基于響應面法優(yōu)化HY15發(fā)酵生產(chǎn)β－環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶的發(fā)酵條件1)

曹冬梅 胡耀輝

(吉林農(nóng)業(yè)大學，長春，130118)

環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶(簡稱為CGTase，E.C.2.4.1.19)是一種具有幾種催化功能的多糖類合成酶［1］，能作用于淀粉和其它 α－1，4－葡聚糖合成非還原性的麥芽低聚糖即環(huán)糊精(CD)，因連接葡萄糖基數(shù)(分別為6、7、8 個)不同而分別稱為 α－、β－和 γ－CD［2］。環(huán)糊精具有內(nèi)疏水外親水的筒型結構，因此，它們能與許多疏水化合物或功能基團形成包合物［3］，從而改變這些被包結物質(zhì)的溶解度、揮發(fā)性及化學反應性能等理化性質(zhì)，因而在食品、化妝品、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、輕工、化工、石油、冶金、環(huán)保以及分析化驗等諸多領域有著廣泛的應用［4－5］。這使得CGTase的生產(chǎn)研究具有重大意義。目前，國內(nèi)外對CGTase和CD的需求量逐年增加，但是因為菌種產(chǎn)酶量不高，生產(chǎn)成本過高，限制了它們的擴大生產(chǎn)和應用［6－7］。本研究從長白山溫泉泥土中分離篩選到1株以產(chǎn)β－CD為主的高溫菌株HY15。通過Plackett－Burman 和響應面設計方法［8－9］，對產(chǎn) β－CGTase的高溫菌株HY15培養(yǎng)基成分進行優(yōu)化，研究其發(fā)酵產(chǎn)酶的最佳工藝條件，為發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)β－環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

發(fā)酵菌株:高溫菌株HY15，由吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院實驗室在長白山溫泉泥土中篩選保存。

種子培養(yǎng)基:蛋白胨10 g/L，酵母粉5 g/L，鹽溶液10 g/L，pH 值7.0。

基礎培養(yǎng)基:糊精 10.0 g/L，糖蜜 10.0 g/L，玉米漿 20.0 g/L，酵母浸出粉 10.0 g/L，K2HPO41.0 g/L，MgSO40.2 g/L，Na2CO30.2 g/L，微量元素 0.5 g/L，NaCl 5 g/L，pH 值 7.0。

化學試劑均采用國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

DELTA 320型pH計，梅特勒—托利多有限公司;TGL－16G臺式離心機，上海菲恰爾分析儀器有限公司;DL－CJ－IND超凈工作臺，北京市東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋，北京意成東方科技有限公司;UV－1700 PharmaSpec型紫外可見分光光度計，日本島津;DSH2－300恒溫培養(yǎng)振蕩箱，江蘇太倉市實驗設備廠。

1.3 研究方法

1.3.1 培養(yǎng)方法

搖瓶發(fā)酵:在250 mL錐形瓶中加入液體培養(yǎng)基50 mL，將預先培養(yǎng)的種子培養(yǎng)液按3%加入該培養(yǎng)基中，60℃、以200 r/min搖瓶培養(yǎng)48 h。發(fā)酵完畢，10 000 r/min離心3 min，上清液即為酶液。

1.3.2 酶活力的測定

取酶液10 μL用蒸餾水90 μL將之稀釋10倍，取稀釋液10 μL(對照不加樣品)加入0.2 mol/L甘氨酸－NaOH－NaCl緩沖液(pH 值 8.55)0.2 mL，放入40℃水浴中加入0.2%馬鈴薯淀粉溶液(空白不加馬鈴薯淀粉溶液)0.2 mL后準確計時，反應10 min后放于冰水浴中，加入0.5 mol/L醋酸0.5 mL終止反應，然后加入0.005%碘液3 mL顯色，同時以蒸餾水為空白，不加酶液為對照，在700 nm波長下測定吸光度(OD)，以光密度下降10%的酶量定為1個單位［10］。按以下公式計算:

式中:a為對照組的吸光度;b為樣品的吸光度。

1.3.3 試驗設計

Plackett－Burman試驗設計:選用N=12的 PB設計表，對影響高溫菌株HY15發(fā)酵生產(chǎn)β－CGTase的10個因素進行考察，其中低水平“－1”值采用培養(yǎng)基成分的原始濃度，高水平“+1”值采用低水平的倍數(shù)［11］，Plackett－Burman 試驗因素水平及編碼見表1。

表1 Plackett－Burman試驗因素水平及編碼

Box－Behnken和響應面分析試驗設計:根據(jù)PB試驗確定的因素和最陡爬坡試驗得到的中心點，按照Box－Behnke設計原理［12］安排響應面分析試驗獲得重要因素的最佳配方水平。根據(jù)中心組合設計結果，來擬合數(shù)據(jù)，得到描述響應值和自變量之間關系的二階模型，即:

式中:Y為響應值;b為回歸系數(shù);x為自變量值。

2 結果與分析

2.1 Plackett－Burman 試驗結果

以β－CGTase活性為考察指標，15次試驗的結果依次為:1 086.76、1 077.63、1 066.21、1 127.85、1 132.42、1121.00、1125.57、1118.95、1114.16、1 111.87、1073.06、1086.76、1125.57、1120.46、1 118.72 U·mL－1。由表 2 可見，玉米漿、K2HPO4對 β－CGTase產(chǎn)率的影響極顯著(P＜0.01)，玉米淀粉、糖蜜、pH、MgSO4、酵母浸粉對 β－CGTase 產(chǎn)率影響顯著(P＜0.05)，其他因素 NaCl、微量元素、Na2CO3對β－CGTase產(chǎn)率影響不顯著，建立的一階模型為:

