夏詩棋,管軼男,付正,鄒艷,李俊杰,管斌*,孔青
(1.中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266003;2.青島蔚藍生物股份有限公司,山東青島266101;3.山東醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校,山東濟南250002)
高產(chǎn)Monacolin K紅曲霉菌株選育及發(fā)酵條件的優(yōu)化
夏詩棋1,管軼男2,付正3,鄒艷1,李俊杰1,管斌1*,孔青1
(1.中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266003;2.青島蔚藍生物股份有限公司,山東青島266101;3.山東醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校,山東濟南250002)
對產(chǎn)Monacolin K的紅曲霉菌株進行了復(fù)合誘變后的篩選和發(fā)酵條件優(yōu)化。通過紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變,得到一株高產(chǎn)Monacolin K的菌株3.991-7。通過單因素試驗,以Monacolin K的產(chǎn)量為指標(biāo),確定出最佳發(fā)酵條件:接種量7%,pH值為4.5,培養(yǎng)溫度為25℃,培養(yǎng)時間為10 d。在此最佳條件下,誘變菌株固態(tài)發(fā)酵后的Monacolin K的產(chǎn)量為9.06mg/g。
紅曲霉;莫納可林K;發(fā)酵條件;復(fù)合誘變
紅曲又稱丹曲,屬真菌門(Eumycophyta),紅曲科(Monascaceae),紅曲霉屬(Monascus)。紅曲的應(yīng)用在我國有悠久的歷史,不僅被用于生產(chǎn)紅曲酒,而且在食醋、食品色素、中藥等制造方面有廣泛的應(yīng)用[1]。近年來,紅曲逐漸被人們所重視,人們對其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)、應(yīng)用、性質(zhì)等方面進行了深入的研究,紅曲在生長過程中可以產(chǎn)生抑菌物質(zhì)、色素、酶類、麥角固醇、桔霉素等多種代謝產(chǎn)物。
Monacolin K為白色針狀晶體,熔點為157~159℃,分子式為C24H36O5,分子質(zhì)量為404,能夠溶于甲醇、乙醇、氯仿、丙酮等有機溶劑,但不溶于石油醚和環(huán)己烷,其主要結(jié)構(gòu)為氫化萘母核、β-羥-δ-內(nèi)酯環(huán)和2-甲基-丁酸。Monacolin K是一種膽固醇合成抑制劑,是由日本學(xué)者Endo首次從紅色紅曲霉M.rubber van Tieghem中分離出的[2]。它能有效地抑制膽固醇生物合成過程中的關(guān)鍵酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A(3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A,HMG-CoA),并對該酶有較強的競爭性抑制作用,從而降低膽固醇的合成,尤其是酸式Monacolin K可以使肝臟避免受長期服用降血脂藥物等帶來的副作用[3-5]。日本、美國、加拿大等的學(xué)者在雞飼料中添加了0.25%的Monacolin K,可以使雞蛋中的膽固醇降低15%左右。Monacolin K還具有預(yù)防和治療膽結(jié)石、腫瘤和前列腺肥大的作用,是一種良好的次級代謝產(chǎn)物。
本研究通過篩選不同菌株、培養(yǎng)條件的優(yōu)化和菌株誘變進行了提高紅曲霉產(chǎn)Monacolin K能力的研究,為Monacolin K的工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。
1.1 材料與試劑
1.1.1 實驗菌株
紅曲霉(Monascusanka)3.991:中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院酶工程研究室保藏。
1.1.2 實驗原料
大米購買于青島市利群超市。
1.1.3 培養(yǎng)基
固體培養(yǎng)基:稱取20 g大米,蒸餾水洗凈至不渾濁,在蒸餾水中浸泡12 h后放入燒瓶中,調(diào)pH至6.0,121℃滅菌20m in。
斜面種子培養(yǎng)基:10°Bx麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基,pH 6.0,121℃滅菌20min。
發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨0.8%,米粉8%,豆粕1%,NaNO30.3%,KH2PO40.15%,pH 6.0,121℃滅菌20m in。
1.1.4 試劑
