量一般比酵母菌高，但其生產技術難度較大，相對還不夠成熟。目前采用基因工程大腸桿菌生產谷胱甘肽的研究有了很大進展，其發(fā)展前景廣闊。

微生物發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究報道相對較多，主要是關于培養(yǎng)基組分及發(fā)酵條件優(yōu)化的研究，目的是為了提高谷胱甘肽的產量。潘亞磊等［10］對釀酒酵母生產谷胱甘肽采用分批補加葡萄糖培養(yǎng)，GSH質量濃度達到72.49 mg/L，提高了2.86倍。吳祥庭等［11］對釀酒酵母WD-1合成谷胱甘肽的培養(yǎng)基組成和發(fā)酵條件進行了優(yōu)化，谷胱甘肽的產量達223.22 mg/L，提高了36.81%。此外，對培養(yǎng)基的特殊成分及培養(yǎng)方法也進行了研究，鄭麗雪等［12］在釀酒酵母CS10515-1生產谷胱甘肽的研究中，添加K+、Mg2+、Fe2+，GSH的產量分別為88.53 mg/L、52.73 mg/L、41.42 mg/L，分別提高了63.50%、36.58%和44.25%。錢衛(wèi)東等［13］對多形漢遜酵母DL-1采用變溫調控分批發(fā)酵，GSH總產量為420.76 m g/L，提高了2.34倍。

2　提高微生物谷胱甘肽產率的策略與措施

采用微生物生產谷胱甘肽，除了優(yōu)化培養(yǎng)基和發(fā)酵條件外，還需要選育高產菌株、提高菌體的細胞密度及采取代謝調控等生產策略，目前，提高谷胱甘肽產率常采取的措施有以下幾方面。

2.1高產谷胱甘肽菌株的選育

由于谷胱甘肽是胞內產物，野生型微生物細胞中含量普遍不高，因此，發(fā)酵法生產谷胱甘肽的關鍵技術之一在于如何提高微生物胞內含量。高產谷胱甘肽的菌株主要來源于傳統(tǒng)的育種方法和基因工程技術構建的高產谷胱甘肽合成酶系活性的工程菌。

2.1.1誘變育種

為提高微生物胞內谷胱甘肽的含量，研究人員進行了誘變育種研究，取得了一定成果。賈學杰等［14］對酵母采用硫酸二乙酯和紫外誘變及ZnCl2、乙硫氨酸抗性交替篩選，酵母胞內GSH的含量提高了73.5%。龐德欽等［15］對啤酒酵母SC-20采用氬氣等離子體射線和紫外照射處理，獲得菌株的GSH含量提高78.33%。陳雪等［16］對酵母采用紫外線和亞硝基胍進行誘變以及使用乙硫氨酸、氯化鋅和三氮唑為篩選模型，得到谷胱甘肽產量為864 mg/L的菌株，為出發(fā)菌株的4.9倍。目前，谷胱甘肽生產菌株的誘變育種方法主要采用傳統(tǒng)的化學誘變方法（亞硝基胍、硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯等）和物理誘變方法（紫外線、X射線）相結合；為避免單一誘變劑產生的誘變飽和效應，也采用等離子體和紫外線兩種誘變劑交替和復合使用的方法，并采用HgCl2和ZnCl2兩種抗性篩選物交替使用，以避免菌體對同一種抗性物質產生的耐受性。

