陳志超,李瀾瀟,徐慶陽(yáng)
(天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院,天津 300450)
L-苯丙氨酸(L-phenylalanine,L-phe)是人體8種必需氨基酸之一[1],在食品和制藥工業(yè)中有諸多應(yīng)用,是新型甜味劑阿斯巴甜的重要前體物質(zhì)[2],也是部分風(fēng)味物質(zhì)的鮮味物質(zhì)[3],還可合成調(diào)味劑苯乙醇[4],后者廣泛應(yīng)用于乳制品與調(diào)味品中,在醫(yī)藥方面主要作為抗癌藥物的載體[5-6]。常用的生產(chǎn)L-苯丙氨酸的方法為酶法與微生物發(fā)酵法[7],目前工業(yè)化生產(chǎn)L-phe主要采用具有原料廉價(jià)易得、環(huán)境污染小、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)的微生物發(fā)酵法[8-9]。
L-phe長(zhǎng)勢(shì)與產(chǎn)量聯(lián)系密切,是一種與菌體生長(zhǎng)部分耦聯(lián)的產(chǎn)物[10]。維生素H可在脂肪酸生物合成、氨基酸代謝和糖異生的羧化反應(yīng)中作為酶促輔因子,能夠激活相應(yīng)酶的羧基轉(zhuǎn)移亞基的CO2[11-13];維生素H用量一直是微生物發(fā)酵生產(chǎn)的重要參數(shù)[14-15]。在大腸桿菌中,過(guò)量維生素H會(huì)導(dǎo)致菌體代謝旺盛、生長(zhǎng)過(guò)快,出現(xiàn)糖酸轉(zhuǎn)化率大幅降低的問(wèn)題;過(guò)少或者不添加維生素H會(huì)導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)較慢、生物量較低、產(chǎn)酸效率偏低等問(wèn)題。氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)常采用分批補(bǔ)料發(fā)酵,發(fā)酵培養(yǎng)基一次性加入罐中,過(guò)程流加葡萄糖等作為碳源,該工藝勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致菌體在發(fā)酵前期處于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)飽和的狀態(tài)[16],造成菌體營(yíng)養(yǎng)中毒,也會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的浪費(fèi)和代謝流的改變[17]。
為解決上述問(wèn)題,本研究對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基中維生素H的濃度進(jìn)行了優(yōu)化,旨在葡萄糖亞適量控制工藝[18]前提下,采用全營(yíng)養(yǎng)流加工藝,即:將發(fā)酵培養(yǎng)基按一定比例分為底物培養(yǎng)基和流加培養(yǎng)基,底物培養(yǎng)基供菌體初期生長(zhǎng),流加培養(yǎng)基在發(fā)酵過(guò)程中按需流加,最終實(shí)現(xiàn)了生物量、L-phe產(chǎn)量、糖酸轉(zhuǎn)化率的同步提高,為大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)L-phe提供了新的思路。
L-phe大腸桿菌生產(chǎn)菌:由天津科技大學(xué)代謝工程實(shí)驗(yàn)室保存并提供。
種子培養(yǎng)基:葡萄糖30 g/L,酵母粉4 g/L,蛋白胨2 g/L,檸檬酸1.5 g/L,MgSO4·7H2O 1.5 g/L,KH2PO42.0 g/L,硫酸銨2.0 g/L,維生素B11 mg/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 10 mg/L,MnSO4·H2O 5 mg/L,維生素H 1 mg/L,酪氨酸1.5 g/L,卡那霉素20 g/L。
發(fā)酵培養(yǎng)基:葡萄糖20 g/L,MgSO4·7H2O 2 g/L,酵母粉4.5 g/L,蛋白胨1.5 g/L,硫酸銨2 g/L,檸檬酸1.5 g/L,K2HPO4·3H2O 6~10 g/L,酪氨酸1.2 g/L,谷氨酸1.2 g/L,維生素H 0~2 mg/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 20 mg/L,MnSO410 mg/L,維生素B1、B3、B5、B12各2 mg/L,微量元素混合液2 mL/L[19],卡那霉素10 mg/L。
葡萄糖:食品級(jí);磷酸二氫鉀、酪氨酸、檸檬酸、硫酸銨、維生素H、谷氨酸:均為分析純。
LDZH-100KBS型全自動(dòng)立式蒸汽滅菌器 天津博鑫生物科技有限公司;5 L自動(dòng)控制發(fā)酵罐 上海保興生物設(shè)備工程有限公司;SBA-40E生物傳感分析儀 山東省科學(xué)院生物研究所;Agilent 1200高效液相色譜儀 Agilent Technologies公司;KQ-C高壓蒸汽發(fā)生器 上海奉賢協(xié)新機(jī)電廠;723分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司;Olympus生物顯微鏡 日本Olympus株式會(huì)社;尾氣分析儀 美國(guó)諾瓦生物醫(yī)學(xué)公司;S-433D氨基酸分析儀 德國(guó)賽卡姆公司。
