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        海鞘桔青霉Asc2-4培養(yǎng)基和溶氧條件優(yōu)化對產(chǎn)油性能的影響

        2020-10-27 08:58:18羅正東雷曉凌劉煥明
        廣東海洋大學(xué)學(xué)報 2020年6期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)油溶氧青霉

        羅正東,高 平,雷曉凌,劉煥明,鐘 敏

        海鞘桔青霉Asc2-4培養(yǎng)基和溶氧條件優(yōu)化對產(chǎn)油性能的影響

        羅正東1,高 平2,雷曉凌1,劉煥明1,鐘 敏1

        (1. 廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院 // 廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 // 水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088;2. 國家海產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(湛江),廣東 湛江 524088)

        【】優(yōu)化海鞘()桔青霉()Asc2-4培養(yǎng)基和溶氧條件,以提高其生物量和產(chǎn)油率。采用單因素法優(yōu)化培養(yǎng)基碳氮源及碳氮源比,通過正交試驗(yàn)優(yōu)化無機(jī)鹽,采用組合法優(yōu)化溶氧條件,通過干質(zhì)量法、酸熱提油法及氣相色譜法評價優(yōu)化結(jié)果。經(jīng)培養(yǎng)基優(yōu)化,確定碳源為葡萄糖,葡萄糖質(zhì)量濃度為100 g/L,氮源種類為蛋白胨+酵母膏(1∶1),碳氮比為100,無機(jī)鹽配比為KH2PO44 g/L、MgSO4150 mg/L、FeCl330.0 μg/L;溶氧組合優(yōu)化條件為轉(zhuǎn)速220 r/min,250 mL錐形瓶裝液量100 mL。最終生物量和油脂質(zhì)量濃度分別提高至19.90、8.76 g/L,比未優(yōu)化前約提高1.5倍和20倍;發(fā)酵油的不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)53.37%,其中油酸和亞油酸皆達(dá)到26%以上。優(yōu)化后菌株的產(chǎn)油性能大幅提高,該菌有作為生產(chǎn)油酸和亞油酸的工業(yè)菌種潛力。

        桔青霉;海鞘;產(chǎn)油性能;培養(yǎng)基優(yōu)化;溶氧條件優(yōu)化

        微生物油脂是由酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物利用外源營養(yǎng)物質(zhì)合成并儲存在細(xì)胞內(nèi)的油脂[1]。海洋相較于陸地具有高鹽、高壓和低氧的極端特點(diǎn),因此,海洋真菌具有獨(dú)特的產(chǎn)油性質(zhì)[2]。海鞘 () 為脊索動物門,尾索亞門,海鞘綱動物。柴慧子等[3]在雷州海鞘中篩選出一株產(chǎn)油桔青霉()Asc2-4,其不飽和脂肪達(dá)到65.00%,具有開發(fā)微生物功能性油脂的潛力。迄今,將海鞘共附生微生物開發(fā)為油脂工業(yè)菌的發(fā)酵研究鮮有報道。