2.1.2基因工程育種

正常微生物胞內的谷胱甘肽合成酶系活性普遍較低，且GSH-Ⅰ是一個限速酶，其活性受到谷胱甘肽的反饋抑制，為了減輕這種抑制，需要提高酶系的活力或降低酶系對谷胱甘肽的敏感性。國內外研究人員通過將谷胱甘肽合成酶系的GSH-Ⅰ和（或）GSH-Ⅱ基因轉化進入酵母或大腸桿菌細胞內，以期獲得高產谷胱甘肽的基因重組菌株。目前基因工程育種都是從提高其胞內合成能力為目標，主要涉及谷胱甘肽的生物合成途徑［17］、半胱氨酸和蛋氨酸的代謝［18］及硫同化過程［19］等相關代謝酶的過表達或失活。LIAO X Y等［20］通過在大腸桿菌中表達2個拷貝數的GSH-Ⅰ和1個拷貝數的GSH-Ⅱ來提高谷胱甘肽合成酶系的活力，結果表明谷胱甘肽的產量達到34.8 mg/g（細胞濕質量），是目前所報道的在大腸桿菌（E.coli）中表達產量較高的。傅瑞燕等［22］將大腸桿菌的谷胱甘肽合成酶的基因克隆，轉化到乳酸乳球菌中，重組菌胞內谷胱甘肽含量達到358 nmol/mg（蛋白）。FEI L W等［22］將釀酒酵母的GSH-Ⅰ和（或）GSH-Ⅱ基因克隆，并在畢赤氏酵母中表達，谷胱甘肽的產量達到4.14 g/L。沈繼朵等［23］克隆大腸桿菌的γ-谷氨酰轉肽酶，用該酶取代GSH-Ⅰ，構建工程菌，其γ-谷氨酰轉肽酶活是出發(fā)菌株E.coli DH5α的21倍，以谷氨酰胺、半胱氨酸和甘氨酸為底物合成谷胱甘肽，其產量達到0.524 g/L。楊建花等［24］采用聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）技術獲得嗜熱鏈球菌中的谷胱甘肽合成酶基因gshF，構建重組畢赤酵母，重組菌生成的GSH是宿主菌的2.23倍。在谷胱甘肽生產菌株的基因工程育種中，由于酵母菌中的糖降解酶活性較高和大腸桿菌的生長特性，因此常用酵母或大腸桿菌作宿主菌，將GSH-Ⅰ和（或）GSH-Ⅱ基因轉化進入其細胞內以獲得重組菌株。

2.2高細胞密度培養(yǎng)

為獲得高谷胱甘肽產率，除了提高微生物胞內谷胱甘肽產量外，還需要提高發(fā)酵液中菌體的密度，因此需要對微生物進行高細胞密度培養(yǎng)。提高微生物細胞密度需要對其生長的物理和化學環(huán)境進行優(yōu)化，主要包括細胞生長環(huán)境的優(yōu)化（培養(yǎng)基組分優(yōu)化、特殊營養(yǎng)物質的添加、限制代謝副產物的積累）、細胞培養(yǎng)模式選擇、細胞循環(huán)發(fā)酵等。趙波等［25］在流加葡萄糖的基礎上流加硫酸銨并控制pH，通過高密度發(fā)酵提高細胞濃度來提高GSH產量，GSH產量和細胞干質量均大幅提高，分別為830 mg/L和41.5 g/L。尹良鴻等［26］運用了指數速率-DO-stat組合流加策略，即采用指數速率流加實現細胞高密度培養(yǎng)，采用DO-stat反饋流加實現GSH的高積累，細胞量、GSH產量和胞內GSH含量分別達到82.5 g/L、1 120.6 mg/L和1.46%，實現了高細胞密度和高胞內GSH含量的相對統(tǒng)一。實際生產中，不同微生物采用的高細胞密度培養(yǎng)方式不同，如采用重復補料分批培養(yǎng)技術培養(yǎng)釀酒酵母，每24 h更換50%的培養(yǎng)基，持續(xù)30 d，酵母細胞的產量可比連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)提高3倍。

2.3添加前體物質提高谷胱甘肽產量

微生物在生產谷胱甘肽的過程中，所需的三種氨基酸是細胞在糖類代謝的基礎上經過一系列生化反應后自身合成的，但這些合成途徑易受到細胞自身性能和狀況以及外界營養(yǎng)與環(huán)境條件的影響，如果前體物質不能滿足谷胱甘肽合成的需要，會成為影響谷胱甘肽產率的因素。因此，微生物生產谷胱甘肽雖然是以葡萄糖為原料，但如在培養(yǎng)基中添加谷胱甘肽的前體物質也能提高谷胱甘肽的產量。WEN S H等［27］采用甲醇利用型酵母生產谷胱甘肽時，流加L-半胱氨酸、L-谷氨酸、L-甘氨酸溶液，控制發(fā)酵液中各種前體氨基酸的濃度為5～40 mmol/L，谷胱甘肽含量可達細胞干質量的3%以上。陳珊等［28］采用酵母突變株YF生產谷胱甘肽時，添加濃度為2 mmol/L的L-半胱氨酸，谷胱甘肽濃度提高了102%。尹良鴻等［29］采用氨基酸添加與高密度培養(yǎng)技術相結合，流加葡萄糖的同時添加L-谷氨酸、L-半胱氨酸、甘氨酸，酵母GSH產量和胞內GSH含量分別達1 725.3 mg/L和3.29%，比高密度培養(yǎng)提高了111.4%和100.6%。在實際生產中，不同微生物的生長代謝狀況不同，并且三種前體氨基酸在谷胱甘肽合成中的作用不同，因此，每種氨基酸的添加時間、添加量都需要通過實驗確定，以便達到最佳生產效果。

