華承偉 焦玲霞 于江傲
摘要:利用以木聚糖作為惟一碳源的基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基,在30℃培養(yǎng)條件下,從新鄉(xiāng)周邊土樣及腐殖質(zhì)中篩選到1株β-木聚糖酶高產(chǎn)真菌菌株(Fusarium sp. FLH28)。該菌株在20~40 ℃生長良好,最適生長溫度30 ℃。產(chǎn)酶培養(yǎng)條件優(yōu)化結(jié)果表明,在培養(yǎng)溫度為30 ℃,培養(yǎng)基初始pH 6.0,以玉米芯為碳源,以蛋白胨、酵母粉和玉米漿為有機(jī)氮源,發(fā)酵4 d,木聚糖酶活性達(dá)562.6 U/mL,木聚糖酶最適pH和溫度分別為6.5和40 ℃。
關(guān)鍵詞:中溫木聚糖酶;真菌;篩選菌株;產(chǎn)酶條件
中圖分類號(hào):TQ920.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)16-3475-04
Screening and Identification of Moderate Temperature β-Xylanase-Producing Fungi and Optimizing Conditions for Enzyme Production
HUA Cheng-weia,JIAO Ling-xiab,YU Jiang-aoa
(a. School of Life Science and Technology; b. School of Food, Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,Henan,China)
Abstract: A β-xylanase producing fungi, Fusarium sp. FLH28, was isolated from soil and humus samples from Xinxiang at 30 ℃ by using basal medium supplemented with xylan as the sole carbon source. The strain FLH28 was capable of growing well at 20~40 ℃; and the optimum growth temperature was 30 ℃. The optimized enzyme production conditions of the strain were as follows, initial pH, 6.0; corncob as carbon source; peptone, yeast extraction and corn steep liquor as nitrogen sources; incubating for 4 d at 30 ℃. Under the optimized conditions, the maximum enzyme activity reached to 562.6 U/mL. Optimum pH and temperature of the xylanase was 6.5 and 40 ℃ respectively.
Key words: moderate temperature xylanase; fungi strain(Fusarium sp. FLH28); screening; conditions of enzyme production
木聚糖是植物細(xì)胞主要結(jié)構(gòu)性多糖,主鏈由多個(gè)β-D-吡喃木糖基通過β-1,4-糖苷鍵連接的復(fù)雜分子多聚糖,主鏈連有各種取代基,分子中含有許多葡萄糖醛酸、乙?;?、阿拉伯糖、阿魏酸、香豆酸等側(cè)鏈基團(tuán)[1]。木聚糖是自然界含量僅次于纖維素的第二大類多糖,是半纖維素中含量最豐富的一種組分,占地球可再生有機(jī)碳的1/3[2]。它的存在使谷物中的營養(yǎng)物質(zhì)不能被充分暴露于動(dòng)物消化液的表面,進(jìn)而影響動(dòng)物的消化吸收,降低了飼料的營養(yǎng)價(jià)值。木聚糖酶(Xylanase,EC 3.2.1.8)主要以內(nèi)切方式作用于木聚糖主鏈上的β-1,4-糖苷鍵,水解生成以木二糖為主的低聚糖[3],它在生物轉(zhuǎn)化、食品、飼料、醫(yī)藥、能源、造紙、紡織等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[4],具有很大的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。迄今為止,關(guān)于產(chǎn)無纖維素酶活性木聚糖酶的菌株報(bào)道很多,包括細(xì)菌、真菌和放線菌,其中曲霉屬和芽孢桿菌屬種類最多[5-8]。