        產(chǎn)油真菌一般可利用多種碳源生長,積累油脂。研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)油真菌的適宜碳源一般為甘油和葡萄糖[4]。碳源的濃度可影響產(chǎn)油真菌的油脂含量和不飽和組分,裂殖壺菌(sp. S31)在25 g/L的低葡萄糖質(zhì)量濃度條件下可促進(jìn)生成DHA,而100 g/L高葡萄糖質(zhì)量濃度下可提高脂質(zhì)含量[5]。不同產(chǎn)油真菌的適宜氮源種類不同,馬治燦[6]發(fā)現(xiàn),產(chǎn)油鐮刀霉(sp.WHJ13)的最適單一氮源為硝酸鉀。碳氮比過高不利于生物量的提高,碳氮比過低易使發(fā)酵時間延長[7]。金屬離子可影響產(chǎn)油微生物胞內(nèi)外滲透壓和酶活力,從而影響產(chǎn)油微生物的油脂合成能力[8]。薛漢明等[9]發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e3+對三角褐指藻(Bohlin)的去不飽和酶活性有促進(jìn)作用。有研究表明,低濃度的Mg2+對單針藻(sp. FXY-10)生物量和油脂濃度均有促進(jìn)作用[10]。轉(zhuǎn)速及裝液量決定培養(yǎng)基的溶氧條件,影響菌體生長和產(chǎn)油量。鐘琦等[11]發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速120 r/min和每瓶 (250 mL) 空氣量70 mL的條件可促進(jìn)油脂酵母(HL)的生物量增長,對油脂產(chǎn)量影響程度較小。目前,針對提高真菌產(chǎn)油的研究主要在培養(yǎng)基成分及發(fā)酵條件。本研究通過優(yōu)化培養(yǎng)基及溶氧條件,提高桔青霉Asc2-4的生物量和油脂濃度,為該菌規(guī)模化生產(chǎn)功能性油脂研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 菌株和培養(yǎng)基 菌株:桔青霉()Asc2-4分離自廣東省雷州市流沙蝦塘的海鞘(),保存于廣東省微生物菌種保藏中心,保藏號GDMCC 60059。

        種子培養(yǎng)基(g/L):馬鈴薯浸出粉8,葡萄糖20,海精鹽15,硫酸銨10。

        初始發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖120,馬鈴薯200(去皮,切碎,加蒸餾水煮沸15 min,濾渣),檸檬酸鈉0.1,磷酸氫二鉀0.2,磷酸二氫鉀2.0,酵母膏0.5,硫酸銨2,海精鹽15。發(fā)酵前后pH在5.7 ~ 5.8之間。

        1.1.2 主要儀器與設(shè)備 HZQ-F160振蕩培養(yǎng)箱,哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司;BMJ-25型霉菌培養(yǎng)箱,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;GC-2010PLUS氣相色譜儀,日本島津公司。

        1.2 方法

        1.2.1 種子培養(yǎng)與發(fā)酵 種子培養(yǎng):挑取一環(huán)孢子接種于裝有200 mL種子培養(yǎng)基的500 mL錐形瓶,在搖床中以28 ℃、180 r/min的條件培養(yǎng)2 d。

        搖床發(fā)酵培養(yǎng):將培養(yǎng)后的種子液按體積分?jǐn)?shù)5%接種于含200 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中,在搖床中以28 ℃、140 r/min條件發(fā)酵7 d。

        1.2.2 碳氮源單因素優(yōu)化 碳源優(yōu)化實(shí)驗(yàn):葡萄糖、麥芽糖、甘油、乳糖和蔗糖。碳源濃度優(yōu)化實(shí)驗(yàn):葡萄糖質(zhì)量濃度設(shè)為50、75、100、125、150 g/L。氮源優(yōu)化實(shí)驗(yàn):蛋白胨、硝酸鉀、硫酸銨、尿素和牛肉膏,按質(zhì)量比1∶1的比例添加酵母膏。碳氮源比優(yōu)化實(shí)驗(yàn):碳源(葡萄糖)濃度固定的前提下,添加不同濃度優(yōu)化后的氮源,使碳、氮源質(zhì)量比分別為40、60、80、100、120。

        1.2.3 無機(jī)鹽正交優(yōu)化 通過預(yù)實(shí)驗(yàn),從8種無機(jī)鹽KH2PO4、NaH2PO4、K2HPO4、MgSO4、CaCl2、FeCl3、ZnSO4和CoCl2中篩選3種明顯提高產(chǎn)油量的無機(jī)鹽KH2PO4、MgSO4和FeCl3,并以產(chǎn)油量為指標(biāo),設(shè)計3因素3水平(表1)正交試驗(yàn)L9(33)。