式中:X1～X10分別為糊精、糖蜜、玉米漿、酵母浸粉、K2HPO4、MgSO4、Na2CO3、金屬溶液、NaCl、pH。P=0.013 8＜0.05，說明此模型顯著，其中 98.36%的數(shù)據(jù)可以用此模型解釋(R2=0.983 6)。

表2 Plackett－Burman試驗方差分析結果

2.2 Box－Behnken試驗及響應面分析結果

以Plackett－Burman試驗結果得出的關鍵因素:糖蜜+玉米淀粉(x1)，K2HPO4(x2)，MgSO4(x3)，玉米漿+酵母(x4)，pH值(x5)5個因素作為中心組合試驗因素，結合單因素試驗結果，進一步進行5因素5水平的響應面分析試驗。中心組合試驗因素水平編碼見表3，以β－CGTase活性為考察指標，32次中心組合試驗的結果依次為:1 239.33、1 190.00、1 220.67、1177.00、1343.33、1288.33、1320.67、1 298.00、1 267.00、1 171.67、1 259.00、1 191.33、1 240.33、1 210.67、1 238.33、1 178.33、1 349.00、1 287.33、1238.67、1342.00、1219.67、1203.00、1 306.33、1 194.33、1 266.67、1 304.67、1 402.67、1 390.33、1 403.33、1 399.67、1 395.33、1 396.33 U/mL。通過32組試驗，尋找出5因素的最優(yōu)發(fā)酵工藝參數(shù)，經(jīng)過SAS 8.2軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到二次響應面回歸方程為:

式中:Y為 β－CGTase 產(chǎn)率;x1、x2、x3、x4、x5分別為糖蜜+玉米淀粉、K2HPO4、MgSO4、玉米漿+酵母、pH 的編碼值?；貧w方程中各變量對響應值影響的顯著性由F檢驗判定，P值越小，則相應變量的顯著程度越高，對回歸方程進行方差分析結果見表4～表6。

表3 中心組合試驗因素水平編碼

由表4可知，建立的回歸模型P＜0.01，表明回歸模型極顯著。模型可信度分析表明，回歸方程的復相關系數(shù)R2=0.945 5，變異系數(shù)2.545 8%，說明擬合程度良好，試驗誤差小。因此，可以用此回歸方程模擬高溫菌株HY15發(fā)酵培養(yǎng)基的最優(yōu)組成。

表4 回歸方程的方差分析結果

由表5可知，二次回歸模型的一次項x3、x4、x5以及二次項和交互項x3x4對響應值的影響極顯著(P＜0.01)。x1x3對響應值的影響顯著(P＜0.05)，x1、x2、x2x1、x5x4、x4x1、x4x2、x5x1、x5x2、x5x3、x3x2對響應值的影響不顯著(P＞0.05)。各試驗因素對高溫菌株HY15產(chǎn)β－CGTase的影響由大到小依次為:pH、MgSO4、玉米漿+酵母、K2HPO4、糖蜜+玉米淀粉。

方程局部最優(yōu)點即是最佳的試驗水平，利用求極值的方法求解最優(yōu)水平。對回歸方程求一階偏導數(shù)，并當?shù)竭_局部最優(yōu)點時，導數(shù)為零。求得:糖蜜+玉米淀粉 22.45 g/L，K2HPO40.97 g/L，MgSO40.18 g/L，玉米漿+酵母21.82 g/L，pH 值 6.98，在此條件下酶活的預測值為1 409.70 U/mL。

表5 中心組合試驗方差分析結果

Y=f(X3，X4)的響應面及等高線如圖1所示。由圖1A－圖1B可見，其他變量取零水平，該變量對指標的影響情況，可以看出在所選的因素水平范圍內(nèi)存在極值。

2.3 驗證試驗

為了驗證模型的有效性，在響應面分析得到的菌種發(fā)酵產(chǎn)酶的最佳工藝參數(shù)條件下進行菌株HY15產(chǎn)β－CGTase試驗，經(jīng)過3次平行試驗，測得菌株發(fā)酵產(chǎn)β－CGTase實際酶活力的平均值為1 401.81 U/mL。與理論預測值 1 409.70 U/mL 接近，相對誤差為0.56%，說明該回歸模型預測準確性比較高。

3 結束語

利用Plackett－Burman試驗設計，考察影響高溫菌株HY15發(fā)酵生產(chǎn)β－CGTase的10個相關因素，從中篩選出糖蜜+玉米淀粉、K2HPO4、MgSO4、玉米漿+酵母、pH值5個對菌種發(fā)酵產(chǎn)酶具有顯著影響的因素(P＜0.05)。然后通過 Box－Behnken設計法得到回歸方程，通過求函數(shù)最大值確定這5種成分的最佳水平混合為:糖蜜+玉米淀粉22.45 g/L、K2HPO40.97 g/L、MgSO40.18 g/L、玉米漿+酵母21.82 g/L、pH值6.98。在優(yōu)化后的培養(yǎng)基條件下，β－環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶酶活力達到1 409.70 U/mL。驗證值1 401.81 U/mL，二者吻合較好。

圖1 MgSO4和玉米漿+酵母對酶活的響應面圖(A)和等值線圖(B)

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