任海霞 楊鵬 郭惠東 任鵬飛 李瑾 宮志遠

摘要：采用單因素試驗和正交試驗對黑曲霉FSDZH-l搖瓶發(fā)酵生產纖維素酶的營養(yǎng)條件進行優(yōu)化。結果表明：其最佳培養(yǎng)基配方（g/L）為：玉米粉40.0，蛋白胨3.0，（NH₄）₂SO₄2.0，Na₂HPO₄0.5，MgSO₄0.2，F(xiàn)eS04·7H₂O0.1，CaCO₃0.5。在最佳培養(yǎng)基條件下，發(fā)酵液酶活力可達315.6U/mL。

關鍵詞：黑曲霉；纖維素酶；培養(yǎng)基；優(yōu)化

中圖分類號：S182

文獻標識號：A

文章編號：1001-4942（2016）01-0067-04

纖維素是地球上分布最廣的碳水化合物，同時又是自然界中數(shù)量最大的可再生資源 。在工業(yè)、農業(yè)和生活廢料中，纖維素含量占有相當大的比重。我國是農業(yè)大國，每年產生農作物秸稈7億噸左右，目前這些秸稈通常被大量焚燒，不僅污染環(huán)境，而且浪費資源 。利用微生物降解纖維素因具有效率高、無污染、作用條件溫和、節(jié)約等優(yōu)點而成為當前熱點之一，具有很大的應用潛力 。利用微生物處理纖維素其核心技術是優(yōu)良的纖維素酶生產菌株及其產酶技術 。而產酶過程是非常復雜的生物化學反應過程，因此，研究菌體的代謝規(guī)律以及影響菌體產纖維素酶的各種營養(yǎng)因素和環(huán)境因素非常重要。本研究主要采用單因素試驗和正交試驗對影響產酶的各營養(yǎng)成分進行分析，以獲得黑曲霉產纖維素酶的最佳培養(yǎng)基。

1 材料與方法

1.1 菌種

黑曲霉（Aspergillus niger）FSDZH-1，本實驗室保藏。

1.2 主要原料和試劑

小麥粉、玉米粉、玉米漿、豆粕粉、羧甲基纖維素鈉（美國Sigma公司），其它化學試劑。

1.3培養(yǎng)基及發(fā)酵條件

1.3.1 斜面培養(yǎng)基PDA培養(yǎng)基

1.3.2 初始產酶培養(yǎng)基 淀粉3g，Na₂HPO₂0.1g， NaNO₃0.5g，CaCO₃0.05g，MgSO₄0.015g，F(xiàn)e-SO₄·7H₂O0.005g，水100mL，pH 7.0，121℃滅菌20min。

1.3.3 發(fā)酵條件將斜面菌種制成孢子懸液，接種于80mL基本培養(yǎng)基（500mL三角瓶）中，接種量為7.5×10⁴孢子/mL發(fā)酵液，30℃、200r/min搖瓶培養(yǎng)32h。

1.4 試驗方法

1.4.1 產酶培養(yǎng)基優(yōu)化①單因素試驗：在初始培養(yǎng)基基礎上，依次以6種常見碳源（見表1）分別代替基礎培養(yǎng)基中的碳源、以常見的幾種無機氮源和有機氮源（見表2）代替基礎培養(yǎng)基中的氮源（添加量以N元素濃度相等為依據(jù)）以及不同濃度的MgS04、FeS04.7H20、CaCO。等無機鹽，進行單因素試驗，通過纖維素酶活力篩選最適碳源、氮源、無機鹽及相應的濃度。

②正交試驗：在單因素試驗確定的最適Mg-SO₄、FeSO₄·7H₂O、CaCO₃濃度基礎上選擇不同濃度的玉米粉、蛋白胨、（NH₄）₂SO₄、NaNO₃、Na₂HPO₄進行五因素四水平的正交試驗，試驗數(shù)據(jù)使用Latin正交軟件進行處理，通過纖維素酶活力確定該菌株產纖維素酶最佳培養(yǎng)基。

1.4.2 纖維素酶活力測定 取1.0%羧甲基纖維素鈉溶液1.8mL，50℃預熱5min，準確加入適當稀釋酶液200μL，在50℃水浴中準確反應30min，立即分別加入DNS試劑3mL，空白管中加入滅活酶液200μL，立即沸水浴10min，終止反應。冷卻后定容至25mL，于540nm波長下測定樣品管中OD值，通過DNS法測定還原糖含量，并對照標準曲線測算酶活力。

