李萬(wàn)軍,趙春光,方海田
(1.寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 食品與葡萄酒學(xué)院,寧夏 銀川 750021;3.寧夏伊品生物科技股份有限公司,寧夏 銀川 750100)
L-賴(lài)氨酸是人類(lèi)和動(dòng)物所必需八大氨基酸之一[1]。在醫(yī)療方面應(yīng)用非常廣泛,比如防治骨質(zhì)疏松癥,提高機(jī)體的免疫功能和對(duì)傳染病的抗病能力[2],又如賴(lài)谷復(fù)合鹽用于治療慢性腦組織缺血、顱腦外傷病及缺氧性疾病的腦保護(hù)[3],還可以用于治療單純皰疹病毒和帶狀皰疹引起的唇皰疹[4]等。近年來(lái),90%以上的L-賴(lài)氨酸產(chǎn)品用于飼料添加劑[5],各大生產(chǎn)企業(yè)相繼擴(kuò)能投產(chǎn),行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)慘烈。如何提高賴(lài)氨酸發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率、降低設(shè)備腐蝕,是降低生產(chǎn)成本提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵點(diǎn)。甜菜堿作為發(fā)酵促進(jìn)劑在氨基酸發(fā)酵中應(yīng)用的研究很多,總結(jié)其主要功能包括兩點(diǎn):1)維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓。當(dāng)外界滲透壓發(fā)生劇烈變化時(shí),細(xì)胞吸收或合成的甜菜堿通過(guò)穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、提高鉀鈉泵功能和阻止胞內(nèi)水分丟失等方式增加細(xì)胞對(duì)滲透壓的抗性。黃登高等[6]在研究乳酸發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn),甜菜堿能夠提高高糖濃度下乳酸菌的細(xì)胞生長(zhǎng)速率和乳酸脫氫酶的活力,進(jìn)而提高乳酸產(chǎn)量。2)參與甲基化反應(yīng)。常立群等[7]發(fā)現(xiàn)在谷氨酸發(fā)酵中添加適量甜菜堿可提高谷氨酸產(chǎn)酸。劉麗君[8]在L-異亮氨酸產(chǎn)生菌的選育及發(fā)酵條件研究中介紹到,通過(guò)添加甜菜堿2.5 g/L使得蘇氨酸發(fā)酵周期縮短12 h,L-異亮氨酸產(chǎn)量提高66.3%。趙琳琳[9]在脫氮假單胞菌產(chǎn)VB12發(fā)酵過(guò)程中甜菜堿作用機(jī)理及其補(bǔ)料策略的研究中介紹了甜菜堿在發(fā)酵過(guò)程中作用機(jī)理,甲基參與合成甲硫氨酸、VB12和丙氨酸等多種物質(zhì),并指出甜菜堿分子中含有3個(gè)甲基,是高效的甲基供體,還得出甜菜堿質(zhì)量濃度在2~3 g/L時(shí)菌濃增加了10.5%,VB12產(chǎn)量增加了23.8%的結(jié)論。
磷酸甜菜堿是甜菜堿的磷酸鹽,在賴(lài)氨酸發(fā)酵中應(yīng)用研究較少。目前,大多數(shù)企業(yè)在賴(lài)氨酸發(fā)酵配方中添加一定量的氯化膽堿起到調(diào)節(jié)滲透壓、提供甲基化反應(yīng)的甲基的作用,但氯化膽堿中氯離子對(duì)設(shè)備腐蝕性嚴(yán)重。“中國(guó)飼料行業(yè)信息網(wǎng)”報(bào)道,市場(chǎng)上質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的氯化膽堿價(jià)格逐年上漲,2016年均價(jià)5 400元/噸,2017年漲至6 319.5元/噸,2018年漲至15 000元/噸,已經(jīng)造成賴(lài)氨酸發(fā)酵成本上升10元/噸理論酸,而磷酸甜菜堿市場(chǎng)價(jià)格2016年為9 600元/噸、2017年8 952元/噸、2018年13 500元/噸。相比之下磷酸甜菜堿價(jià)格上漲幅度較小。因此,筆者繼續(xù)實(shí)驗(yàn)了磷酸甜菜堿替代氯化膽堿在賴(lài)氨酸發(fā)酵中的應(yīng)用,可為提高賴(lài)氨酸發(fā)酵指標(biāo)、降低生產(chǎn)成本提供方向。
1.1.1 菌 種
伊品生物科技股份有限公司菌種中心提供賴(lài)氨酸生產(chǎn)用菌。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)配方
