唐賢華,張崇軍,隋 明,2,周 文,2,舒學(xué)香
(1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 酒類與食品工程系,四川 都江堰 611830;2.四川大學(xué) 輕紡與食品學(xué)院,四川 成都 610065)
蛹蟲草(Cordyceps militaris)又稱北冬蟲夏草、北蟲草、蠶蛹草、東北蟲草等,屬于子囊菌門(Ascomycota)、麥角菌目(Clavicipitales)、麥角菌科(Clavicinitaccac)、蟲草屬(Cordyceps)[1]。蛹蟲草由子實(shí)體與菌核兩部分構(gòu)成,在自然條件下生長(zhǎng)主要包括蟲草菌絲體和子實(shí)體的生長(zhǎng),通過(guò)孢子對(duì)昆蟲幼蟲的感染,使孢子分裂產(chǎn)生菌絲體并且昆蟲本身作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供其生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng),在昆蟲的體外進(jìn)行發(fā)育和分化菌絲形成子座[2]。蛹蟲草作為一種名貴的中藥材,含有豐富的生物活性物質(zhì),如蟲草酸、蟲草素、多糖、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、蛋白質(zhì)和氨基酸等[3-4]。其中蟲草酸是蛹蟲草主要活性成分之一,其能抑制各種病菌的成長(zhǎng),可預(yù)防與治療腦血栓、腦出血、心肌梗塞、長(zhǎng)期衰竭。蟲草酸含量的高低是衡量蛹蟲草質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)之一,一般認(rèn)為蟲草酸含量高的蟲草的藥用價(jià)值高[5]。
目前關(guān)于產(chǎn)蟲草酸蛹蟲草菌株的研究較少,萬(wàn)琴等[6]采用搖瓶培養(yǎng)的方法,通過(guò)單因素和正交試驗(yàn),以生物量和蟲草酸含量為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定了蛹蟲草液體培養(yǎng)的最佳培養(yǎng)基配方和培養(yǎng)條件;雷幫星等[7]采用靜置培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方法培養(yǎng)蟲草菌株,測(cè)定蟲草多糖和蟲草酸的產(chǎn)量,獲得了培養(yǎng)基最優(yōu)組合和最佳培養(yǎng)工藝參數(shù);刁朝強(qiáng)等[8]采用大米米飯固體培養(yǎng)基培養(yǎng)出蛹蟲草子實(shí)體并進(jìn)行了培養(yǎng)工藝的優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)子實(shí)體中的蟲草素含量明顯高于培養(yǎng)基中蟲草素的含量;馬婕馨等[9]以4種蛹蟲草菌株為研究對(duì)象,以生物量和SOD活性為指標(biāo),篩選出SOD高活性菌株,并對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化,使發(fā)酵液中的SOD活性得到顯著提高。有研究表明,通過(guò)液態(tài)培養(yǎng)得到的蛹蟲草菌絲體有效成分與蛹蟲草子實(shí)體相同[10],且培養(yǎng)條件對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的形成產(chǎn)生有重要的影響,合理的培養(yǎng)工藝參數(shù)將大大提高培養(yǎng)液中生物活性物質(zhì)的生成。
本試驗(yàn)采用組織分離育種法從蛹蟲草中分離篩選高產(chǎn)蟲草酸的菌株,通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行鑒定,并采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化其產(chǎn)蟲草酸的條件,為蛹蟲草液體深層發(fā)酵的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的理論依據(jù)。
1.1.1 材料
蛹蟲草子實(shí)體:四川綿陽(yáng)市食用菌研究所。
1.1.2 培養(yǎng)基
馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養(yǎng)基[11]:土豆200g/L、葡萄糖20 g/L、蛋白胨20 g/L、K2HPO41 g/L、MgSO4·7H2O 1 g/L、維生素B1(vitamin B1,VB1)0.01 g/L、瓊脂20 g/L,pH自然。121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min,冷卻至80 ℃左右后加入質(zhì)量濃度為50μg/mL的硫酸鏈霉素和青霉素鈉。
種子和發(fā)酵培養(yǎng)基[12]:土豆200 g/L、葡萄糖20 g/L、蛋白胨10 g/L、K2HPO41 g/L、MgSO4·7H2O 1 g/L、VB10.01 g/L,初始pH6.0,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.3 化學(xué)試劑