        表1 正交試驗(yàn)的因素水平

        1.2.4 溶氧條件組合優(yōu)化 將搖床轉(zhuǎn)速140、180、220、260 r/min分別與250 mL錐形瓶裝液量100、150、200 mL設(shè)置成12組不同溶氧條件,通過優(yōu)化,確定最佳的轉(zhuǎn)速及裝液量。

        1.2.5 評價指標(biāo) 1)生物量測定。生物量采用細(xì)胞干質(zhì)量法[12]測定,將菌絲置于109 ℃的烘箱中烘干,稱取質(zhì)量。

        生物量計算:干菌生物量(g/L)=(帶干菌體培養(yǎng)皿質(zhì)量? 培養(yǎng)皿質(zhì)量)/ 發(fā)酵培養(yǎng)皿體積

        2)油脂濃度。采用酸熱法[13]提取油脂:按每1.00 g的干菌體添加4.00 mol/L的鹽酸6.00 mL,置室溫下30 min,沸水浴加熱10 min,?20 ℃下速凍,反復(fù)2至3次,加入2倍體積的氯仿-甲醇(體積比2∶1),振蕩,以2 000 r/min離心15 min,揮發(fā)有機(jī)相即得油脂。

        油脂質(zhì)量濃度(g/L)= 總油脂質(zhì)量/ 發(fā)酵培養(yǎng)基體積。

        3)脂肪酸組分。樣品甲酯化[14],使用氣相色譜儀分析脂肪酸組分。

        氣相色譜條件:SP-2560氣相毛細(xì)管柱(100 m×0.25 mm×0.2μm);檢測器為氫火焰離子檢測器(FID);進(jìn)樣口溫度225℃;檢測器溫度250℃;分流比10∶1。程序升溫條件:柱溫100 ℃,維持13 min;以10 ℃/min升至180 ℃,維持6 min;再以1 ℃/min升至200 ℃,維持20 min;再以4 ℃/min升至235 ℃,維持20 min。

        1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用軟件SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析(ANOVA)和Duncan多重比較,判斷組間顯著性差異,= 0.05。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 碳氮源及碳氮源比單因素優(yōu)化

        2.1.1 碳源優(yōu)化 由圖1可知,桔青霉Asc2-4可利用此5種碳源合成油脂。蔗糖、麥芽糖和甘油的生物量相近,分別為5.65、5.00、5.78 g/L,油脂質(zhì)量濃度亦相近,分別為0.32、0.35、0.25 g/L,該菌對3種碳源的利用能力相近。桔青霉Asc2-4對乳糖的利用效率最低。葡萄糖作為碳源時生物量最高(< 0.05),達(dá)7.35 g/L,油脂質(zhì)量濃度為0.40 g/L。因此,葡萄糖可提高顯著該菌生物量(< 0.05),而5種碳源對油脂質(zhì)量濃度影響不顯著(> 0.05),確定葡萄糖為最適碳源。

        同一指標(biāo)凡含一個相同字母則差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)

        2.1.2 碳源濃度優(yōu)化 圖2表明,桔青霉Asc2-4生物量隨葡萄糖質(zhì)量濃度的增加呈先升后降變化趨勢,100、150 g/L時生物量最高(< 0.05);而油脂質(zhì)量濃度呈降低趨勢,150 g/L時最低(< 0.05)。在葡萄糖質(zhì)量濃度為150 g/L時,生物量和油脂濃度出現(xiàn)下降可能是因?yàn)槠咸烟菨舛冗^高,菌體生長與油脂積累出現(xiàn)抑制[15]。葡萄糖為100 g/L時的生物量和油脂質(zhì)量濃度平均值均最高(分別為8.33 g/L和0.56 g/L),為最適濃度。

        同一指標(biāo)凡含一個相同字母則差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)