Lovastatin標(biāo)準(zhǔn)品(超高純):中國藥品生物制品檢定所;磷酸二氫鉀(分析純):天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心;亞硝酸鈉、硝酸鈉(分析純):淄博市臨淄天德精細化工研究所。
1.2 儀器與設(shè)備
722N紫外分光光度計:上海精科儀器有限公司;HZQX100恒溫振蕩培養(yǎng)箱:東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司;XSP-9CA光學(xué)顯微鏡:上海光學(xué)儀器一廠;LD5-10B低速離心機:北京雷博爾離心機有限公司。
1.3 方法
1.3.1 菌種的活化
從實驗室保存的菌種斜面上挑取孢子于無菌水中,進行10倍梯度稀釋,然后選取合適稀釋倍數(shù)的菌懸液,涂布麥芽汁培養(yǎng)基,在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d,在培養(yǎng)過程中選取生長速度快、顏色紅的菌落進行斜面保存。
1.3.2 紫外線對紅曲霉的誘變處理
取濃度為103~104個/m L的孢子懸浮液10m L,加入無菌培養(yǎng)皿中,在磁力攪拌下置于15W紫外燈前15 cm處進行照射[6],分別照射0、15 s、30 s、45 s、60 s、75 s、90 s、105 s和120s,取出100μL孢子懸浮液,冰浴15min,分別取0.2m L涂布至Lovastatin抗性平板上,每組兩個平行,30℃避光培養(yǎng)10 d,觀察并記錄菌落數(shù),計算致死率,其計算公式如下:
式中:A為對照組菌落數(shù);B為誘變組菌落數(shù)。
1.3.3 紫外-亞硝酸鈉對紅曲霉的復(fù)合誘變處理
分別取0.05mol/L亞硝酸鈉溶液1m L,加入到50m L三角瓶中,再分別加入1m L上述紫外誘變后的孢子懸浮液,立即加lm L pH4.5醋酸緩沖液,分別誘變0、30 s、60 s、90 s、120s、150s、180s和210s后,加入pH 8.6的Na2HPO4(0.07mol/L)2m L終止反應(yīng);然后,分別取0.2m L涂布至抗性平板上,兩個平行,30℃培養(yǎng)10 d,觀察菌落數(shù),計算致死率。
1.3.4 Monacolin K高產(chǎn)菌株的篩選
先采用Lovastatin抗性平板初篩。在平板培養(yǎng)基中加入一定濃度的Lovastatin溶液0.5m L,使平板培養(yǎng)基中Lovastatin質(zhì)量濃度分別為100μg/m L、200μg/m L、300μg/m L、400μg/m L、500μg/m L、600μg/m L、700μg/m L和800μg/m L,每個濃度平行兩個平板,待平板冷卻凝固后,加入已制備的適當(dāng)稀釋后的孢子懸浮液(濃度為103~104個)0.2m L進行涂布,30培養(yǎng)7 d后,觀察菌體生長情況并進行紀錄,未有紅曲霉菌株生長的最低Lovastatin濃度為最低紅曲霉抑制濃度。按照最低紅曲霉抑制濃度配制成的Lovastatin平板即為Lovastatin抗性平板,再將復(fù)合誘變后的孢子懸浮液用生理鹽水適當(dāng)稀釋,取0.2m L涂布于Lovastatin抗性平板上,30℃培養(yǎng)7 d。觀察菌落生長狀況,挑取生長狀況良好的菌落進行斜面保藏。
對初篩得到的菌株進行固體培養(yǎng)基發(fā)酵復(fù)篩。將初篩所得的10株菌進行種子培養(yǎng),然后轉(zhuǎn)接至發(fā)酵培養(yǎng),每株3個平行。測定其Monacolin K的產(chǎn)量,并記錄。
1.3.5 誘變菌株遺傳穩(wěn)定性實驗
取復(fù)篩后Monacolin K產(chǎn)量較高的3株誘變菌株進行斜面保藏,然后按照上述發(fā)酵培養(yǎng)方法進行重復(fù)性發(fā)酵實驗,連續(xù)傳代4次,通過1.3.8中的方法檢測發(fā)酵液的Monacolin K產(chǎn)量,以未突變菌株Monacolin K的產(chǎn)量作為對照。
1.3.6 培養(yǎng)條件的優(yōu)化
以發(fā)酵培養(yǎng)基中的Monacolin K產(chǎn)量為評價指標(biāo)進行單因素實驗,因素水平設(shè)計為:在發(fā)酵溫度30℃、發(fā)酵時間200 h、發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH值為6的條件下,接種量設(shè)為5%、6%、7%、8%、9%、10%;在接種量為7%,發(fā)酵溫度為30℃,發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH值為6的條件下,發(fā)酵時間設(shè)為140 h、160 h、180 h、200 h、220 h、240 h、260 h和280 h;在接種量為7%,發(fā)酵時間為240 h,發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH為6的條件下,發(fā)酵溫度設(shè)為20℃、25℃、30℃和35℃;在接種量為7%,發(fā)酵時間為240 h,發(fā)酵溫度為25℃的條件下,發(fā)酵培養(yǎng)基的初始pH設(shè)為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0。分別研究在上述不同發(fā)酵條件對紅曲霉菌種產(chǎn)Monacolin K的影響。