1.4.1 菌種活化
取甘油保菌管中菌株置于斜面培養(yǎng)基上,于37 ℃倒置恒溫培養(yǎng)12 h,傳代2次。
1.4.2 5 L罐種子培養(yǎng)
初始發(fā)酵液體積為3 L,發(fā)酵溫度為37 ℃,初始通氣量為1.6 L/min,初始攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min,后期調(diào)節(jié)通氣量與轉(zhuǎn)速維持DO(溶氧值)在50%左右,通過(guò)流加25%氨水調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH為6.8~7.0,OD600 nm>25時(shí)接種發(fā)酵。
1.4.3 5 L罐分批補(bǔ)料發(fā)酵培養(yǎng)
接種量為20%~30%,發(fā)酵溫度為37 ℃,初始通氣量為0.65 L/min,初始攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min,后期調(diào)節(jié)通氣量與轉(zhuǎn)速,維持DO在35%~50%,通過(guò)流加25%氨水控制發(fā)酵液pH為6.8~7.0,當(dāng)初始培養(yǎng)基中葡萄糖耗盡(發(fā)酵4~7 h) 時(shí),流加800 g/L的葡萄糖,控制糖濃度在0~0.5 g/L,并隨糖液流加菌株缺陷物質(zhì)酪氨酸,每升糖液混合1 g酪氨酸,酪氨酸利用NaOH溶液溶解后單獨(dú)滅菌,待糖液與酪氨酸溶氧均冷卻后混勻,發(fā)酵50 h。
1.4.4 5 L罐全營(yíng)養(yǎng)流加發(fā)酵培養(yǎng)
發(fā)酵控制工藝與1.4.3相同。將發(fā)酵培養(yǎng)基按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分成底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基,在發(fā)酵過(guò)程中按需補(bǔ)充菌體所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
1.5.1 pH、DO、溫度的測(cè)定[20]
pH、DO、溫度均采用梅特勒電極在線實(shí)時(shí)檢測(cè),并配合精密pH試紙(6.4~8.0)人工校正pH。
1.5.2 菌體生物量的測(cè)定[21]
每隔2 h取樣,適當(dāng)稀釋至吸光值可測(cè)濃度范圍(0.2~0.9),用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量樣品在600 nm處的吸光值。
1.5.3 L-phe及副產(chǎn)物的測(cè)定
發(fā)酵液中L-phe產(chǎn)量采用LC-20AT高效液相色譜儀測(cè)定,乙酸的檢測(cè)參考文獻(xiàn)[22],谷氨酸采用SBA生物傳感分析儀測(cè)定。
1.5.4 殘?zhí)堑臏y(cè)定及耗糖速率、轉(zhuǎn)化率的計(jì)算
發(fā)酵液殘?zhí)菨舛壤肧BA生物傳感分析儀測(cè)定。利用天平檢測(cè)耗糖量,并以下式計(jì)算耗糖速率。
式中:m為單位時(shí)間耗糖量,g;t為時(shí)間,h;v為發(fā)酵液體積,L。
糖酸轉(zhuǎn)化率的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[23]。
本部分實(shí)驗(yàn)采用分批補(bǔ)料發(fā)酵工藝,在發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上分別額外添加0,0.5,1.0,2.0 mg/L維生素H,并以添加0 mg/L維生素H的發(fā)酵組作為對(duì)照,探究維生素H對(duì)大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)L-phe的影響。
2.1.1 維生素H濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)與L-phe產(chǎn)量的影響
圖1 不同濃度維生素H對(duì)菌體生長(zhǎng)及L-phe產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different concentrations of vitamin H on the bacteria growth and L-phe yield
由圖1可知,維生素H濃度越高,菌體在發(fā)酵前期的生長(zhǎng)速率越快,最大生物量越大,達(dá)到菌體穩(wěn)定期的時(shí)間越短,菌體量穩(wěn)定期維持時(shí)間越短,發(fā)酵后期菌體衰亡速度越快,放罐時(shí)生物量越少;L-phe產(chǎn)量與菌體量變化趨勢(shì)略有不同,發(fā)酵25 h前,隨著維生素H濃度的增加,L-phe積累速度隨之加快,25 h后,各組L-phe積累速度均下降,0,0.5 mg/L維生素H添加組下降緩慢,L-phe持續(xù)積累,1,2 mg/L添加組下降趨勢(shì)明顯,L-phe積累近乎停滯。