目前,關(guān)于耐高溫木聚糖酶菌株的篩選是木聚糖酶研究的一個(gè)熱點(diǎn),耐高溫木聚糖酶對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)木糖高溫快速反應(yīng)及飼料用酶制粒過程的酶活損失有一定的優(yōu)點(diǎn),但在37 ℃左右普遍存在酶活較低的問題,對(duì)于一些瘤胃動(dòng)物來說,其最適作用pH往往偏離中性的范圍,不利于在飼料中的應(yīng)用。因此,篩選中溫、最適pH中性且在一定范圍內(nèi)有良好熱穩(wěn)定性的產(chǎn)木聚糖酶菌株對(duì)于木聚糖酶在飼料中的應(yīng)用具有重要的作用。目前人們研究較多的真菌主要包括木霉、毛霉和曲霉等,關(guān)于鐮刀菌屬(Fusarium)菌種產(chǎn)木聚糖酶的研究很少,且產(chǎn)酶水平較低,在30 U/mL以下[9-12]。試驗(yàn)篩選得到1株高產(chǎn)木聚糖酶菌株Fusarium sp. FLH28,并對(duì)其產(chǎn)酶條件進(jìn)行了初步研究。
1材料與方法
1.1材料
1.1.1樣品采集樣品采集于河南新鄉(xiāng)周邊土壤及太行山南麓叢林土壤及腐殖質(zhì)中。
1.1.2培養(yǎng)基
1)篩選培養(yǎng)基(g/L):NH4Cl 1.0,(NH4)2SO4 1.0,KH2PO4 0.1,CaCl2 0.4,MgSO4·7H2O 0.1,玉米芯木聚糖1.0,瓊脂粉15.0,用HCl調(diào)pH 至5.5。
2)分離培養(yǎng)基:PDA培養(yǎng)基[13]。
3)發(fā)酵基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基(g/L):KH2PO4 1.0,MgSO4·7H2O 0.3,CaCl2 0.4,FeSO4·7H2O 0.1。
1.1.3試劑酵母提取物、胰蛋白胨(Oxoid);櫸木木聚糖、地衣多糖、昆布多糖、微晶纖維素(Avicel)、 CMC-Na、木糖(Sigma);標(biāo)準(zhǔn)低相對(duì)分子質(zhì)量蛋白質(zhì)(中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所);玉米芯木聚糖(自制);其他試劑均為分析純。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1產(chǎn)木聚糖酶菌株分離分別取土樣及腐殖質(zhì)1 g左右,加入裝有滅菌的10 mL 0.9%的NaCl溶液的小三角瓶中,室溫振蕩30 min,?。埃?mL 涂布篩選平板,倒置,于30 ℃培養(yǎng)3~5 d。用滅菌牙簽挑取單菌落菌絲,轉(zhuǎn)接于PDA分離培養(yǎng)基進(jìn)行單菌落分離。
1.2.2產(chǎn)木聚糖酶菌株復(fù)篩用接種鏟取面積約1 cm2 的菌塊,接種于含有蛋白胨10 g/L、酵母粉10 g/L和大麥粉20 g/L的發(fā)酵培養(yǎng)基上,180 r/min,30 ℃培養(yǎng)3~5 d。取發(fā)酵液1 mL 10 000 r/min離心5 min,取上清液測(cè)定酶活性。
1.2.3木聚糖酶活性測(cè)定取1.0 mL底物溶液與經(jīng)適當(dāng)稀釋的酶液0.1 mL混合,反應(yīng)10 min后,沸水煮5 min中止反應(yīng),以木糖等作標(biāo)準(zhǔn),酶活性通過DNS法測(cè)定還原糖含量得出[14]。酶活性單位的定義為:40 ℃、pH 6.5的磷酸緩沖液(50 mmol/L)及底物濃度為10 g/L條件下,每分鐘生成1 μmol還原糖所需要的酶量為1個(gè)酶活性單位。
1.2.4菌種初步鑒定肉眼觀察菌落形態(tài)和顏色等,石炭酸-棉藍(lán)染色,顯微鏡觀察菌絲、分生孢子梗及孢子形態(tài)。
1.2.5木聚糖酶酶譜分析SDS-PAGE電泳[15]中加入0.1%木聚糖,電泳完畢,20%異丙醇復(fù)性3次,50 mmol/L pH 6.5的磷酸緩沖液浸泡3次,每次10 min,直到紫外下顯示透明條帶。
