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        釀酒酵母生產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系發(fā)酵條件的研究

        2016-12-22 02:48:00董永勝馬蕾王艷杰
        食品研究與開發(fā) 2016年24期
        關(guān)鍵詞:谷胱甘肽菌體釀酒

        董永勝,馬蕾,王艷杰

        (齊魯工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,山東濟(jì)南250353)

        釀酒酵母生產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系發(fā)酵條件的研究

        董永勝,馬蕾,王艷杰

        (齊魯工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,山東濟(jì)南250353)

        研究釀酒酵母NJ-16生產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系的發(fā)酵條件,確定酵母最適產(chǎn)酶條件為:搖床轉(zhuǎn)速180 r/min,pH 5.0,培養(yǎng)溫度32℃,培養(yǎng)基中硫酸鎂含量為2 g/L。此條件下,釀酒酵母NJ-16的谷胱甘肽合成酶系的活性為12.5U/g濕菌體。

        釀酒酵母;谷胱甘肽合成酶系;發(fā)酵條件

        谷胱甘肽合成酶系是催化L-谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸生成谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的酶,由γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(GSH-Ⅰ)和谷胱甘肽合成酶(GSH-Ⅱ)組成[1-2]。谷胱甘肽具有清除自由基、解毒、延緩衰老、預(yù)防糖尿病、保護(hù)肝臟、抗輻射、提高人體免疫力、抑制艾滋病病毒、防止皮膚老化等功能[3-4],在臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)、食品加工等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和產(chǎn)業(yè)前景[5-6],其工業(yè)化生產(chǎn)越來越受到關(guān)注。谷胱甘肽作為生物活性物質(zhì),已越來越多地應(yīng)用于食品工業(yè)中[7],如在面制品中能起到強(qiáng)化氨基酸的作用,在肉類和海鮮食品中可強(qiáng)化風(fēng)味并延長保鮮期,在水果蔬菜類飲料中可有效防止食品褐變,還可用于幫助人們排毒的功能食品的生產(chǎn)[8]。

        酵母發(fā)酵法是生產(chǎn)谷胱甘肽的主要方法,酵母谷胱甘肽合成酶系的活性對谷胱甘肽的產(chǎn)量有決定性的作用,但正常酵母的酶系活性較低,為提高谷胱甘肽產(chǎn)量,常采用各種育種技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)菌株的選育[9-10]。目前對酵母生產(chǎn)谷胱甘肽的發(fā)酵條件有較多的研究[11],也對酵母在極端條件下合成谷胱甘肽進(jìn)行了一些研究[12-13],但對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的培養(yǎng)條件研究較少。作者以選育的釀酒酵母NJ-16為出發(fā)菌株,以提高酵母谷胱甘肽合成酶系的活性為研究目標(biāo),探討酵母高產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系的發(fā)酵條件,為提高酵母工業(yè)化谷胱甘肽產(chǎn)率提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 菌種

        釀酒酵母(S.cerevisiae)NJ-16:山東省微生物工程重點實驗室選育。

        1.2 培養(yǎng)基

        種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH 6.0。

        發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖30,蛋白胨10,酵母膏5,(NH4)2SO45.0,KH2PO45.0,MgSO42.0,pH 5.0。

        1.3 酵母培養(yǎng)

        從活化斜面上挑取一環(huán)菌體接入到種子培養(yǎng)基中,30℃靜置培養(yǎng)24 h。然后將酵母種子培養(yǎng)液以10%的接種量接入到發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)。

        1.4 生物量測定

        取發(fā)酵液25 mL,離心收集菌體,用蒸餾水沖洗3次,離心收集菌體,于70℃烘干至恒重后稱重。

        1.5 谷胱甘肽合成酶系活性的測定

        將發(fā)酵液離心收集細(xì)胞,用磷酸緩沖液洗滌菌體,離心收集細(xì)胞。取1.0 g濕菌體加入到19.6mL的0.03mol/L、pH7.2的磷酸緩沖液中,再加入0.4mL的甲苯,在35℃下處理2 h。離心收集上清液,即得粗酶液。取10.0mL粗酶液加入到10.0mL反應(yīng)液中,在37℃、150 r/min下反應(yīng)1 h,反應(yīng)液再在沸水浴中保溫10min。離心取上清液,采用HPLC法測定上清液中谷胱甘肽的含量。谷胱甘肽合成酶系活力單位定義:上述反應(yīng)條件下,每小時轉(zhuǎn)化生成1mg谷胱甘肽的酶量為1個酶活單位。