酶活力單位定義：在50℃反應條件下，每分鐘從濃度為1%的羧甲基纖維素鈉溶液中釋放1μmol還原糖所需要的酶量為一個活力單位（U）。

2 結果與分析

2.1 不同碳源物質對產酶的影響

試驗結果（表1）表明玉米粉是最佳碳源，發(fā)酵液酶活達到了108.90U/mL，小麥粉次之，淀粉作為碳源，發(fā)酵液的相對酶活力也達80%以上。而葡萄糖等低聚糖作為碳源產酶較低，可能是因為它們不需要胞外酶的水解就能被細胞直接利用，對纖維素酶的合成產生了阻遏作用。

2.2 不同氮源物質對產酶的影響

試驗結果（表2）表明，有機氮源的酶活普遍高于無機氮源，與孫旭東等結論相近。蛋白胨、玉米漿作為有機氮源時，發(fā)酵液都有較高酶活，而且無機和有機混合作為氮源，發(fā)酵液酶活力普遍高于單獨使用有機或無機氮源。（NH₄）₂SO₄和蛋白胨混合作為氮源時，發(fā)酵液酶活最高，達到了214.54U/mL，可能是因為（NH₄）₂SO₄中的NH4+是比較容易被微生物利用的“速效氮源”，而蛋白胨中氨基酸含量比較高，也是易被菌體吸收利用的長效氮源。

2.3 MgSO₄濃度對產酶的影響

對細胞來說，Mg²⁺是金屬離子中較為重要的一種。本研究在培養(yǎng)基中添加不同量的MgSO₄，檢測發(fā)酵液的酶活。圖1結果表明，MgSO₄最適濃度為0.2g/L，超過0.2g/L會抑制酶的活性。2.4FeSO₄·7H₂O濃度對產酶的影響

鐵是維持微生物代謝活動必需的微量元素之一。本研究在產酶培養(yǎng)基中添加不同濃度的FeSO₂·7H₂O，檢測發(fā)酵液酶活。圖2結果表明，F(xiàn)eSO₄·7H₂O的最適濃度為0.10g/L，F(xiàn)e²⁺過量或不足都會影響發(fā)酵液酶活。

2.5 CaCO₃濃度對產酶的影響

鈣一般不參與微生物的細胞結構物質，但它是某些酶的激活劑，還可調節(jié)發(fā)酵液的pH值，而且鈣離子能調節(jié)細胞透性，對纖維素酶也有一定的激活作用。圖3結果可以看出，CaCO₃的最適濃度0.5g/L。

2.6 正交試驗確定最佳培養(yǎng)基配方

前面分析了培養(yǎng)基中各單因素對產酶的影響，但在產酶過程中往往各個因素之間還有較大的影響，因此需要對各因素進行綜合考察確定最佳產酶條件，尤其是選擇合適的碳、氮源濃度及碳氮比對菌株的生長和產酶有直接關系。通過正交試驗既可以確定合適的碳氮比和碳、氮源濃度，也可以從多個因素中分析主次，分析各因素對產酶的影響規(guī)律，還可以考察各個因素的相互作用對產酶的影響，從而得出最佳產酶條件。

由表3可知，玉米粉濃度是影響最顯著的因素，玉米粉濃度在40.0g/L以下時，發(fā)酵液酶活力隨小麥粉濃度的增大而增大，玉米粉濃度大于40.0g/L時，發(fā)酵液酶活力不再增長，主要是因為初始糖濃度太高影響了溶氧，而且也抑制了菌體生長，因而影響了產酶。五個因素對發(fā)酵產酶的顯著性依次為A>B>C>E>D，最佳條件分別為A₃B₂C₂D₁E₂，即最適濃度（g/L）為玉米粉40，蛋白胨3.0，（NH₄）₂SO₄2.0，NaNO₃0，Na₂HPO₄0.5。按培養(yǎng)基配方（g/L）為玉米粉40.0，蛋白胨3.0，（NH₄）₂SO₄2.0，NaNO₃0，Na₂HPO₄0.5， MgSO₄0.2，F(xiàn)eSO₄·7H₂O0.1，CaCO₃0.5進行驗證試驗，發(fā)酵液纖維素酶活力315.60U/mL，每毫升發(fā)酵液比處理10高出9.24U。

3 結論與討論

通過對黑曲霉FSDZH-1產纖維素酶培養(yǎng)基的研究，得出最佳培養(yǎng)基為（g/L）：玉米粉40.0，蛋白胨3.0，（NH₄）₂SO₄2.0，Na₂HPO₄0.5，MgSO₄0.2，F(xiàn)eSO₄·7H₂O0.1，CaCO₃0.5。每毫升發(fā)酵液酶活力達315.6U，而且黑曲霉的酶系比較豐富，有進一步深入研究進而實現(xiàn)工業(yè)化生產的潛力。但是搖瓶發(fā)酵工藝和大罐發(fā)酵工藝還不盡相同，如果擴大生產，還需要在搖瓶發(fā)酵的基礎上進一步優(yōu)化發(fā)酵罐工藝，以獲得最佳生產參數(shù)。