喻靜蘭,孫建春,楊 曄
(上?;ぱ芯吭?上海 200062)
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三孢布拉霉菌發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素的代謝調(diào)控
喻靜蘭,孫建春,楊 曄
(上海化工研究院,上海 200062)
[目的]研究三孢布拉霉菌發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素的代謝調(diào)控途徑,為通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)條件來(lái)提高β-胡蘿卜素的產(chǎn)量提供依據(jù)和參考。[方法]采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定β-胡蘿卜素的含量,優(yōu)化正負(fù)菌孢子接入種子培養(yǎng)基的接種比例,通過(guò)對(duì)三孢布拉霉菌發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素的代謝調(diào)控分析,確定最佳補(bǔ)液時(shí)間,優(yōu)化培養(yǎng)溫度和接種比例來(lái)提高β-胡蘿卜素的產(chǎn)量。[結(jié)果]最佳孢子接種比例為正菌∶負(fù)菌=10∶1,最佳補(bǔ)液時(shí)間為52 h,最佳培養(yǎng)溫度為27 ℃,最佳種子液接種比例為8%。[結(jié)論]通過(guò)對(duì)菌體生長(zhǎng)代謝的分析優(yōu)化了培養(yǎng)條件,并將β-胡蘿卜素的產(chǎn)量從1.45 g/L提高到2.26 g/L,產(chǎn)量提高了55.9%,取得了較好的效果,為β-胡蘿卜素的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
三孢布拉霉; β-胡蘿卜素; 發(fā)酵; 代謝調(diào)控
β-胡蘿卜素是重要的維生素A前體[1],具有較強(qiáng)的抗氧化作用,在食品、保健品、化妝品以及醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要用途。目前,我國(guó)β-胡蘿卜素的生產(chǎn)方法主要有化學(xué)合成法、植物提取法和微生物發(fā)酵法3種[2-3]。其中,微生物發(fā)酵法由于產(chǎn)品天然且不受環(huán)境條件限制、培養(yǎng)周期短、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到重視,已成為天然β-胡蘿卜素的主要生產(chǎn)方法。三孢布拉霉菌具有生長(zhǎng)迅速、生物量大和類胡蘿卜素合成產(chǎn)量高等特點(diǎn),是發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素的優(yōu)良菌種。研究表明,通過(guò)將該菌的正、負(fù)單性菌株混合發(fā)酵可獲得較高產(chǎn)量的β-胡蘿卜素[4]。筆者對(duì)菌株發(fā)酵種子液培養(yǎng)期的初級(jí)代謝結(jié)果進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)初級(jí)代謝階段的發(fā)酵條件進(jìn)行一系列的優(yōu)化,從而提高最終產(chǎn)物β-胡蘿卜素的產(chǎn)量。
1.1菌種三孢布拉霉(Blakesleatrispora):正菌H5-30,負(fù)菌H6-1,由上?;ぱ芯吭荷锘?shí)驗(yàn)室保存。
1.2儀器和試劑分光光度計(jì)UV755B;無(wú)水乙醇,石油醚。
1.3培養(yǎng)基PDA培養(yǎng)基:土豆汁200 g/L,葡萄糖200 g/L,蛋白胨100 g/L,瓊脂200 g/L,VB15 mg/L;種子培養(yǎng)基:黃豆餅粉80 g/L,玉米粉28 g/L,VB150 g/L,淀粉酶1滴;發(fā)酵培養(yǎng)基:玉米淀粉80 g/L,黃豆餅粉16 g/L,酵母膏2 g/L,異煙肼0.4 g/L,VB15 mg/L,KH2PO40.6 g/L,MnSO40.3 g/L,Triton 1.2 g/L,煤油24 g/L,豆油66 g/L。
1.4培養(yǎng)方法
1.4.1孢子懸浮液的制備。將甘油管保藏的正負(fù)菌菌株分別接種至PDA培養(yǎng)基培養(yǎng)至孢子長(zhǎng)出,用25 mL無(wú)菌水洗滌孢子并用2層紗布過(guò)濾,分別得到正負(fù)菌孢子懸浮液。取1 mL孢子懸浮液稀釋至6 mL,用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)650 nm下測(cè)定吸光度,計(jì)算懸浮液的孢子濃度。
1.4.2種子培養(yǎng)。按照正菌孢子懸浮液接種量為3,負(fù)菌孢子接種量為0.3的接種比例接入種子培養(yǎng)基,在27 ℃、230 r/min下培養(yǎng)24 h。
1.4.3發(fā)酵培養(yǎng)。將培養(yǎng)好的種子液按10%的接種比例接入發(fā)酵培養(yǎng)基,在27 ℃、230 r/min下培養(yǎng)120 h。1.5β-胡蘿卜素的提取和測(cè)定將培養(yǎng)好的菌絲分別用200目絲網(wǎng)抽濾,溫水沖洗至濾液無(wú)色,稱取濕重;在80~90 ℃下烘干至恒重,計(jì)算生物量。稱取適量菌體至10 mL離心管,加鋼珠和5 mL二甲基亞砜∶三氯甲烷=2∶3的混合液,振蕩打磨45 min后離心,浸出液用無(wú)水乙醇稀釋100倍后,在波長(zhǎng)455 nm下測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算β-胡蘿卜素的含量。