1.2.6產(chǎn)木聚糖酶條件優(yōu)化30 ℃生長4 d的菌落制成孢子懸液(108個(gè)/mL),接種添加各種氮源和碳源的基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基,500 mL三角瓶裝量25 mL??疾椴煌瑮l件對(duì)產(chǎn)酶的影響,試驗(yàn)結(jié)果為3次平行試驗(yàn)的平均值。
1.2.7產(chǎn)木聚糖酶最適pH和最適溫度確定40 ℃下,分別測(cè)定重組酶在pH 2.5~11.0的4種不同緩沖液(50 mmol/L,檸檬酸緩沖液pH 2.5~5.5,MES緩沖液pH 5.0~7.0,磷酸緩沖液pH 6.0~8.5,甘氨酸-NaOH緩沖液pH 8.5~11.0)中的相對(duì)酶活性,以最高酶活性為100%;分別于20~90 ℃測(cè)定相對(duì)酶活性,以最高酶活性為100%。結(jié)果為3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。
2結(jié)果與分析
2.1產(chǎn)木聚糖酶菌株篩選結(jié)果
經(jīng)含單一碳源的木聚糖篩選平板和30 ℃篩選,共篩選得到產(chǎn)木聚糖酶真菌菌株24株,經(jīng)搖瓶發(fā)酵和酶活性測(cè)定,發(fā)現(xiàn)1株真菌產(chǎn)酶活性較高,為424.2 U/mL。該菌株在20~40 ℃范圍內(nèi)生長良好,最適生長溫度30 ℃左右。PDA培養(yǎng)基30 ℃培養(yǎng)4 d的單菌落呈突起絮狀,菌絲白色疏松(圖1a),背面呈淺褐色(圖1b)。
石炭酸-棉藍(lán)染色的菌絲分枝有隔;分生孢子梗單生,散生于氣生菌絲上,產(chǎn)生大型分生孢子,鐮刀形(圖2)。因此,根據(jù)菌落外觀形態(tài)、顏色,孢子和孢子梗形態(tài)[16],初步鑒定該菌株為鐮刀菌屬,菌株命名為Fusarium sp. FLH28。
2.2木聚糖酶酶譜分析結(jié)果
為考查鐮刀菌FLH28是否產(chǎn)多個(gè)木聚糖酶,取粗酶液進(jìn)行木聚糖酶的酶譜分析。結(jié)果顯示,酶譜只有一條透明帶(圖3),相對(duì)分子質(zhì)量約為22 600,和多數(shù)產(chǎn)木聚糖酶真菌11家族相似。
2.3鐮刀菌FLH28產(chǎn)木聚糖酶條件優(yōu)化結(jié)果
2.3.1不同碳源對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響在含有蛋白胨和酵母粉各10 g/L的基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基中,分別添加20 g/L的經(jīng)粉碎過60目篩的玉米芯、玉米稈、大麥麩皮、稻草粉、米糠和甘蔗渣5種碳源進(jìn)行產(chǎn)酶試驗(yàn),180 r/min,30 ℃培養(yǎng)4 d,結(jié)果(圖4)顯示,以玉米芯和玉米稈作碳源時(shí)產(chǎn)酶效果較好,其中以玉米芯為碳源時(shí)木聚糖酶活性可達(dá)426.8 U/mL。因此選用玉米芯為碳源進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)酶試驗(yàn)。
2.3.2碳源添加量對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響于含有蛋白胨和酵母粉各10 g/L的基礎(chǔ)鹽培養(yǎng)基中,分別添加不同量玉米芯進(jìn)行產(chǎn)木聚糖酶試驗(yàn),結(jié)果表明,在玉米芯添加量為50 g/L時(shí),酶活性最高(圖5)。隨玉米芯含量的增加,酶活性反而有下降的趨勢(shì),可能是含量過高的玉米芯影響培養(yǎng)基的流動(dòng)性,降低氧傳遞速率所致。
2.3.3氮源對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響通過添加不同種類和數(shù)量的氮源進(jìn)行試驗(yàn),30 ℃培養(yǎng)4 d,測(cè)定發(fā)酵液酶活性,確定產(chǎn)酶的最佳氮源。結(jié)果(表1)表明,以復(fù)合氮源豆粕粉+玉米漿及酵母粉+蛋白胨+玉米漿較好,酶活性分別為473.6和482.5 U/mL,即添加玉米漿的復(fù)合氮源對(duì)木聚糖酶的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用,可能是由于玉米漿中營養(yǎng)成分全面所致,具體原因有待進(jìn)一步分析。考慮到工業(yè)應(yīng)用成本,后續(xù)試驗(yàn)采用復(fù)合氮源豆粕粉+玉米漿。