1.3.7 誘變菌株固態(tài)發(fā)酵分析
將紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變得到的菌株和未誘變的菌株在優(yōu)化后的培養(yǎng)基上進行固態(tài)發(fā)酵,測定MonacolinK產(chǎn)量。
1.3.8 Monacolin K含量的測定
Monacolin K含量采用中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2847—2007《功能性紅曲米(粉)》中的高效液相色譜方法進行測定[7]。
2.1 菌株的誘變處理
2.1.1 紫外線對紅曲酶的誘變處理
圖1 紫外誘變時間對紅曲霉致死率的影響Fig.1 Effectof ultravioletmutation time on the lethality of Monascus anka
對紅曲霉3.991進行紫外誘變,釆用致死率來考察紫外線對紅曲霉的損傷作用。為獲得較高的正突變率,方便誘變菌株的篩選,選擇致死率為70%~80%的致死率為最佳。如圖1所示,當(dāng)紫外誘變時間為30 s時,紅曲霉致死率到達78%,因此選擇30 s為最佳誘變時間。
2.1.2 紫外-亞硝酸鈉對紅曲霉的復(fù)合誘變處理
對紅曲霉3.991進行紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變,以誘變致死率來考察紫外-亞硝酸鈉對紅曲霉3.991損傷作用,紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變時間對紅曲霉3.991致死率的影響結(jié)果見圖2。為獲得較高概率的紅曲霉突變菌株,選擇較高的致死率,由圖2可知,當(dāng)亞硝酸鈉誘變時間達到150 s時,致死率達到90.8%,之后再繼續(xù)延長誘變時間,致死率保持平穩(wěn),因此選擇亞硝酸鈉誘變時間選為150 s作為最佳誘變時間。
圖2 紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變時間對紅曲霉致死率的影響Fig.2 Effect o f UV-sodium nitrite com pound m utagenesis time on the lethality of Monascus anka
2.2 Monacolin K高產(chǎn)菌株的篩選
2.2.1 Lovastatin質(zhì)量濃度的確定
圖3 Lovastatin質(zhì)量濃度對紅曲霉生長的影響Fig.3 Effect of Lovastatin concentration on the grow th of Monascus anka
選擇Lovastatin抗性平板對誘變菌株進行篩選的方法,可以在誘變后篩選出相對正突變率較高的菌株,主要是因為Monacolin K產(chǎn)量較高的菌株的Lovastatin抗性必然較高,反之,若誘變后的紅曲菌株無法在Lovastatin抗性平板成活,則說明其Monacolin K產(chǎn)率較低而被淘汰。但抗性平板的篩選會導(dǎo)致誘變菌株的致死率增加,所以注意選擇適宜的誘變劑量和Lovastatin抗性平板濃度較為重要[8],Lovastatin對紅曲霉生長的影響見圖3。
由圖3可知,Lovastatin對紅曲霉的生長有明顯的抑制作用,平板中紅曲菌的菌落數(shù)隨培養(yǎng)基中的Lovastatin的質(zhì)量濃度的升高而逐漸減少,當(dāng)Lovastatin的質(zhì)量濃度達到600μg/m L時,未見有菌落生長,確定Lovastatin的質(zhì)量濃度600μg/m L為最低抑菌濃度。
2.2.2 復(fù)合誘變復(fù)篩結(jié)果
根據(jù)紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變,將初篩選出的10株菌(3.991-1~3.991-10)進行固態(tài)發(fā)酵,用HPLC測定其Monacolin K產(chǎn)量,結(jié)果如表1所示。由表1可知,菌株3.991-2、3.991-7和3.991-8的Monacolin K的產(chǎn)量較高,因此,選定這3株菌進行遺傳穩(wěn)定性實驗。
表1 10株紅曲霉的Monacolin K含量Table 1 Monacolin K contents of ten strains of Monascus anka
2.2.3 遺傳穩(wěn)定性實驗
圖4 誘變菌株的遺傳穩(wěn)定性Fig.4 Genetic stability ofmutant strains
對紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變得到的3株產(chǎn)Monacolin K含量較高的菌株3.991-2、3.991-7和3.991-8進行遺傳穩(wěn)定性實驗,傳代4次,測量其Monacolin K的產(chǎn)量,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,3株誘變菌株的遺傳穩(wěn)定性都較為良好,菌株3.991-2的Monacolin K產(chǎn)量最低,且從第二代開始Monacolin K產(chǎn)量緩慢下降;菌株3.991-7的穩(wěn)定性最高,傳代5次之后,其Monacolin K產(chǎn)量依舊最高,而且沒有顯著降低;菌株3.991-8的Monacolin K產(chǎn)量較高,但是在傳代2次之后其Monacolin K產(chǎn)量呈現(xiàn)出下降的趨勢,表明菌株3.991-8的遺傳穩(wěn)定性較差,當(dāng)傳代次數(shù)過多后會導(dǎo)致Monacolin K的產(chǎn)量降低。綜上所述,選擇菌株3.991-7作為高產(chǎn)MonacolinK的紅曲霉誘變菌種。
2.3 培養(yǎng)條件的優(yōu)化
2.3.1 接種量對Monacolin K產(chǎn)量的影響
接種量作為影響紅曲霉生長的重要因素[9-10],其大小決定了紅曲霉在發(fā)酵過程中的生長繁殖速度,采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵中菌絲繁殖達到高峰的時間,使產(chǎn)物的形成提前到來,但接種量過大會引起溶氧不足,營養(yǎng)物質(zhì)消耗較快,影響產(chǎn)物的合成,因此,對Monacolin K的產(chǎn)量有直接的影響。本實驗分別研究了接種量為5%,6%,7%,8%,9%和10%時對Monacolin K產(chǎn)量的影響,結(jié)果見圖5。
圖5 接種量對Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of inoculum on Monacolin K yield
由圖5可知,隨著接種量的增加,Monacolin K的產(chǎn)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當(dāng)接種量為7%時,Monacolin K的產(chǎn)量達到最大值,為8.76mg/g,因此最適接種量為7%。
2.3.2 發(fā)酵時間對Monacolin K產(chǎn)量的影響
圖6 發(fā)酵時間對Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of fermentation tim e on Monacolin K yie ld
發(fā)酵時間直接影響紅曲霉的生長和Monacolin K的產(chǎn)生[11],發(fā)酵時間對Monacolin K產(chǎn)量的影響如圖6所示。
由圖6可知,剛開始發(fā)酵時間與Monacolin K的含量成正比,發(fā)酵時間越長,Monacolin K的含量越多;但當(dāng)?shù)竭_一定時間之后,Monacolin K的含量就處于穩(wěn)定狀態(tài),因此,確定發(fā)酵時間對于Monacolin K的產(chǎn)量也至關(guān)重要。在240 h之前,紅曲米的色調(diào)隨著發(fā)酵時間的增長而增大,但當(dāng)發(fā)酵時間達到240 h后,紅曲米的色調(diào)增加緩慢,因此,從經(jīng)濟角度考慮,選擇240 h(10 d)為最佳發(fā)酵時間。
2.3.3 發(fā)酵溫度對Monacolin K產(chǎn)量的影響
溫度對菌體生長及產(chǎn)物的合成方面具有重要的影響,這是因為所有的酶受溫度的影響較大,只有酶的活性較高時才能保證菌體處于活性較高的狀態(tài),而且溫度對發(fā)酵的影響是很復(fù)雜的,主要表現(xiàn)在對細胞生長繁殖代謝、產(chǎn)物的合成等方面[12]。發(fā)酵溫度對Monacolin K產(chǎn)量的影響如圖7所示。
圖7 發(fā)酵溫度對Monaco lin K產(chǎn)量的影響Fig.7 Effect o f fermentation temperature on Monaco lin K yield
由圖7可知,發(fā)酵溫度對Monacolin K的產(chǎn)量有較大的影響,隨著發(fā)酵溫度的增加,Monacolin K的產(chǎn)量也增大,當(dāng)發(fā)酵溫度為25℃時,色調(diào)達到最大值,即Monacolin K的產(chǎn)量最大。隨著溫度的進一步升高,Monacolin K的產(chǎn)量降低,因此,最合適紅曲霉產(chǎn)Monacolin K的溫度為25℃。
2.3.4 不同pH值對Monacolin K產(chǎn)量的影響
圖8 不同pH值對Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig.8 Effects of different pH value on Monacolin K yield