2.1β-胡蘿卜素含量標(biāo)準(zhǔn)曲線精確稱取β-胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)品晶體,用石油醚溶解并稀釋成濃度梯度,在其最長(zhǎng)吸收波長(zhǎng)455 nm下[5]測(cè)定其吸光度,以β-胡蘿卜素濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,最大吸收波長(zhǎng)為455 nm,其回歸方程為y=1.143 8x+0.007 3,R2=0.999 8??梢?jiàn)在該波長(zhǎng)下β-胡蘿卜素的濃度與吸光度具有良好的線性關(guān)系。
圖1 β-胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of β-carotene
2.2正負(fù)菌孢子懸浮液接種量對(duì)β-胡蘿卜素產(chǎn)量的影響將培養(yǎng)好的正負(fù)菌孢子以孢子懸浮液的形式按一定比例混合接入種子液培養(yǎng)基的方法[6-7]進(jìn)行種子液培養(yǎng),并對(duì)正負(fù)菌孢子的接種量進(jìn)行梯度條件試驗(yàn)。
將正負(fù)菌孢子懸浮液按照表1的梯度交叉配對(duì)接入種子培養(yǎng)基,經(jīng)過(guò)全流程發(fā)酵培養(yǎng),得到β-胡蘿卜素產(chǎn)量,并進(jìn)行等高線曲面繪圖分析。
表1 正負(fù)菌接種量
由圖2可知,最佳接種比例:正菌0.65~0.77,負(fù)菌0.055~0.085,正負(fù)菌最佳接種比例為8∶1~14∶1。在此接種比例區(qū)間,β-胡蘿卜素的產(chǎn)量可達(dá)1.7~1.8 g/L。在此后的多次試驗(yàn)中,此接種范圍內(nèi)獲得的β-胡蘿卜素產(chǎn)量無(wú)顯著差異。為了試驗(yàn)過(guò)程中的可操作性,將正負(fù)菌接種比例固定為10∶1。
圖2 正負(fù)菌不同接種量下β-胡蘿卜素的產(chǎn)量Fig.2 The β-carotene production with different inoculation amount of plus(+) to minus(-) spores
2.3三孢布拉霉發(fā)酵產(chǎn)β-胡蘿卜素的初級(jí)代謝情況由圖3可知,三孢布拉霉菌株接種后立即進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,48~52 h到達(dá)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期,培養(yǎng)至52~60 h,由于培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)耗盡,菌體生長(zhǎng)進(jìn)入平臺(tái)期。而β-胡蘿卜素的生成遲于生物量的增長(zhǎng),從16 h進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,在生物量進(jìn)入平臺(tái)期后仍持續(xù)增長(zhǎng)。隨著發(fā)酵的進(jìn)行,生物量和β-胡蘿卜素不斷增加,發(fā)酵液中的糖源不斷消耗,殘?zhí)遣粩鄿p少,由于發(fā)酵液中糖濃度的降低使得糖的消耗趨緩,在52~60 h需要進(jìn)行一次補(bǔ)液。
圖3 三孢布拉霉發(fā)酵產(chǎn)β-胡蘿卜素的初級(jí)代謝情況Fig.3 Primary metabolism of fermentative production ofβ-carotene by Blakeslea trispora
2.4發(fā)酵溫度對(duì)代謝的影響為了進(jìn)一步確認(rèn)最佳補(bǔ)液時(shí)間,同時(shí)考察溫度的影響,選取菌體生長(zhǎng)進(jìn)入平臺(tái)期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)52和60 h,考察不同發(fā)酵溫度對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響。由圖4可知,60 h的生物量均稍高于52 h的生物量,60 h的β-胡蘿卜素產(chǎn)量也稍高于52 h,說(shuō)明在52~60 h菌體仍緩慢生長(zhǎng)。因此,應(yīng)選擇對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期,即52 h進(jìn)行接種較理想。52 和60 h的生物量與β-胡蘿卜素隨溫度的變化曲線呈高度的相似性,同時(shí)在24和27 ℃出現(xiàn)2個(gè)峰值,因此,在這2個(gè)溫度點(diǎn)分別接種至發(fā)酵液培養(yǎng)基,繼續(xù)進(jìn)行生長(zhǎng)曲線的跟蹤監(jiān)測(cè)。
圖4 生物量與β-胡蘿卜素產(chǎn)量隨溫度的變化Fig.4 The change of biomass and β-carotene production with temperature
圖5 不同溫度下的生物量Fig.5 Biomass under different temperature
由圖5可知,72 h前24 ℃的生物量高于27 ℃的生物量,而在72 h后,27 ℃的生物量高于24 ℃的生物量,并在發(fā)酵終點(diǎn)96 h重新吻合。其原因可能在于三孢布拉霉菌的發(fā)酵是由正菌和負(fù)菌共同完成,其正菌和負(fù)菌的生長(zhǎng)條件和生長(zhǎng)速度存在一定差異,導(dǎo)致在整體生長(zhǎng)情況下呈現(xiàn)2個(gè)交替上升的較優(yōu)發(fā)酵生長(zhǎng)溫度。其機(jī)理有待今后進(jìn)一步探究。根據(jù)在接近發(fā)酵終點(diǎn)92 h測(cè)定的生物量可以看出,27 ℃的發(fā)酵生長(zhǎng)情況優(yōu)于24 ℃,因此,確定27 ℃為最佳發(fā)酵培養(yǎng)溫度。