2.3.4培養(yǎng)基起始pH對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響以NaH2PO4-Na2HPO4緩沖體系配制濃度為100 mmol/L、不同pH(4.0~8.0)的培養(yǎng)基,接種等量的孢子懸浮液,30 ℃培養(yǎng)4 d,測(cè)定酶活性。結(jié)果(圖6)顯示,培養(yǎng)基起始pH對(duì)菌株產(chǎn)酶有明顯的影響,最適產(chǎn)酶培養(yǎng)基起始pH 6.0左右,在pH低于5.0及pH高于7.0時(shí),酶活性顯著下降。
2.3.5培養(yǎng)溫度對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響接種后的培養(yǎng)液分別于20~45°C培養(yǎng)4 d后,取發(fā)酵液測(cè)定酶活性,結(jié)果見圖7。由圖7可見,培養(yǎng)溫度對(duì)產(chǎn)酶有顯著影響,產(chǎn)酶最適培養(yǎng)溫度為30 ℃左右,當(dāng)培養(yǎng)溫度高于40 ℃,菌體生物量顯著下降,同時(shí),酶活性也顯著降低。
2.3.6培養(yǎng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)木聚糖酶的影響在上述優(yōu)化條件下,分別培養(yǎng)不同時(shí)間,從24 h開始,每隔12 h取樣分析酶活性。結(jié)果(圖8)表明,在培養(yǎng)120 h時(shí),酶活性最高,達(dá)562.6 U/mL,隨后酶活性出現(xiàn)緩慢下降,在156 h發(fā)現(xiàn)菌絲有自溶現(xiàn)象,但沒有出現(xiàn)酶活性快速下降趨勢(shì),可能與木聚糖酶對(duì)蛋白酶的敏感性低有關(guān)。
2.4FLH28所產(chǎn)木聚糖酶最適pH和最適溫度
鐮刀菌FLH28所產(chǎn)木聚糖酶最適pH約6.5(圖9a),在pH 5.0~8.0時(shí)相對(duì)酶活性可達(dá)80%以上。最適作用溫度約40 ℃(圖9b),高于70 ℃,相對(duì)酶活性顯著降低,在30~50 ℃時(shí)相對(duì)酶活性可達(dá)85%以上,表明該木聚糖酶有較寬的pH和溫度作用范圍。
3結(jié)論
從新鄉(xiāng)周邊土樣及腐殖質(zhì)中篩選得到1株高產(chǎn)木聚糖酶真菌菌株,經(jīng)對(duì)菌落形態(tài)特征及分生孢子梗和分生孢子形態(tài)的顯微觀察,初步鑒定為鐮刀菌屬菌株命名為Fusarium sp. FLH28,其最適生長溫度30 ℃,在20~40 ℃時(shí),生長良好。在培養(yǎng)溫度為30 ℃,培養(yǎng)基初始pH 6.0,以玉米芯為碳源,以豆粕粉+玉米漿為氮源,發(fā)酵5 d,木聚糖酶活性達(dá)562.6 U/mL。
真菌來源木聚糖酶大都熱穩(wěn)定性差,酶作用的最適溫度為40~45 ℃,55 ℃以上快速失活。木聚糖酶要廣泛經(jīng)濟(jì)高效應(yīng)用于飼料工業(yè)應(yīng)具備一定條件,要求飼用木聚糖酶有較好的熱穩(wěn)定性且在pH較寬的范圍內(nèi)能保持較高的活性。而現(xiàn)在顆粒料制粒過程中有一個(gè)短暫的高溫過程,溫度為75~93 ℃,多數(shù)木聚糖酶在此高溫下會(huì)大幅度地喪失活性;同時(shí),飼料中的木聚糖酶最終的作用場(chǎng)所是動(dòng)物正常體溫37 ℃左右的胃腸中,因此能耐制粒高溫,且在動(dòng)物正常體溫下具有較高活性成為木聚糖酶在生產(chǎn)中應(yīng)用的關(guān)鍵。菌株Fusarium sp. FLH28所產(chǎn)木聚糖酶在pH 4.5~8.5時(shí)相對(duì)酶活性可達(dá)60%以上,在溫度60 ℃時(shí)相對(duì)酶活性可達(dá)73%以上,表明該木聚糖酶可很好地應(yīng)用于食品及飼料工業(yè)中。
參考文獻(xiàn):
[1] OBEL N,NEUMETZLER L,PAULY M. Hemicelluloses and cell expansion[J]. Plant Cell Monographs,2007,6:57-88.