圖2 不同濃度維生素H對(duì)應(yīng)的耗糖速率Fig.2 Sugar consumption rates of different concentrations of vitamin H
由圖2可知,各組發(fā)酵前期耗糖速度均提升迅速,添加維生素H濃度越高,對(duì)應(yīng)最大耗糖速率越大,穩(wěn)定期越短,后期下降速度越快,這與菌體量變化趨勢(shì)一致。最終各組(添加0,0.5,1,2 mg/L維生素H)分別積累了80.7,84.8,78.3,71.0 g/L的L-phe,其中以0.5 mg/L表現(xiàn)最優(yōu)。
2.1.2 維生素H濃度副產(chǎn)物及糖酸轉(zhuǎn)化率的影響
為了更直觀地分析維生素H濃度對(duì)產(chǎn)酸效率的影響,分別檢測(cè)了副產(chǎn)物谷氨酸、乙酸的產(chǎn)量,并計(jì)算了糖酸轉(zhuǎn)化率,見(jiàn)圖3。
圖3 不同濃度維生素H對(duì)副產(chǎn)物及糖酸轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effects of different concentrations of vitamin H on the by-products and sugar-acid conversion rate
由圖3可知,隨著維生素H添加量的提高,乙酸與谷氨酸均呈明顯上升趨勢(shì),1,2 mg/L維生素H添加組乙酸較對(duì)照組(1.23 g/L)分別提高了70%、135%,谷氨酸較對(duì)照組(2.20 g/L)分別提高了90%、140%,0.5 mg/L添加組乙酸與谷氨酸較對(duì)照組僅分別提升了8%、9%;糖酸轉(zhuǎn)化率隨著維生素H添加量的提高呈下降趨勢(shì),0.5,1,2 mg/L添加組較對(duì)照組(25.3%)分別降低了2.3%、15.1%、19.7%。
全營(yíng)養(yǎng)流加工藝是指將傳統(tǒng)分批補(bǔ)料發(fā)酵中一次性投入罐內(nèi)的發(fā)酵培養(yǎng)基分成底物培養(yǎng)基與添加培養(yǎng)基兩部分,底物培養(yǎng)基一次性投入罐內(nèi),為發(fā)酵初期提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),流加培養(yǎng)基在發(fā)酵過(guò)程中按需流加,為不同生長(zhǎng)階段的菌體提供最適的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度。本研究中,流加培養(yǎng)基體積為400 mL,底物培養(yǎng)基按需求配制。如:配制3 L用量培養(yǎng)基,底物培養(yǎng)基∶添加培養(yǎng)基為2∶8,則用500 mL自來(lái)水溶解相應(yīng)試劑,400 mL為流加培養(yǎng)基,100 mL為底物培養(yǎng)基。
2.2.1 底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基比例對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響
圖4 底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基比例對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響Fig.4 Effects of the ratios of substrate medium to fed-batch medium on the production of L-phe by fermentation
本部分研究以2.1中額外添加0.5 mg/L維生素H的發(fā)酵組為對(duì)照,并在培養(yǎng)基中添加0.5 mg/L維生素H。由圖4可知,A組菌體前期生長(zhǎng)受到明顯的抑制,最大菌體量遠(yuǎn)低于其他組,但其生長(zhǎng)周期為34 h,高于B、C、D組,前期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)饑餓狀態(tài)導(dǎo)致菌體在生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期無(wú)法最大程度地?cái)U(kuò)大菌體量,發(fā)酵后期產(chǎn)物與副產(chǎn)物的積累導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)停滯,此時(shí)流加培養(yǎng)基無(wú)法充分發(fā)揮作用,受菌體量影響產(chǎn)量亦低于其他組;D組流加策略并未起明顯作用,菌體生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)物生成曲線與對(duì)照組基本一致,50%的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)足夠支撐菌體前期的生長(zhǎng),隨著流加培養(yǎng)基添加量的增加,整個(gè)過(guò)程依舊處于營(yíng)養(yǎng)過(guò)飽和狀態(tài),并不能發(fā)揮出流加的優(yōu)勢(shì);C、D兩組恰好處于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)亞適量狀態(tài),即發(fā)酵各個(gè)時(shí)期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)恰好能夠支撐菌體生長(zhǎng),既能保持菌體活力,又能最大程度利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),最終L-phe產(chǎn)量分別為86.0,87.5 g/L,較對(duì)照組分別提高了1.4%、3.1%,最大菌體量分別為144.1,149.1,較對(duì)照組分別提高了0.7%、6.5%,達(dá)到菌體量穩(wěn)定期的時(shí)間均為32 h,較對(duì)照組延長(zhǎng)了6 h。