2.4發(fā)酵條件調控提高谷胱甘肽產量

微生物在高溫、高滲透壓或化學損傷等外在條件刺激下，會發(fā)生應激反應，此時，作為自我保護性物質的谷胱甘肽的合成量會有應激性的變化。利用這一特性，采取適當的條件刺激可以提高谷胱甘肽的含量。

2.4.1壓力提高谷胱甘肽產量

壓力對微生物也是一種刺激因子，在大多數情況下，生物反應器的壓力對微生物的生長及胞內特定產物的含量有顯著影響，因此，利用高壓作為刺激條件，可以提高微生物胞內谷胱甘肽的含量。DONG Y S等［30］對處于對數生長期的酵母進行加壓培養(yǎng)，在1.0 MPa壓力下、培養(yǎng)6 h時酵母胞內谷胱甘肽比常壓下同樣培養(yǎng)時間提高了68.8%。周斌等［31］對面包酵母CICC1447采用加壓處理，在壓力0.5 MPa下處理，谷胱甘肽的產量比常壓下提高了17.21%。

2.4.2鹽脅迫提高谷胱甘肽產量

高滲透壓條件對微生物也是一種外界刺激條件，微生物在高濃度鹽溶液下培養(yǎng)也可提高谷胱甘肽的含量。王玉磊等［32］對產朊假絲酵母采用不同的無機鹽（NaCl、K2SO4、KCl、Na2SO4）進行培養(yǎng)時發(fā)現適當濃度的Na+和K+對谷胱甘肽的合成具有促進作用，如在酵母細胞生長后期添加10 g/L的Na2SO4，谷胱甘肽的含量提高了22.6%。

2.4.3極端pH值提高谷胱甘肽產量

極端pH值對微生物也是一種外界刺激因素，聶薇等［33］對產朊假絲酵母（Candida utilis）WSH 02-08細胞賦予短時間的pH脅迫，GSH總產量達到737.1 mg/L，比恒定pH=5.5條件下的GSH產量提高了24.9%。鄭麗雪等［34］對釀酒酵母2-10515的種子在pH3.5的條件下培養(yǎng)，然后進行發(fā)酵生產，其生物量、胞內谷胱甘肽含量分別提高了38.3%和39.5%。低pH使細胞膜的通透性改變，使胞內部分谷胱甘肽分泌到胞外［35］。SM IRNOVA G等［36］通過調控菌株培養(yǎng)的pH值，改變了谷胱甘肽分泌和攝入的動力學平衡，實現了谷胱甘肽的胞外積累。BACHHAWAT A K等［37］發(fā)現只有當細胞膜結構或通透性發(fā)生改變時，谷胱甘肽才有可能直接通過細胞膜滲透。因此，采用低pH處理微生物細胞，可使細胞通過二次合成谷胱甘肽使其產量增加。

3　展望

目前，對微生物發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究主要集中在上述所述的幾個方面，并取得了一定成果，國內工業(yè)化生產的技術要求已逐步得到滿足，但仍存在菌株谷胱甘肽含量較低、分離純化收率低、成本高等問題。隨著谷胱甘肽需求的日益增加，對谷胱甘肽生產技術的研究也會更加深入，預期今后將在菌株育種方法、谷胱甘肽代謝機制、前體物的應用策略、膜通透性改變、應激機制以及分離純化技術方面得到更有效和低廉的方法，以提高谷胱甘肽的產率，降低生產成本，拓展其應用領域，加速谷胱甘肽產業(yè)的發(fā)展。

［1］陳志穎，張子健，焦瑞，等.利用啤酒廢酵母擴培物制備富含谷胱甘肽酵母抽提物［J］.中國釀造，2015，34（11）：61-65.