葡萄糖、蛋白胨、酵母浸出粉、瓊脂粉(均為生化試劑):北京奧博生物技術(shù)有限責(zé)任公司;MgSO4·7H2O、KH2PO4(均為分析純):天津市北晨方正試劑廠;硫酸鏈霉素、青霉素鈉(均為分析純):南京奧多福尼生物科技有限公司;醋酸銨、冰醋酸、乙酰丙酮、高碘酸鉀、L-鼠李糖、濃鹽酸、無(wú)水乙醇(均為分析純):重慶川東化工(集團(tuán))有限公司;蟲草酸(分析純):上海士鋒科技有限公司;真菌DNA提取試劑盒:美國(guó)Omega公司;聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)產(chǎn)物純化試劑盒:杰瑞生物工程(上海)有限公司。
ME204E電子天平:梅特勒-托利多儀器有限公司;Y60立式壓力蒸汽滅菌鍋:寧波久興醫(yī)療器械有限公司;SW-CG-1F型超凈工作臺(tái):蘇州蘇潔凈化設(shè)備有限公司;DK-S28恒溫培養(yǎng)箱、DHG-9015A電熱鼓風(fēng)干燥箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;HZQ-2全溫振蕩器:江蘇金怡儀器科技有限公司;T100型PCR儀:杭州博日科技有限公司;GelDoc 2000凝膠成像系統(tǒng):美國(guó)Bio-rad公司;UV-3300(PC)紫外可見分光光度計(jì):上海凌析儀器有限公司;TGL16M離心機(jī):上海赫田科學(xué)儀器有限公司。
1.3.1 菌株的分離、純化
采用組織分離育種法[13]對(duì)蛹蟲草中的菌株進(jìn)行分離純化。先用蒸餾水沖洗蛹蟲草的菌核表面、子座頭及子座柄,在超凈工作臺(tái)里用0.1%升汞浸泡1~2 min,再用無(wú)菌水沖洗蛹蟲草表面以除掉多余的升汞并用濾紙吸干表面的水分。將蛹蟲草子實(shí)體各個(gè)部分用無(wú)菌小刀分割成1 mm3的立方小塊,用鑷子把蛹蟲草子實(shí)體的小塊組織轉(zhuǎn)移到PDA培養(yǎng)基上,于23~25 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)。用滅菌的接種環(huán)挑取萌發(fā)的菌絲體,在PDA培養(yǎng)基上進(jìn)行劃線培養(yǎng)至單菌落。挑取單菌落接種于PDA試管斜面培養(yǎng)基中,于23~25 ℃條件下培養(yǎng),待菌絲體長(zhǎng)滿試管后存放于4 ℃冰箱。
1.3.2 菌株的篩選
用接種針從試管斜面培養(yǎng)基中挑取約1 cm2的菌塊接種于種子培養(yǎng)基,于25 ℃、130 r/min條件下培養(yǎng)86 h作為種子液。將種子液以8%(V/V)的接種量接種于發(fā)酵液體培養(yǎng)基,于25 ℃、150 r/min條件下發(fā)酵72 h,采用分光光度法[14]測(cè)量菌液中蟲草酸的含量,篩選出蟲草酸高產(chǎn)菌株。
1.3.3 菌株的鑒定
參照文獻(xiàn)[15-16]提取菌株的脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA),以其為模板,采用ITS通用引物ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3')和ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')對(duì)菌株的ITS序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系:10×Buffer 2.5 μL,25 mmol/L脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphate,dNTP)2 μL,MgCl22 μL,10 μmol/L正向引物0.5 μL,10 μmol/L反向引物0.5 μL,5 U/μL EXTaq酶0.5 μL,DNA模板0.3 μL,雙蒸水(ddH2O)16.7 μL。PCR擴(kuò)增條件:94 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃變性45 s,53 ℃退火50 s,72 ℃延伸90 s,共35個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用1.2%瓊脂糖凝膠進(jìn)行檢驗(yàn),采用PCR擴(kuò)增產(chǎn)物純化試劑盒進(jìn)行產(chǎn)物回收、純化后送至上海生工有限公司進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序結(jié)果提交至美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行BLAST同源性比對(duì),選取同源性較高的模式菌株的ITS序列,采用MEGA 6.0中的鄰接(neighbor joining,NJ)法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.3.4 菌株產(chǎn)蟲草酸培養(yǎng)條件優(yōu)化單因素試驗(yàn)