2.2.2 底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基比例對(duì)副產(chǎn)物及糖酸轉(zhuǎn)化率的影響
圖5 不同底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基比例對(duì)副產(chǎn)物及糖酸轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effects of different ratios of substrate medium to fed-batch medium on the by-products and sugar-acid conversion rate
由圖5可知,D組乙酸、谷氨酸產(chǎn)量(0.96,1.32 g/L)分別比對(duì)照組降低了28%、45%,糖酸轉(zhuǎn)化率(25.6%)比對(duì)照組提高了3.6%,因此即使同樣是發(fā)酵前期營(yíng)養(yǎng)過(guò)飽和,濃度越高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響越大;A組副產(chǎn)物均遠(yuǎn)低于對(duì)照組,糖酸轉(zhuǎn)化率(26.1%也得到了很大提升,但其產(chǎn)量并不出眾;B、C兩組乙酸產(chǎn)量分別為0.64,0.52 g/L,較對(duì)照組分別降低了52%、61%,谷氨酸產(chǎn)量分別為0.46,0.41 g/L,較對(duì)照組分別降低了80.1%、82.9%,糖酸轉(zhuǎn)化率分別為26.7%、27.1%,較對(duì)照組分別提高了7.4%、9.7%。
2.2.3 流加培養(yǎng)基流加時(shí)間與流加速度對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響
表1 流加培養(yǎng)基流加時(shí)間與流加速度對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響Table 1 Effects of feeding time and feeding speed of fed-batch medium on the production of L-phe by fermentation
以2.2.1中C組(對(duì)應(yīng)表1中恒速流加至菌體量穩(wěn)定期)為對(duì)照組,在前期優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化全營(yíng)養(yǎng)流加工藝。
表1中對(duì)照組恒速流加至菌體量穩(wěn)定期指將400 mL流加培養(yǎng)基在32 h內(nèi)恒速流加完畢,即12.5 mL/h,同理E組指8 mL/h。葡萄糖亞適量是指將罐內(nèi)殘?zhí)菨舛瓤刂圃?~0.3 g/L,在溶氧上表現(xiàn)為DO圍繞某一值上下波動(dòng),溶氧曲線波動(dòng)前行。F組隨菌體生長(zhǎng)速度對(duì)數(shù)提高流加速度是指在葡萄糖亞適量狀態(tài)下,使得DO始終保持穩(wěn)定的較低狀態(tài)。G組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)亞適量流加是指在葡萄糖亞適量狀態(tài)下,DO緩慢上升,提高補(bǔ)糖速率DO未見(jiàn)明顯下降,流加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)DO迅速下降,即認(rèn)為此時(shí)為營(yíng)養(yǎng)亞適量狀態(tài),應(yīng)提高流加培養(yǎng)基流加速度。
E組OD、產(chǎn)量較對(duì)照組分別下降了4.2%、3.6%,達(dá)到菌體量穩(wěn)定期的時(shí)間較對(duì)照組延長(zhǎng)了2 h,全程流加使得單位時(shí)間內(nèi)菌體獲得的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變少,生長(zhǎng)受限,后期流加液不僅不能為發(fā)酵提供營(yíng)養(yǎng),反而會(huì)占用發(fā)酵罐體積,迫使放出部分發(fā)酵液,浪費(fèi)了具有產(chǎn)酸能力的菌體;F組在30 h時(shí)達(dá)到了最大菌體量150.7,但發(fā)酵結(jié)束時(shí)菌體量?jī)H為117,雖然對(duì)L-phe產(chǎn)量的影響并不大,但副產(chǎn)物乙酸、谷氨酸較對(duì)照組分別提高了150%、159%,糖酸轉(zhuǎn)化率降低了4.79%,F(xiàn)組使得發(fā)酵各個(gè)階段的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)過(guò)于豐富,發(fā)酵中后期過(guò)高的菌體密度不利于溶氧水平和補(bǔ)糖速率的控制,乙酸的積累加快了菌體衰亡的速度,并不適合生長(zhǎng)耦聯(lián)型產(chǎn)物L(fēng)-phe的積累。