        反應(yīng)液組成:40mmol/LL-谷氨酸,20mmol/LL-半胱氨酸,20mmol/L甘氨酸,20mmol/LMgC12,200mmol/L磷酸緩沖液(pH 7.0)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 溫度對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的影響

        將酵母接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,于160 r/min下培養(yǎng)20 h,溫度分別控制在26、28、30、32、34、36、38℃,結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同培養(yǎng)溫度下酵母谷胱甘肽合成酶系活性和生物量的變化Fig.1 Changesof theglutathionesynthetasesactivity in the S. cerevisiae cellsand biom asscultured under different tem perature

        由圖1可知,發(fā)酵溫度對谷胱甘肽合成酶系的活性有明顯影響:隨著溫度的升高酶系活性也隨之升高,32℃時酶系活性達(dá)到最高為10.2 U/g濕菌體,比28℃時提高36.0%,說明酵母產(chǎn)酶的溫度高于其生長最適的溫度;在試驗條件下,較高的發(fā)酵溫度有利于酶系的合成,如38℃時酶系活性也高于28℃,但卻低于32℃,這是由于較高溫度下酵母代謝相對變慢而引起的,且38℃培養(yǎng)時酵母生物量也比32℃下降了17.7%。因此在釀酒酵母生產(chǎn)谷胱甘肽時,采用較高的培養(yǎng)溫度即可達(dá)到較高的生物量,又可提高谷胱甘肽合成酶系的活性,進(jìn)而提高谷胱甘肽的產(chǎn)量。

        2.2 pH對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的影響

        調(diào)發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0,將酵母接種于不同pH的培養(yǎng)基中,于32℃、160 r/min下分別培養(yǎng)20 h,培養(yǎng)過程中pH的控制通過流加3mol/L的H2SO4或3mol/L的NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié),結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同pH下酵母谷胱甘肽合成酶系活性的變化Fig.2 Changesof theglutathione synthetasesactivity in the S. cerevisiae cellsand biomass cultured under differentpH

        由圖2可知,pH對酵母谷胱甘肽合成酶系的活性也有明顯影響:酵母在相對較低的pH下培養(yǎng)時酶系活性較高,在pH 5.0時酶系活性達(dá)到最高為11.1U/g濕菌體,比pH 7.0時高35.4%,這與釀酒酵母的生長最適pH相同。在pH4.0~5.5之間酵母的生物量變化不大,但在pH 7.0時酵母的生物量與pH 5.0相比下降了14.1%。與圖1相比,恒pH 5.0下酶系活性提高8.8%,這是由于在圖1條件下培養(yǎng)基的初始pH在發(fā)酵過程中發(fā)生了變化,進(jìn)而影響到酵母酶系的產(chǎn)率,因此采用恒定pH培養(yǎng)可避免這種影響。

        2.3 溶氧對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的影響

        微生物酶產(chǎn)量與發(fā)酵液中的氧含量有直接關(guān)系,發(fā)酵液中溶氧量與搖床轉(zhuǎn)速有關(guān)。取發(fā)酵培養(yǎng)基100mL于500mL三角瓶中接種酵母,于32℃、不同搖床轉(zhuǎn)速下培養(yǎng)20 h。搖床轉(zhuǎn)速對酵母谷胱甘肽合成酶系活性的影響如圖3所示。

        由圖3可知,隨著轉(zhuǎn)速增加,酵母的生物量和酶系活性都隨之上升;在轉(zhuǎn)速160 r/min~200 r/min之間時,酶系活性和生物量都達(dá)到相對較高的數(shù)值,且基本穩(wěn)定,因此搖床轉(zhuǎn)速以160 r/min即可。

        2.4 無機(jī)鹽對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的影響

        圖3 搖床轉(zhuǎn)速對酵母合成谷胱甘肽合成酶系和生物量的影響Fig.3 Effectof rotationalspeed on the synthesisof glutathione synthetasesand biom ass