挑取面積為1 cm2左右的菌苔接種于種子培養(yǎng)基,裝液量為90 mL/250 mL,在25 ℃、150 r/min條件下發(fā)酵培養(yǎng)72 h。將種子液按10%的接種量接種到發(fā)酵培養(yǎng)基,裝液量80 mL/250 mL,24 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)72 h。在此基礎(chǔ)上,采用單因素輪換法依次考察接種量(6%、8%、10%、12%、14%、16%)、初始pH值(4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)、培養(yǎng)溫度(18 ℃、21 ℃、24 ℃、27 ℃、30 ℃、33 ℃)、轉(zhuǎn)速(130 r/min、140 r/min、150 r/min、160 r/min、170 r/min、180 r/min)4個(gè)因素對(duì)菌株產(chǎn)蟲草酸的影響。采用分光光度法[14]測(cè)定培養(yǎng)液中蟲草酸的含量,平行試驗(yàn)3次,確定菌株產(chǎn)蟲草酸的最佳培養(yǎng)條件。
1.3.5 菌株產(chǎn)蟲草酸培養(yǎng)條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)
在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以接種量(A)、初始pH值(B)、培養(yǎng)溫度(C)和轉(zhuǎn)速(D)為考察因素,蟲草酸含量(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[17-21]進(jìn)行4因素3水平優(yōu)化試驗(yàn),其因素與水平見表1。
表1 菌株產(chǎn)蟲草酸培養(yǎng)條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for culture conditions optimization of cordycepic acid-producing strain
1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
運(yùn)用Design-Expert(Version 8.0.6)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,作出響應(yīng)曲面圖,并進(jìn)行線性回歸和方差分析。
通過(guò)組織分離育種法從蛹蟲草子實(shí)體中分離得到6株菌株,根據(jù)6株真菌的蟲草酸產(chǎn)量篩選得到一株產(chǎn)白色絨毛狀菌絲的高產(chǎn)蟲草酸蛹蟲草菌株YCC-1,其培養(yǎng)液中蟲草酸含量為101.83 mg/g。
通過(guò)PCR擴(kuò)增獲得菌株YCC-1的ITS基因序列,其堿基長(zhǎng)度為568 bp。將測(cè)序結(jié)果提交至NCBI,采用MEGA 6.0中的NJ法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,結(jié)果見圖1。由圖1可知,菌株YCC-1與蛹草擬青霉(Paecilomyces militaris)聚于同一分支,其序列同源性為98%。因此,將菌株YCC-1鑒定為蛹草擬青霉菌(Paecilomyces militaris)。
圖1 基于ITS序列菌株YCC-1的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.1 Phylogenetic tree of strain YCC-1 based on ITS sequences
2.3.1 接種量對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響
不同接種量對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響結(jié)果見圖2。
圖2 不同接種量對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響Fig.2 Effect of different inoculum on cordycepic acid production by strain YCC-1
由圖2可知,當(dāng)接種量為4%~8%時(shí),蟲草酸含量隨接種量的增加而增加;當(dāng)接種量為8%時(shí),蟲草酸含量達(dá)到最大,為102.33 mg/g;當(dāng)接種量>10%之后,隨著接種量的增加,蟲草酸含量大幅減少。分析原因可能是當(dāng)接種量過(guò)小時(shí),在發(fā)酵終點(diǎn),培養(yǎng)基中所添加的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沒(méi)有被完全利用,降低了利用率;當(dāng)接種量過(guò)大時(shí),還未到發(fā)酵終點(diǎn),培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能夠支撐菌體代謝產(chǎn)物的生成。因此,確定最佳接種量為8%。
2.3.2 初始pH值對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響
不同初始pH值對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響結(jié)果見圖3。
圖3 不同初始pH值對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響Fig.3 Effect of different initial pH on cordycepic acid production by strain YCC-1