三級(jí)種子基礎(chǔ)配方:MnSO4質(zhì)量2 kg,FeSO4質(zhì)量2 kg,KH2PO4質(zhì)量60 kg,K2HPO4質(zhì)量60 kg,(NH4)2SO4質(zhì)量250 kg,MgSO4質(zhì)量30 kg,玉米漿體積2.0 m3,消泡油質(zhì)量6 kg,銅鋅質(zhì)量適量,定容體積35 m3。
發(fā)酵底料基礎(chǔ)配方:MnSO4質(zhì)量25 kg,FeSO4質(zhì)量25 kg,KH2PO4質(zhì)量160 kg,K2HPO4質(zhì)量160 kg,H3PO4質(zhì)量100 kg,(NH4)2SO4質(zhì)量800 kg,MgSO4質(zhì)量250 kg,玉米漿體積5.0 m3,消泡油質(zhì)量200 kg,銅鋅質(zhì)量適量,定容體積240 m3。
總氮基礎(chǔ)配方:MnSO4質(zhì)量20 kg,FeSO4質(zhì)量20 kg,KH2PO4質(zhì)量250 kg,K2HPO4質(zhì)量250 kg,MgSO4質(zhì)量500 kg,消泡油質(zhì)量100 kg,定容體積30 m3。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
體積為2 500 L的二級(jí)種子培養(yǎng)罐,5 000 L的三級(jí)種子培養(yǎng)罐,47 000 L的發(fā)酵罐,20 000 L配料罐,三級(jí)種子連消系統(tǒng),底料連消系統(tǒng),濃糖連消系統(tǒng),硫銨連消系統(tǒng),濃糖流加罐,硫銨流加罐,720型紫外分光光度計(jì),100 mL容量瓶,0~1 000 mL移液槍,1 mL移液管,吸耳球,洗瓶等。
在現(xiàn)有三級(jí)種子基礎(chǔ)配方上分別用質(zhì)量濃度0.3,0.5,0.7,0.9 g/L的磷酸甜菜堿替代氯化膽堿,定容30 m3,接種量體積為1 500 L,OD為0.5的二級(jí)種子液,培養(yǎng)溫度30 ℃,PH實(shí)測(cè)6.95,溶氧控制>30%,初糖流加量均不變,在成熟凈OD均為0.45的情況下對(duì)比成熟周期,確定成熟周期最短時(shí)磷酸甜菜堿的用量即為最佳用量。
在現(xiàn)有總氮配方基礎(chǔ)上添加磷酸甜菜堿,設(shè)計(jì)起始流加時(shí)間、總氮中磷酸甜菜堿添加濃度、糖氮比(濃糖與總氮的流加體積比)的三因素多水平正交實(shí)驗(yàn),對(duì)比轉(zhuǎn)化率得出最佳添加質(zhì)量濃度、流加起始時(shí)間和糖氮體積比。
1.3.1OD值檢測(cè)方法
取1 mL發(fā)酵液,用100 mL容量瓶稀釋100倍,使用720型分光光度計(jì)在600 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)OD值。
1.3.2 發(fā)酵液中賴(lài)氨酸質(zhì)量濃度的測(cè)定
賴(lài)氨酸質(zhì)量濃度采用茚三酮顯色法測(cè)定。
步驟1用賴(lài)氨酸標(biāo)樣配置質(zhì)量濃度為10 g/L賴(lài)氨酸鹽酸鹽標(biāo)液,分別取2,3,4,5,6 mL賴(lài)氨酸鹽酸鹽標(biāo)液至100 mL容量瓶中,用去離子水定容至100 mL,得到質(zhì)量濃度分別為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 g/L的賴(lài)氨酸鹽酸鹽標(biāo)樣。
步驟2發(fā)酵液稀釋150~500倍數(shù),用離心機(jī)3 500 r/min離心10 min,得到樣品上清液。
步驟3用1支10 mL試管,取pH 1.3的茚三酮溶液1 mL,加入樣品離心上清液1 mL,再用5支10 mL試管,各取PH 1.3的茚三酮溶液1 mL,分別加入質(zhì)量濃度為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 g/L的賴(lài)氨酸鹽酸鹽標(biāo)樣1 mL,搖勻后在沸水浴中加熱10 min,取出冷卻至室溫,在以上6支試管中繼續(xù)各加8 mL去離子水,搖勻后用720型分光光度計(jì)在475 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)吸光值。
步驟4在Excel中以賴(lài)氨酸鹽酸鹽標(biāo)樣質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo),吸光值為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出標(biāo)準(zhǔn)曲線公式,再將樣品吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線公式中計(jì)算出發(fā)酵液中賴(lài)氨酸質(zhì)量濃度。賴(lài)氨酸發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式為