        在發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加2 g/L的硫酸鈉、氯化鈉、硫酸鉀、氯化鉀以替代硫酸鎂,將酵母于32℃、160 r/min下培養(yǎng)20 h。結(jié)果如圖4所示。

        圖4 無機(jī)鹽對酵母合成谷胱甘肽合成酶系和生物量的影響Fig.4 Effectof inorganic saltson the synthesisof glutathione synthetasesand biom ass

        由圖4可知,不同無機(jī)鹽對酵母谷胱甘肽合成酶系活性的影響不同:當(dāng)培養(yǎng)基中存在硫酸鎂時酶系活性最高;而其他4種鹽存在時,與硫酸鎂相比酶系活性相對下降較多。硫酸鎂使谷胱甘肽合成酶系活性升高的原因是Mg2+為γ—谷氨酰半胱氨酸合成酶和谷胱甘肽合成酶活性中心的輔因子,酶系的合成需要Mg2+的參與。在不同無機(jī)鹽下培養(yǎng)酵母時,生物量相對變化不大,說明上述無機(jī)鹽對酵母生長的影響較小。因此,在酵母發(fā)酵生產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系時,應(yīng)在培養(yǎng)基中添加一定量的硫酸鎂。

        2.5 酵母合成谷胱甘肽合成酶系的發(fā)酵條件優(yōu)化

        在實際生產(chǎn)中,由于各種因素相互影響,為選出最佳產(chǎn)酶條件,根據(jù)單因素對酵母合成谷胱甘肽合成酶系的影響,以培養(yǎng)溫度、pH、轉(zhuǎn)速和硫酸鎂用量4種因素為影響因子,采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果及分析見表1。

        從表中看出:培養(yǎng)溫度、pH、轉(zhuǎn)速和硫酸鎂用量四因素對酵母谷胱甘肽合成酶系活性的影響順序為:轉(zhuǎn)速>pH>溫度>硫酸鎂用量,其最佳產(chǎn)酶條件為A2B2C3D2,即轉(zhuǎn)速為180 r/min、pH為5.0、培養(yǎng)溫度為32℃、硫酸鎂用量為2 g/L。此條件下,酵母谷胱甘肽合成酶系活性最高,驗證試驗其酶系活性為12.5U/g濕菌體。

        表1 正交表及試驗結(jié)果分析Table1 Orthogonal listand the resultanalysisof test

        3 結(jié)論

        釀酒酵母合成谷胱甘肽合成酶系的最適溫度與其生長最適溫度不同,酵母在32℃培養(yǎng)時,酶系活性高于其最適生長溫度;而產(chǎn)酶和生長的最適pH相同,即pH為5.0時,酶系活性最高。釀酒酵母合成谷胱甘肽合成酶系的最佳條件為:搖床轉(zhuǎn)速為180 r/min,發(fā)酵液pH為5.0,發(fā)酵溫度為32℃,培養(yǎng)基中硫酸鎂用量為2 g/L,此條件下,酵母谷胱甘肽合成酶系活性可達(dá)到12.5U/g濕菌體。本文關(guān)于酵母生產(chǎn)谷胱甘肽合成酶系發(fā)酵條件的研究,對谷胱甘肽工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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        Study on Fermentation Conditions of Glutathione Synthetases Producted by S.cerevisiae

        DONGYong-sheng,MA Lei,WANGYan-jie
        (CollegeofBioengineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,Shandong,China)

        The fermentation conditions of glutathione synthetasesproducted by S.cerevisiae NJ-16 were researched,and the optimal conditions of enzymes production were determined as follows:rotational speed180 r/ min,pH 5.0,fermentation temperature 32℃,the dosage ofmagnesium sulphate inmedium was 2 g/L.Under these culture conditions,the activity of glutathione synthetasesproducted by S.cerevisiae NJ-16 was 12.5 U/g wetcell.

        S.cerevisiae;glutathione synthetases;fermentation condition

        10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.036

        2016-03-25

        董永勝(1964—),男(漢),教授,博士,主要研究方向:食品發(fā)酵。

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