由圖3可知,當(dāng)初始pH值為4.0~6.0時(shí),蟲草酸含量隨初始pH值的升高而升高;當(dāng)初始pH值為6.0時(shí),蟲草酸含量達(dá)到最大,為106.15 mg/g;當(dāng)初始pH值>6.0之后,蟲草酸含量逐漸減少。分析原因可能是隨著pH值過(guò)高或過(guò)低,都不利于蛹蟲草菌絲體的生長(zhǎng)和生物活性物質(zhì)的生成,并影響蟲草酸的含量。因此,確定最佳初始pH值為6.0。
2.3.3 發(fā)酵溫度對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響
蛹蟲草屬于中低溫生長(zhǎng)菌,菌絲體的萌發(fā)溫度為20~23 ℃,較高的溫度會(huì)影響蛹蟲草的正常代謝活動(dòng),而較低的溫度又不利于蛹蟲草菌絲體的形成和生物活性物質(zhì)的產(chǎn)生,因此,維持發(fā)酵過(guò)程中適宜菌體生長(zhǎng)代謝的溫度具有重要意義[17]。不同發(fā)酵溫度對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響結(jié)果見圖4。
圖4 不同發(fā)酵溫度對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響Fig.4 Effect of different fermentation temperature on cordycepic acid production by strain YCC-1
由圖4可知,在不同的發(fā)酵溫度下,菌株YCC-1的生長(zhǎng)情況差別很大。當(dāng)發(fā)酵溫度為18~24 ℃時(shí),蟲草酸含量隨著發(fā)酵溫度的升高而增大;當(dāng)發(fā)酵溫度為24 ℃時(shí),蟲草酸含量最高,為123.3 mg/g;當(dāng)發(fā)酵溫度>24 ℃之后,蟲草酸含量逐漸降低,表明適當(dāng)提高溫度會(huì)加速菌絲體的生長(zhǎng),并有利于蟲草酸分子轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)液中,但溫度過(guò)高會(huì)抑制菌絲體的生長(zhǎng)和影響蟲草酸的含量。因此,確定菌株YCC-1的最佳發(fā)酵溫度為24 ℃。
2.3.4 轉(zhuǎn)速對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響
轉(zhuǎn)速對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響結(jié)果見圖5。
圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響Fig.5 Effect of rotational speed on cordycepic acid production by strain YCC-1
蛹蟲草的液體發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵,適當(dāng)?shù)膿u床轉(zhuǎn)速可以增加發(fā)酵液中的溶氧量,促進(jìn)菌絲體的生長(zhǎng)。由圖5可知,當(dāng)轉(zhuǎn)速為140 r/min時(shí),蟲草酸含量達(dá)到最大,為127.4 mg/g;當(dāng)轉(zhuǎn)速<140 r/min之前,隨著搖床轉(zhuǎn)速的增大,蟲草酸含量較快增加;當(dāng)轉(zhuǎn)速>140 r/min之后又較快下降,說(shuō)明不同搖床轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵液蟲草酸生成影響較大。綜合考慮,選擇發(fā)酵搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min。
2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取接種量(A)、初始pH值(B)、培養(yǎng)溫度(C)、轉(zhuǎn)速(D)為考察因素,以蟲草酸含量(Y)為響應(yīng)值,利用Minitab軟件進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。
表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments
2.4.2 回歸方程的建立及顯著性分析
利用Design-Expert 8.06軟件對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得到二次多項(xiàng)回歸方程:Y=129.33-1.58A+0.17B+1.42C+0.50D+2.25AB-1.50AC+1.75BC-2.00BD+0.050CD-8.96A2-11.33B2-3.21C2-4.33D2
對(duì)該模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。
表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model