G組最終L-phe產(chǎn)量達(dá)到了90.7 g/L,較對(duì)照組提高了3.6%,達(dá)到菌體量穩(wěn)定期的時(shí)間為34 h,較對(duì)照組延長(zhǎng)了2 h,糖酸轉(zhuǎn)化率較對(duì)照組提高了2.2%,乙酸產(chǎn)量較對(duì)照組提高了35%,但乙酸濃度并未達(dá)到限制菌體正常生長(zhǎng)代謝的濃度[24]。
2.2.4 維生素H添加方式對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響
本部分研究以2.2.3中G組(對(duì)應(yīng)圖6和圖7中H組)為對(duì)照組,并在對(duì)照組的基礎(chǔ)上探究維生素H添加方式對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響。圖6和圖7中G組的添加方式為將所有維生素H全部加入底物培養(yǎng)基;H組的維生素H添加方式為隨底物培養(yǎng)基與流加培養(yǎng)基比例分配;I組的添加方式為將所有維生素H全部加入流加培養(yǎng)基。
圖6 維生素H添加方式對(duì)L-phe發(fā)酵生產(chǎn)的影響Fig.6 Effects of vitamin H addition methods on the production of L-phe by fermentation
圖7 維生素H添加方式對(duì)副產(chǎn)物及糖酸轉(zhuǎn)化率的影響Fig.7 Effects of vitamin H addition methods on the by-products and sugar-acid conversion rate
由圖6和圖7可知,G組菌體在28 h達(dá)到了最大菌體量(147.1),與不采取全營(yíng)養(yǎng)流加策略時(shí)相同,前期產(chǎn)酸能力高于H組、I組,但總體產(chǎn)量下降明顯,副產(chǎn)物谷氨酸產(chǎn)量達(dá)到了2.31 g/L,比對(duì)照組提高了477%,這說(shuō)明代謝流更多地流向TCA循環(huán),一方面降低了糖酸轉(zhuǎn)化率,另一方面加大了提取難度,影響了產(chǎn)品質(zhì)量;I組達(dá)到菌體量穩(wěn)定期的時(shí)間為36 h,較對(duì)照組延長(zhǎng)了2 h,L-phe產(chǎn)酸量達(dá)到了92 g/L,較對(duì)照組提高了1.4%,最大菌體量、發(fā)酵結(jié)束時(shí)菌體量、副產(chǎn)物、糖酸轉(zhuǎn)化率與對(duì)照組均無(wú)明顯差異。
在大腸桿菌發(fā)酵法生產(chǎn)L-phe工藝中,提高轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)強(qiáng)度,抑制副產(chǎn)物生成,是目前亟待解決的問(wèn)題。本研究對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基中維生素H濃度進(jìn)行了優(yōu)化,確定了維生素H的最適濃度為0.5 g/L,在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化,確定了底物培養(yǎng)基∶流加培養(yǎng)基為4∶6,流加培養(yǎng)基流加速度隨罐內(nèi)溶氧值變化變速流加至菌體量穩(wěn)定期,維生素H全部加入流加培養(yǎng)基的全營(yíng)養(yǎng)流加工藝,最終實(shí)現(xiàn)了L-phe產(chǎn)量與糖酸轉(zhuǎn)化率的同步提高,且大幅降低了副產(chǎn)物谷氨酸、乙酸的積累。最終L-phe產(chǎn)量達(dá)到了92 g/L,較優(yōu)化前提升了14.0%,糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到了27.7%,較優(yōu)化前提升了9.5%,乙酸產(chǎn)量為0.54 g/L,較優(yōu)化前降低了56.1%,谷氨酸產(chǎn)量為0.4 g/L,較優(yōu)化前降低了81%。底物培養(yǎng)基和流加培養(yǎng)基的比例決定了發(fā)酵前期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度,進(jìn)一步?jīng)Q定了發(fā)酵前期菌體生長(zhǎng)趨勢(shì);流加速度及流加方式?jīng)Q定了發(fā)酵過(guò)程中菌體的生長(zhǎng)速度與生長(zhǎng)周期,進(jìn)一步?jīng)Q定了最終產(chǎn)量與糖酸轉(zhuǎn)化率,是全營(yíng)養(yǎng)流加工藝的核心。很顯然,全營(yíng)養(yǎng)流加工藝解決了添加維生素H帶來(lái)的糖酸轉(zhuǎn)化率降低的問(wèn)題,同時(shí)大幅降低了副產(chǎn)物的積累,提高了產(chǎn)品的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。