［2］王小娟，盧美歡，王衛(wèi)衛(wèi)，等.高產谷胱甘肽菌株選育研究進展［J］.中國釀造，2011，30（5）：5-7.

［3］BAUDOUIN-CORNU P，LAGNIEL G，KUMAR C，et al.Glutathione degradation is a key determinant of glutathione homeostasis［J］.J Biol Chem，2012，287（7）：4552-4561.

［4］吳量，陳加利，王娟，等.酵母抽提液中谷胱甘肽的樹脂吸附分離［J］.中國釀造，2013，32（3）：79-81.

［5］方聰明，劉聯(lián)杰，周安盛，等.基于酶活性調節(jié)的釀酒酵母谷胱甘肽發(fā)酵調控研究［J］.中國釀造2014，33（6）：79-83.

［6］TIAN Y，JIANG W N，ZHANG J，et al.Inhibitory effects of glutathione on dengue virus production［J］.Biochem Bioph Res Co，2010，397（3）：420.

［7］楊安全，趙玉成，許激揚.發(fā)酵法生產谷胱甘肽的新進展［J］.藥物生物技術，2013，20（5）：467-470.

［8］李利軍，馬英輝，盧美歡，等.一株假絲酵母合成GSH的發(fā)酵條件優(yōu)化［J］.中國釀造，2012，31（7）：41-46.

［9］李麗.甘薯中還原型谷胱甘肽的提取及熒光檢測［J］.中國食品添加劑，2015（7）：162-166.

［10］潘亞磊，賀小賢，陳珊.補料分批發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究［J］.食品科學，2010，31（1）：78-82.

［11］吳祥庭，吳丹，夏文水，等.釀酒酵母WD-1發(fā)酵生產谷胱甘肽條件的研究［J］.浙江農業(yè)學報，2010，22（3）：101-105.

［12］鄭麗雪，劉夢瀅，王立梅，等.不同發(fā)酵時期添加金屬離子對釀酒酵母合成谷胱甘肽的影響［J］.食品研究與開發(fā)，2014，35（6）：62-65.

［13］錢衛(wèi)東，付云芳.利用變溫提高漢遜酵母發(fā)酵生產谷胱甘肽的研究［J］.食品工業(yè)科技，2013，34（6）：77-80.

［14］賈學杰，王雅琴，李亮.復合誘變和抗性篩選高產谷胱甘肽酵母菌株［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2005，36（10）：604-607.

［15］龐德欽，周蓬蓬，魯明波，等，等離子體-紫外線復合誘變選育高產谷胱甘肽酵母菌［J］.生命科學研究，2007，11（3）：112-116.

［16］陳雪，趙文杰，馮軍，等.谷胱甘肽產生菌的菌種選育［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2007，38（7）：35-37.

［17］GE S，ZHU T，LI Y.Expression of bacterial GshF in Pichia pastoris for glutathione production［J］.Appl Environ M icrobiol，2012，78（15）：5435-5439.

［18］ASK M，MAPELLI V，H?CK H，et al.Engineering glutathione biosynthesis of Saccharomyces cerevisiae increases robustness to inhibitors in pretreated lignocellulosic materials［J］.M icrob Cell Fact，2013，12：87.

［19］HARA K Y，KIRIYAMA K，INAGAKI A，et al.Improvement of glutathione production by metabolic engineering the sulfate assimilation pathway of Saccharomyces cerevisiae［J］.Appl M icrob Biot，2012，94（5）：1313-1319.

［20］LIAO X Y，SHEN W，CHEN J，et al.Improved glutathione production by gene expression in Escherichia coli［J］.Lett Appl M icrobiol，2006，43（2）：211-214.

［21］傅瑞燕，陳堅，李寅.構建重組乳酸乳球菌生產谷胱甘肽［J］.生物加工過程，2004，2（2）：21-25.

［22］FEI L W，WANG Y，CHEN S X.Improved glutathione production by gene expression in Pichia pastoris［J］.Bioprocess Biosyst Eng，2009，32（6）：729.