由表3可知,回歸模型P值為0.000 1<0.01,極顯著;失擬項(xiàng)P值為0.464 4>0.05,不顯著,表明該模型可靠。該模型的決定系數(shù)R2=0.961 2,說(shuō)明該模型能解釋96.12%響應(yīng)值的變化,校正決定系數(shù)R2adj=0.916 0,說(shuō)明該模型擬合程度較好[18],試驗(yàn)誤差較小,因此,可用此模型對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的培養(yǎng)條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。
通過(guò)方差分析[19]可知,影響菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的因素的主次順序?yàn)锳>C>D>B,即接種量>培養(yǎng)溫度>轉(zhuǎn)速>初始pH值,與前面的單因素試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異,可能是在響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程中,由于發(fā)酵工藝和單因素試驗(yàn)條件差異較大,使影響菌株產(chǎn)蟲草酸的因素發(fā)生變化。模型的一次項(xiàng)A、C、交叉項(xiàng)AB、BC、BD對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05),二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)結(jié)果影響極顯著(P<0.01),其他項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響均不顯著(P>0.05)。
2.4.3 響應(yīng)面分析
各個(gè)因素間的交互作用對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響的響應(yīng)曲面及其等高線見圖5。
等高線的形狀反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小,圓形表示兩因素間交互作用不顯著,而橢圓形則與之相反[20]。由圖5可知,接種量、初始pH值、培養(yǎng)溫度和轉(zhuǎn)速間的交互作用對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響的響應(yīng)面均呈拋物面型,說(shuō)明所得到的響應(yīng)面都存在一個(gè)極大值點(diǎn),其中接種量、轉(zhuǎn)速、培養(yǎng)溫度分別與初始pH值的交互作用的等高線呈橢圓形,對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05),與方差結(jié)果分析一致。
圖5 接種量、初始pH值、培養(yǎng)溫度、轉(zhuǎn)速對(duì)菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of inoculum,initial pH,culture temperature and rotational speed on cordycepic acid production by strain YCC-1
經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化,根據(jù)二次多項(xiàng)回歸方程得到理論上菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的最佳培養(yǎng)條件:接種量7.78%、初始pH值6.01、培養(yǎng)溫度24.76 ℃、轉(zhuǎn)速140.7 r/min,在此最優(yōu)條件下,蟲草酸含量的理論值為129.62 mg/g。考慮到實(shí)際操作的可行性,將上述最優(yōu)條件修訂為接種量7.8%、初始pH值6.0、培養(yǎng)溫度25 ℃、搖床轉(zhuǎn)速140 r/min。
2.4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)
為了驗(yàn)證該模型的有效性及實(shí)用性,在此最佳提取條件下對(duì)該模型做3次驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果測(cè)得蟲草酸含量為132.65 mg/g,與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致,因此,該模型能較好地預(yù)測(cè)該菌株的實(shí)際培養(yǎng)狀況。
本研究以蛹蟲草子實(shí)體為研究對(duì)象,采用組織分離法從中分離得到一株高產(chǎn)蟲草酸的菌株YCC-1,通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)鑒定其為蛹草擬青霉(Paecilomyces militaris)。通過(guò)單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到菌株YCC-1產(chǎn)蟲草酸的最佳培養(yǎng)條件為接種量7.8%、初始pH值6.0、培養(yǎng)溫度25 ℃、搖床轉(zhuǎn)速140 r/min。在此最優(yōu)條件下,蟲草酸含量可達(dá)到132.65 mg/g,較優(yōu)化前提高了22.86%,為該菌株的深層發(fā)酵試驗(yàn)研究和工業(yè)化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。