2.5接種量對(duì)代謝的影響種子培養(yǎng)結(jié)束后,分別考察將種子液以不同接種比例接入發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行全流程培養(yǎng)的發(fā)酵結(jié)果。由圖6可知,接種量為1%~8%,β-胡蘿卜素的產(chǎn)量和接種量成正比例提高,接種量達(dá)10%時(shí)略有下降。
圖6 接種量對(duì)β-胡蘿卜素產(chǎn)量的影響Fig.6 The influence of the inoculation amount on the β-carotene production
由圖7可知,盡管在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段,即30 h左右,殘?zhí)怯捎谙难杆俣a(chǎn)生波動(dòng),但在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期即52 h左右時(shí),殘?zhí)菨舛劝凑?%~8%的接種比例依次遞減,與β-胡蘿卜素的產(chǎn)量呈較好的相關(guān)性,說(shuō)明接種比例從1%逐步增加到8%的過(guò)程中,菌體生長(zhǎng)越來(lái)越旺盛,糖的消耗越來(lái)越多,目標(biāo)產(chǎn)物β-胡蘿卜素的產(chǎn)量也逐步提高。因此,將8%(V/V)的接種比例確定為最佳接種比例。
圖7 不同接種量的糖代謝情況Fig.7 The carbohydrate metabolism with different inoculation amount
該研究利用三孢布拉霉菌發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素,研究了菌體相關(guān)生長(zhǎng)代謝曲線,并在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行了一定優(yōu)化。結(jié)果表明,最佳正負(fù)菌孢子接種比例為正菌∶負(fù)菌=10∶1;最佳補(bǔ)液時(shí)間為52 h,最佳培養(yǎng)溫度為27 ℃,最佳種子液接種比例為8%。
在進(jìn)行一系列的培養(yǎng)條件優(yōu)化后,β-胡蘿卜素的產(chǎn)量從1.45 g/L提高到2.26 g/L,產(chǎn)量提高了55.9%,取得了較好的效果,為β-胡蘿卜素的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
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Metabolic Control of Fermentative Production of β-carotene byBlakesleatrispora
YU Jing-lan,SUN Jian-chun,YANG Ye
(Shanghai Research Institution of Chemical Industry,Shanghai 200062)
[Objective] The aim was to study the metabolic control of fermentative production of β-carotene byBlakesleatrispora,which provide a basis for increasing the production of β-carotene by optimized conditions.[Method] Through determiningβ-carotene content by ultraviolet spectrophotometer,the inoculation ratio of plus(+) and minus(-) spores were optimized.Through study on the metabolic control of efficient synthesis of β-carotene by matedBlakesleatrispora,the optimal medium supply time,culture temperature and inoculation amount was determined.[Result] After above,the optimum conditions were obtained,with the inoculation ratio of plus(+) and minus(-) spores was 10∶1,the time of medium supply was 52 hours,the culture temperature was 27 ℃,the inoculation amount was 8%.[Conclusion] Through study on the metabolic control of fermentation production of β-carotene byBlakesleatrispora, the optimum conditions were obtained.As a result,the production of β-carotene was increased from 1.45 to 2.26 g/L,the rate of increase was up to 55.9%,which lays a foundation for the industrial production of β-carotene.
Blakesleatrispora; β-carotene; Fermentation; Metabolic control
上?;ぱ芯吭嚎蒲杏?jì)劃項(xiàng)目(1806A-1)。
喻靜蘭(1981- ),女,湖北武漢人,工程師,碩士,從事功能食品微生物發(fā)酵工程研究。
2016-06-30
TS 201.3
A
0517-6611(2016)24-085-03