［23］沈繼朵，胡曉川，卞筱泓，等.催化合成谷胱甘肽的基因工程菌的構建及表達［J］.西北藥學雜志，2010，25（4）：288.

［24］楊建花，李娓，王德正，等.表達雙功能谷胱甘肽合成酶的重組巴斯德畢赤酵母的構建與鑒定［J］.工業(yè)微生物，2013，43（5）：32-36.

［25］趙波，趙文杰，顧敏，等.硫酸銨與pH對酵母高密度發(fā)酵生產谷胱甘肽的影響［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2009，40（3）：76-79.

［26］尹良鴻，廖鮮艷，吳曉玉，等.產朊假絲酵母發(fā)酵生產谷胱甘肽的補料研究［J］.工業(yè)微生物，2009，39（1）：18-22.

［27］WEN S H，ZHANG T，TAN T W.Utilization of amino acids to enhance glutathione production in Saccharomyces cerevisiae［J］.Enzym e M icrob Tech，2004，35：501-505.

［28］陳珊，賀小賢，潘亞磊.氨基酸前體對釀酒酵母生產谷胱甘肽影響的研究［J］.陜西科技大學學報：自然科學版，2008，26（3）：16-19.

［29］尹良鴻，吳曉玉，廖鮮艷，等.產朊假絲酵母發(fā)酵生產谷胱甘肽的氨基酸添加策略［J］.過程工程學報，2008，8（2）：56-59.

［30］DONG Y S，YANG Q Z，JIA S R，et al.Effects of high pressure on the accumulation of trehalose and glutathione in the Saccharomyces cerevisiae cells［J］.Biochem Eng J，2007，37：226-230.

［31］周斌，李清亮，陳娜，等.溫和壓力對面包酵母CICC1447谷胱甘肽合成的影響［J］.食品研究與開發(fā)，2014，35（9）：111-114.

［32］王玉磊，葉子優(yōu)，賀秋萍，等.S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽聯(lián)產發(fā)酵中鹽脅迫的作用［J］.生物加工過程，2012，10（3）：33-37.

［33］聶薇，衛(wèi)功元，李寅.利用低pH脅迫作用促進產朊假絲酵母生產谷胱甘肽［J］.化工學報，2005，56（9）：81-85.

［34］鄭麗雪，王斌，朱娉，等.利用低pH處理促進釀酒酵母2-10515生產谷胱甘肽［J］.食品研究與開發(fā)，2014，35（21）：116-118.

［35］KIRIYAMA K，HARA K Y，KONDO A.Extracellular glutathione fermentation using engineered Saccharomyces cerevisiae expressing anovel glutathione exporter［J］.App l M icrobiol Biotechnol，2012，96（4）：1021-1027.

［36］SM IRNOVA G，MUZYKA N，OKTYABRSKY O.Transmembrane glutathione cycling in growing Escherichia coli cells［J］.M icrobiol Res，2012，167（3）：166-172.

［37］BACHHAWAT A K，THAKUR A，KAUR J，et al.Glutathione transporters［J］.Biochim Biophys Acta，2013，1830（5）：3154-3164.

Discussion of enhancing glutathione yield by microbes

DONG Yongsheng，MA Lei，WANG Yanjie
（College of Bioengineering，Qilu University of Technology，Jinan 250353，China）

Glutathione is an active substance with important physiological function in organism，which has functions of scavenging free radical，detoxification，prevention of diabetes and cancer，inhibition of aging and HIV，improving human immunity and so on.It is widely applied in health care and food and other industries，and it is mainly produced by microbial fermentation.In this article，a brief introduction of the current situations of glutathione production by microorganism was presented.The measures for enhancing glutathione yield through strain screening，fermentation conditions optimization，metabolic regulation and so on were described in detail.In the end，the problems to be solved in fermentation process for glutathione production were briefly prospected.The aim was to provide reference for the research of glutathione produced by microbes.

glutathione；microorganism；yield；measuress

Q93-335

0254-5071（2016）05-0006-04

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．05．002

2016-01-06

山東省自然科學基金（2014ZRB01120）

董永勝（1964-），男，副教授，博士，研究方向為食品發(fā)酵。