糖酸轉(zhuǎn)化率=(產(chǎn)量/加糖量)×100%
1)采用SAS隨機(jī)區(qū)組分析法分析磷酸甜菜堿對(duì)三級(jí)種子活力影響。
2)采用SPSS軟件設(shè)計(jì)影響磷酸甜菜堿流加因素的正交實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做方差分析,確定最佳流加條件。
統(tǒng)計(jì)方法分析結(jié)果中的F表示自變量對(duì)因變量的影響大小;p表示自變量對(duì)因變量影響大小的顯著度,當(dāng)p>0.05時(shí)表示影響不顯著或無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,當(dāng)0.01
通過(guò)在賴(lài)氨酸三級(jí)種子配方中添加不同質(zhì)量濃度的磷酸甜菜堿,培養(yǎng)周期均為12 h,培養(yǎng)過(guò)程中每2 h檢測(cè)1次OD值,記錄得到表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制圖1曲線。成熟周期指種子OD值達(dá)到成熟OD值時(shí)的種子培養(yǎng)周期,可通過(guò)繪制種子OD生長(zhǎng)曲線看出,曲線斜率最大(即菌體分裂速率最快)的周期確定為成熟OD值。
表1 磷酸甜菜堿三級(jí)成熟周期影響結(jié)果
圖1 三級(jí)種子OD生長(zhǎng)曲線圖
通過(guò)SAS軟件對(duì)表1中2~5批次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作隨機(jī)區(qū)組方差分析,結(jié)果如下:
1)本例模型(ODij=U+Xi+Yj,X為添加量,Y為培養(yǎng)周期)的F=329.7,p=0.000 1<0.05,說(shuō)明模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2)磷酸甜菜堿添加量的F=10.62,p=0.000 1<0.05,說(shuō)明各區(qū)組均數(shù)之間有顯著差異,即不同磷酸甜菜堿添加量對(duì)三級(jí)種子OD值影響顯著。
3)不同培養(yǎng)周期的F=584.97,p=0.000 1<0.05,說(shuō)明各處理組均數(shù)之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,即三級(jí)種子隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)OD不斷增高。
從表1中可以看出:磷酸甜菜堿添加量0.3 g/L和0.5 g/L時(shí)對(duì)三級(jí)種子OD值影響最顯著,當(dāng)磷酸甜菜堿添加量提高至0.7 g/L和0.9 g/L時(shí)對(duì)三級(jí)種子OD值影響顯著性降低。
綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論:三級(jí)種子配方中添加量0.5 g/L磷酸甜菜堿可替代0.5 g/L的氯化膽堿,而且磷酸甜菜堿能顯著提高種子活力,縮短成熟周期1.5 h。
通過(guò)配對(duì)T檢驗(yàn)考查添加量0.3 g/L磷酸甜菜堿與添加量0.5 g/L氯化膽堿對(duì)三級(jí)種子OD值是否有顯著差異,分析結(jié)果如表2所示,其中p=0.692>0.05表示2組數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異,即可用磷酸甜菜堿替代原配方中的氯化膽堿。
表2 配對(duì)T檢驗(yàn)試驗(yàn)1,2批次之間的OD差異
發(fā)酵罐配方中添加磷酸甜菜堿,質(zhì)量濃度分別為0,0.3,0.5,0.7,0.9 g/L,每個(gè)質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)3批次,每2 h檢測(cè)1次OD值,并繪制各質(zhì)量濃度條件下發(fā)酵罐OD曲線如圖2所示,同時(shí)得出發(fā)酵罐配方中添加不同質(zhì)量濃度磷酸甜菜堿對(duì)發(fā)酵指標(biāo)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)SPSS軟件分析表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)在賴(lài)氨酸發(fā)酵底料中添加一定量的磷酸甜菜堿,發(fā)酵OD峰值、放罐產(chǎn)酸和轉(zhuǎn)化率(p=0<0.01)均顯著提高,其中OD峰值、放罐酸與磷酸甜菜堿添加量成正相關(guān),而且當(dāng)添加量由0.5 g/L提高到0.9 g/L時(shí),發(fā)酵罐穩(wěn)定期顯著延長(zhǎng)(圖2)。隨著發(fā)酵OD值增高,發(fā)酵轉(zhuǎn)化率表現(xiàn)略微下降趨勢(shì)。總體看賴(lài)氨酸發(fā)酵底料中添加磷酸甜菜堿的質(zhì)量濃度為0.5 g/L時(shí)轉(zhuǎn)化率最高71.18%,發(fā)酵液中L-賴(lài)氨酸質(zhì)量濃度263 g/L。