pH是影響紅曲霉生長的關(guān)鍵因素,且紅曲霉是腐生真菌、嗜酸,研究培養(yǎng)基中最適合紅曲霉生長的pH值對Monacolin K的產(chǎn)量具有重要作用[13]。不同pH對Monacolin K產(chǎn)量的影響如圖8所示。
由圖8可知,pH值為7.0時,Monacolin K的產(chǎn)量最低,表明紅曲霉適合在酸性環(huán)境下生長。隨著pH值的增加,Monacolin K的產(chǎn)量先增大后降低,并且在pH值為4.5時達到最大值,達到8.92mg/g,因此,適合菌體生長且Monacolin K產(chǎn)量最高的pH值為4.5。
2.4 誘變菌株固態(tài)發(fā)酵分析
將紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變菌株3.991-7在優(yōu)化好的培養(yǎng)基上進行固態(tài)發(fā)酵后測量其Monacolin K的產(chǎn)量結(jié)果見表2。由表2可知,在優(yōu)化后的培養(yǎng)基上,誘變菌株與未誘變菌株相比其Monacolin K產(chǎn)量有了很大的提高,是原來的8.9倍。
表2 誘變菌株與未誘變菌株的Monacolin K產(chǎn)量Table 2 Monacolin K contents ofmutant and non-mutant strains
對實驗室保存的紅曲霉菌株3.991進行紫外-亞硝酸鈉復(fù)合誘變,通過Lovastatin平板初篩以及搖瓶發(fā)酵復(fù)篩,篩選得到了1株高產(chǎn)Monacolin K的紅曲霉菌株3.991-7,固態(tài)發(fā)酵后的Monacolin K的產(chǎn)量為8.06mg/g,與未誘變的菌株(1.02mg/g)相比,Monacolin K含量是原來的8.9倍,而目前報道的固態(tài)發(fā)酵紅曲米中的Monacolin K的含量在1.78~2.18mg/g[14-15]。
以大米為原料,接種紅曲霉菌株3.991-7進行固態(tài)發(fā)酵,以Monacolin K的產(chǎn)量為評價指標(biāo),通過單因素實驗確定最佳培養(yǎng)條件為接種量7%,pH值為4.5,培養(yǎng)溫度為25℃,培養(yǎng)時間為10 d,在此條件下測得的Monacolin K產(chǎn)量最高,達到了9.06mg/g。
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Screening and fermentation conditions of Monascus anka with high yield of Monacolin K
XIA Shiqi1,GUAN Yinan2,FU Zheng3,ZOU Yan1,LIJunjie1,GUAN Bin1*,KONGQing1
(1.College ofFood Science and Engineering,Ocean University ofChina,Qingdao 266003,China; 2.Qingdao V land Biotech Inc.,Qingdao 266101,China;3.Shandong MedicalCollege,Jinan 250002,China)
M onascus anka w ith Monacolin K yield was screened by compound mutagenesis,and the fermentation conditionswas optim ized.By UV and sodium nitrite compound mutation,a strain 3.991-7 w ith high yield Monacolin K was obtained.Using Monacolin K yield as index,the optimal fermentation conditionswere optimized by single factor experimentsas follows:inoculum 7%,pH 4.5,culture temperature 25℃,time 10 d.Under the conditions,theMonacolin K yield ofmutantstrainwas9.06mg/gw ith solid-state fermentation.
M onascusanka;Monacolin K;fermentation conditions;compoundmutation
TQ925
0254-5071(2017)08-0062-05
10.11882/j.issn.0254-5071.2017.08.014
2017-03-07
“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃(013BAD10B02-06);山東省科技計劃項目(2014GSF121029)
夏詩棋(1992-),女,碩士研究生,研究方向為發(fā)酵工程。
*通訊作者:管斌(1957-),男,教授,博士,研究方向為發(fā)酵工程。