        2.1.3 氮源優(yōu)化 圖3表明,對于無機(jī)氮源而言,硫酸銨比硝酸鉀更利于菌體生長和積累油脂,可知該菌對氨基氮源利用效率比硝基氮源高。對于有機(jī)氮源為蛋白胨時,桔青霉Asc2-4的生物量和油脂濃度均最高,平均值分別為8.78、2.71 g/L,蛋白胨相較于其他氮源對于提高油脂濃度效果最為顯著(< 0.05),因此,桔青霉Asc2-4的最適氮源為蛋白胨(圖3)。對比氮源硫酸銨和蛋白胨,該菌的生物量相近(> 0.05),而前者油脂濃度降低,平均值分別為0.46 g/L和0.75 g/L,可見,蛋白胨更利于該菌積累油脂,可能與蛋白胨所含刺激產(chǎn)油的必需營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)[16]。

        同一指標(biāo)凡含一個相同字母則差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)

        2.1.4 碳氮源比的優(yōu)化 圖4表明,碳氮源比在40 ~ 80的范圍內(nèi),生物量平均值呈下降趨勢,而油脂濃度平均值逐漸升高,可能是因?yàn)榈礈p少,菌體生長受抑制,菌體因氮源含量逐漸降低而進(jìn)入油脂積累階段,從而提高油脂積累量[17]。碳氮源比為100時,油脂濃度最高,平均值達(dá)到2.71 g/L,生物量平均值為11.59 g/L(圖4),表明該菌在高碳氮比的條件下更有利于油脂合成。碳氮源比為120時生物量及油脂濃度均顯著下降,可能是因?yàn)榈床蛔阆拗屏司z生長,從而油脂合成受到抑制[18]。

        同一指標(biāo)凡含一個相同字母則差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)

        2.2 無機(jī)鹽正交優(yōu)化

        正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果如表2所示。

        表2 無機(jī)鹽正交試驗(yàn)結(jié)果

        表2可見,KH2PO4、MgSO4和FeCl3三種無機(jī)鹽的數(shù)據(jù)均值最高水平分別為A2、B3、C1,所以無機(jī)鹽添加量的最佳濃度為A2B3C1,即KH2PO44.0 g/L、MgSO4150.0 mg/L、FeCl330.0 μg/L,且影響因素A>C>B,KH2PO4對菌株發(fā)酵產(chǎn)油脂的影響最大,MgSO4和FeCl3在影響油脂濃度方面存在較大的交互作用。經(jīng)無機(jī)鹽優(yōu)化后油脂濃度達(dá)到4.73 g/L,提高42%。

        2.3 溶氧條件組合優(yōu)化

        由圖5A可知,180 r/min的轉(zhuǎn)速條件最有利于菌體生長,在轉(zhuǎn)速180 r/min、250 mL錐形瓶裝液量(下稱“裝液量”)100 mL,轉(zhuǎn)速180 r/min、裝液量150 mL的條件下,該菌的生物量較高,平均值分別達(dá)到20.39、20.62 g/L。而在260 r/min的高轉(zhuǎn)速條件下,生物量在11.79 ~ 17.44 g/L之間,仍然較高,表明該菌具有較高的抗液態(tài)剪切力能力,該特性對工業(yè)產(chǎn)油具有重要意義[19]。如圖5B所示,該菌在轉(zhuǎn)速140 ~ 260 r/min的范圍內(nèi),油脂濃度呈現(xiàn)先升高后下降,220 r/min為適宜油脂積累的轉(zhuǎn)速條件。其中,轉(zhuǎn)速220 r/min、裝液量100 mL的溶氧條件下最利于產(chǎn)脂,油脂質(zhì)量濃度達(dá)到最高,為8.76 g/L。因此,確定轉(zhuǎn)速220 r/min及裝液量100 mL為最適產(chǎn)油的溶氧條件。

        裝液量指250 mL錐形瓶中的裝液量;同裝液量凡含一個相同字母則差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)