[2] COLLINS T,GERDAY C,FELLER G. Xylanases, xylanase families and extremophilic xylanases[J]. FEMS Microbiology Reviews,2005,29:3-23.
[3] DIETMAR H, BERND N, KLAUS D, et al. Production of fungal xylanases[J]. Bioresourse Technology,1996,58:137-138.
[4] SUNNA A, ANTRANIKIAN G. Xylanolytic enzymes from fungi and bacteria[J]. Crit Rev Biotechnol,1997,17:39-67.
[5] ANTHONY T,RAJK C, RAJENDRAN A, et al. High molecular weight cellulase-free xylanase from alkali-tolerant Aspergillus fumigatus AR1[J]. Enzyme and Microbial Technology,2003, 32(6):647-654.
[6] DHIMAN S S, SHARMA J, BATTAN B. Pretreatment processing of fabrics by alkalothermophilic xylanase from Bacillus stearothermophilus SDX[J]. Enzyme and Microbial Technology,2008, 43(3):262-269.
[7] CHIDI S B, GODANA B, NCUBE I, et al. Production, purification and characterization of celullase-free xylanase from Aspergillus terreus UL4209[J]. African Journal of Biotechnology,2008,7(21):3939-3948.
[8] BATTAN B, SHARMA J, DHIMAN S S,et al. Enhanced production of cellulase-free thermostable xylanase by Bacillus pumilus ASH and its potential application in paper industry[J]. Enzyme and Microbial Technology,2007,41(6/7):733-739.
[9] 王權(quán)帥,康文麗,生吉萍,等.不同發(fā)酵條件對(duì)Fusarium solani ZH0101 產(chǎn)木聚糖酶的影響[J]. 食品科學(xué),2011,32(13):188-193.
[10] KURCHENKO, I M, SOKOLOVA, O V, ZHDANOVA, N M, et al. Cellulase and xylanase activities of Fusarium Lk: Fr. genus fungi of different trophic groups[J]. Mikrobiol Z, 2008,70(5):27-35.
[11] JORGE I, DE LA ROSA O, NAVAS-CORTES J A, et al. Extracellular xylanases from two pathogenic races of Fusarium oxysporum f.sp. ciceris: enzyme production in culture and purification and characterization of a major isoform as an alkaline endo-beta-(1,4)-xylanase of low molecular weight[J]. Antonie Van Leeuwenhoek,2005,88(1):48-59.
[12] SAHA B C. Xylanase from a newly isolated Fusarium verticillioides capable of utilizing corn fiber xylan[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2001,56(5-6):762-766.
[13] 沈萍,范秀容,李廣武.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn) [M].第三版.北京:高等教育出版社,1999.
[14] MILLER G L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugars[J]. Analytical Chemistry,1959,31(3):426-428.
[15] LAEMMLI U K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4[J]. Nature,1970, 277:680-685.
[16] 魏景超.真菌鑒定手冊(cè)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1979.