圖2 磷酸甜菜堿對(duì)發(fā)酵OD曲線影響圖
表3 磷酸甜菜堿對(duì)發(fā)酵指標(biāo)的影響
表4 方差分析結(jié)果
以發(fā)酵運(yùn)行中總氮起始添加時(shí)間(A)、磷酸甜菜堿在總氮中添加質(zhì)量濃度(B)、糖與氮的體積比(C)為3個(gè)考查因素,以賴(lài)氨酸轉(zhuǎn)化率為因變量,采用SPSS軟件設(shè)計(jì)三因素五水平正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示,SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表5進(jìn)行分析,其結(jié)果如表6所示。
表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表6 主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)
從表6中可以看出:該模型p=0.001<0.01,說(shuō)明模型極顯著,R2=0.886,R2越接近1,說(shuō)明模型擬合度良好,方程的顯著性及可靠性極高。Ⅲ平方和比較B>A>C,說(shuō)明3個(gè)因素對(duì)轉(zhuǎn)化率影響大小依次為B,A,C。總氮中磷酸甜菜堿添加質(zhì)量濃度(B)對(duì)賴(lài)氨酸糖酸轉(zhuǎn)化率影響極其顯著(F=12.934,p=0<0.01);起始流加時(shí)間(A)對(duì)賴(lài)氨酸糖酸轉(zhuǎn)化率影響極其顯著(F=7.94,p=0.002<0.01);糖氮體積比(C)對(duì)賴(lài)氨酸糖酸轉(zhuǎn)化率影響最小,不顯著(F=2.445,p=0.103>0.05)。
采用SPSS軟件對(duì)表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析,得出主因素A,B對(duì)賴(lài)氨酸轉(zhuǎn)化率影響的95%置信區(qū)間,其結(jié)果如表7,8所示。
表7 B因素對(duì)賴(lài)氨酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化率的影響
由表7得出:總氮中磷酸甜菜堿添加質(zhì)量濃度(B)為8 g/L時(shí)糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高水平,置信區(qū)間最高(71.253%~71.319%),為最佳添加質(zhì)量濃度;質(zhì)量濃度低于4 g/L或高于12 g/L時(shí)糖酸轉(zhuǎn)化水平明顯下降。由表8得出:總氮起始流加時(shí)間(A)為5~7 h時(shí),賴(lài)氨酸的糖酸轉(zhuǎn)化水平達(dá)到最高,置信區(qū)間最高(71.239%~71.305%),當(dāng)9 h開(kāi)始流加后,糖酸轉(zhuǎn)化率下降明顯。
表8 A因素對(duì)賴(lài)氨酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化率的影響
三級(jí)種子活力、發(fā)酵罐OD峰值都影響著發(fā)酵罐指標(biāo),通過(guò)以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析:當(dāng)三級(jí)種子成熟周期大于9 h時(shí),發(fā)酵罐OD峰值提前、耗糖速率下降,單產(chǎn)及轉(zhuǎn)化率等生產(chǎn)指標(biāo)下降明顯,對(duì)生產(chǎn)極為不利。分析原因在于三級(jí)種子培養(yǎng)后期菌體密度增大,而通風(fēng)、攪拌功率和罐壓都提高到了極限,造成種子長(zhǎng)期缺氧,在逆生長(zhǎng)環(huán)境下用于生產(chǎn)的基因工程菌為了適應(yīng)生存,菌體內(nèi)過(guò)表達(dá)的產(chǎn)酸促進(jìn)基因片段會(huì)大量丟失,造成菌體增殖活性增加而產(chǎn)酸能力下降,最終導(dǎo)致發(fā)酵指標(biāo)顯著下降。添加一定量磷酸甜菜堿起到了以下3個(gè)重要作用:
1)維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓。當(dāng)外界滲透壓發(fā)生劇烈變化時(shí),細(xì)胞吸收或合成的甜菜堿通過(guò)穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、提高鉀鈉泵功能、阻止胞內(nèi)水分丟失等方式增加細(xì)胞對(duì)滲透壓的抗性[10]。
2)參與甲基化反應(yīng)。甲基參與DNA甲基化反應(yīng)[11],生產(chǎn)菌的遺傳物質(zhì)DNA經(jīng)過(guò)甲基化修飾,其遺傳及表達(dá)穩(wěn)定性提高,有利于賴(lài)氨酸發(fā)酵過(guò)程中菌體產(chǎn)酸能力的保持。而甜菜堿分子中含有3個(gè)甲基,DNA甲基化修飾提供了甲基供體。在甲基化反應(yīng)中,甜菜堿-高半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶能夠催化甜菜堿向高半胱氨酸轉(zhuǎn)移一個(gè)甲基,分別生成二甲基甘氨酸和甲硫氨酸,后者為VB12的合成提供甲基[12]。而甲硫氨酸、VB12都有利于賴(lài)氨酸生產(chǎn)菌生長(zhǎng)繁殖。
3)磷酸甜菜堿中的磷酸根離子提高培養(yǎng)基中的溶磷,溶磷是限制菌體生長(zhǎng)的主要因素,它參與菌體細(xì)胞壁、細(xì)胞膜構(gòu)成,同時(shí)磷參與葡萄糖磷酸化分解以及ATP,AMP和AGP等能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此磷酸甜菜堿替代氯化膽堿后,三級(jí)種子成熟周期、發(fā)酵罐OD峰值周期都明顯縮短。
三級(jí)種子及發(fā)酵罐底料中添加磷酸甜菜堿后將三級(jí)種子成熟周期縮短1.5 h,發(fā)酵罐OD由對(duì)照組均值0.727提高到0.875,發(fā)酵產(chǎn)酸較對(duì)照組提高10 g/L,轉(zhuǎn)化率也有一定提升但不顯著。原因分析有兩點(diǎn):
1)在于賴(lài)氨酸發(fā)酵過(guò)程有中間放料,隨著中間放料菌體及底料營(yíng)養(yǎng)大量流失,造成OD峰值回降迅速,最終影響產(chǎn)酸及轉(zhuǎn)化率。工業(yè)化生產(chǎn)上通過(guò)在賴(lài)氨酸發(fā)酵過(guò)程中流加總氮的方式補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng),維持菌體中后期活性[13]。
2)菌體內(nèi)合成的賴(lài)氨酸需要通過(guò)細(xì)胞膜賴(lài)氨酸外排泵排出胞外[14],在發(fā)酵中后期發(fā)酵液中賴(lài)氨酸質(zhì)量濃度高與胞內(nèi)質(zhì)量濃度,造成細(xì)胞滲透壓增高。通過(guò)總氮添加一定量的磷酸甜菜堿,當(dāng)發(fā)酵中后期外界滲透壓發(fā)生劇烈變化時(shí),細(xì)胞吸收的甜菜堿發(fā)揮其維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的特性,能夠通過(guò)穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、提高鉀鈉泵功能、阻止胞內(nèi)水分丟失等方式增加細(xì)胞對(duì)滲透壓的抗性[15]。從而降低了發(fā)酵中后期破胞、提高了賴(lài)氨酸發(fā)酵轉(zhuǎn)換率。
現(xiàn)常用的發(fā)酵促進(jìn)劑有氯化膽堿、甜菜堿鹽酸鹽和蛋氨酸等,其中前兩者含有大量氯離子不能被菌體利用,導(dǎo)致大量氯離子殘存于發(fā)酵液中,對(duì)發(fā)酵罐及后提取設(shè)備造成很大腐蝕,嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命,而且經(jīng)常引起設(shè)備微漏造成發(fā)酵罐染菌。磷酸甜菜堿作為新型發(fā)酵促進(jìn)劑,其中的磷酸根離子可以直接被菌體利用,甜菜堿可以參加甲基化代謝和調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓,減少細(xì)胞破碎。研究表明:磷酸甜菜堿替代等量氯化膽堿,可顯著提高三級(jí)種子生長(zhǎng)速率、縮短成熟周期。賴(lài)氨酸發(fā)酵OD值、放罐酸與底料中磷酸甜菜堿添加量成正相關(guān),發(fā)酵配方中磷酸甜菜堿添加量為添加0.5 g/L時(shí)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)酸達(dá)到最優(yōu)。總氮中磷酸甜菜堿最佳使用條件為:質(zhì)量濃度為8 g/L、添加時(shí)間為發(fā)酵罐運(yùn)行5~7 h、糖氮體積比控制在20~28。研究結(jié)果對(duì)降低賴(lài)氨酸生產(chǎn)成本、降低氯離子對(duì)設(shè)備腐蝕有指導(dǎo)意義。