        2.4 優(yōu)化條件后桔青霉Asc2-4的油脂脂肪酸組分

        由表3可知,優(yōu)化條件后桔青霉Asc2-4油脂主要為C16和C18系脂肪酸,含量最高的四種脂肪酸依次為亞油酸(C18:2)、硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)、棕櫚酸(C16:0),其中功能價值較高的脂肪酸為油酸和亞油酸,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.05%和26.67%,該兩種脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)52.72%。桔青霉Asc2-4所產(chǎn)油脂脂肪酸組分與Kyle等[20]研究的油脂酵母()相似,但是桔青霉Asc2-4的亞油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約高23%。綜上可知,桔青霉Asc2-4可用于生產(chǎn)功能性油脂油酸和亞油酸。

        表3 優(yōu)化條件后桔青霉Asc2-4油脂的脂肪酸組成

        說明:1)在總脂肪酸中的比例。

        Note: 1) Percentage of fatty acid to total fatty acid.

        3 結(jié)論

        桔青霉Asc2-4最佳培養(yǎng)基配方為葡萄糖100 g/L、蛋白胨0.5 g/L、酵母膏0.5 g/L、KH2PO44 g/L、MgSO4150 mg/L、FeCl330.0 μg/L;最佳溶氧條件為轉(zhuǎn)速220 r/min、250 mL錐形瓶裝液量100 mL。優(yōu)化后生物量和油脂質(zhì)量濃度分別達(dá)19.90 g/L和8.76 g/L,分別比未優(yōu)化前約提高1.5倍和20倍。不飽和脂肪酸占總脂肪酸的53.37%,油酸和亞油酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.05%和26.67%。桔青霉Asc2-4有作為產(chǎn)功能性油脂的工業(yè)生產(chǎn)菌株潛力,有開發(fā)研究的價值。

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        LUO Zheng-dong1, GAO Ping2, LEI Xiao-ling1, LIU Huan-min1, ZHONG Min1

        (1.////,524088,; 2.N(),524088,)

        To improve the biomass and oil yield ofAsc2-4 fromby optimizing the culture medium and dissolved oxygen and to provide the basis for industrial production.The carbon and nitrogen sources and the ratio of C source to N source (C/N) in the medium were optimized by a single factor, the inorganic salts by orthogonal method, and the dissolved oxygen by combination method. The optimization results were evaluated by dry weight method, acid-hot oil extraction method and gas chromatography.The optimal medium consist of a carbon source that was glucose with the concentration of 100 g/L, a nitrogen source with peptone+yeast extract (1∶1), a C/N of 100, inorganic salt content of KH2PO44 g/L, MgSO4150 mg/L, FeCl32.0 μg/L. The optimal combination conditions of dissolved oxygen were determined that the rotation speed was 220 r/min, loading volume was 100 mL in 250 mL conical flask. Finally, biomass and oil mass concentration were increased to 19.90 g/L and 8.76 g/L respectively, which were 1.5 times and 20 times higher than unoptimized control. The content of unsaturated fatty acid in the fermented oil was 53.4%, among which oleic acid and linoleic acid was over 26%.The optimization of medium and dissolved oxygen can greatly improve oil-producing properties of the strain, which has the potential to be used as an industrial strain for producing oleic acid and linoleic acid.

        ;; oil-producing properties; medium optimization;dissolved oxygen optimization

        Q949.32

        A

        1673-9159(2020)06-0102-06

        10.3969/j.issn.1673-9159.2020.06.013

        羅正東,高平,雷曉凌,等. 海鞘桔青霉Asc2-4培養(yǎng)基和溶氧條件優(yōu)化對產(chǎn)油性能的影響[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報,2020,40(6):102-107.

        2019-11-14

        湛江市科技計劃項(xiàng)目(2016A02020)

        羅正東(1993—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楹Q笳婢Y源研究。E-mail: 794008688@qq.com

        雷曉凌(1963—),女,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楹Q笳婢盎钚晕镔|(zhì)研究。E-mail: 1252765610@qq.com

        (責(zé)任編輯:劉慶穎)

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