響應面法優(yōu)化天蠶素抗菌肽培養(yǎng)條件的研究

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(廣州市微生物研究所,廣東廣州 510663)

抗菌肽屬于生物體內(nèi)誘導而產(chǎn)生的一種生物活性多肽小分子,分子量在2000～7000左右,由20～60個氨基酸殘基組成[1]。抗菌肽抗菌譜比傳統(tǒng)抗生素廣,抗菌活性高[2],既能抗革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌,又有抗真菌和病毒的作用[3]。

天蠶素抗菌肽在1972年首次分離得到是第一個被發(fā)現(xiàn)的動物抗菌肽[4],其作用機理是破壞病原菌細胞膜,從而達到抗菌作用,其作用不涉及特定靶位,因此幾乎不產(chǎn)生抗藥性。比起傳統(tǒng)抗生素,天蠶素抗菌肽具有無殘留、低耐藥性的特點,因此具有廣闊的前景。目前天蠶素抗菌肽發(fā)現(xiàn)大約有89種[5],部分已被利用基因工程技術(shù)方法將其表達[6]。其中利用枯草芽孢桿菌表達載體表達的天蠶素抗菌肽具有比其他抗菌肽活性更高的特點[7]。

目前,對抗菌肽的發(fā)酵已展開廣泛的研究,近年已有報道用傳統(tǒng)單因素法和正交設(shè)計法對天蠶素類抗菌肽的培養(yǎng)基進行優(yōu)化[8],但該方法優(yōu)化出的方案具有局限性,會忽略多個因子之間的交互作用,得到的方案通常不是最優(yōu)方案。Plackett-Burman和響應面分析法,在微生物培養(yǎng)條件的優(yōu)化工作中取得良好的效果,本研究選取8個對天蠶素抗菌肽生產(chǎn)菌株的相關(guān)因子進行設(shè)計,篩選出對其分泌抗菌肽顯著影響因子,再采用響應面分析的方法,以產(chǎn)生的抗菌肽殺菌效價為響應值,研究顯著因子對效價的影響,得到最優(yōu)條件,并在500L中試水平的發(fā)酵罐上進行驗證,以期為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

抗菌肽生產(chǎn)菌KJ05和大腸桿菌K12D31為本課題組保藏。種子培養(yǎng)基:甘油2%,蛋白胨2%,酵母膏1%,pH自然。發(fā)酵培養(yǎng)基:葡萄糖3%,蛋白胨1%,酵母膏2%,NaCl 0.5%,pH自然。固態(tài)大腸桿菌培養(yǎng)基:蛋白胨1%,酵母粉0.5%,NaCl 0.5%,瓊脂粉2%,pH自然。

pHS-25 數(shù)顯酸度計 上海雷磁儀器廠;ZY-3000IV抑菌圈自動測量分析儀 北京先驅(qū)威鋒技術(shù)開發(fā)公司;50L、500L不銹鋼發(fā)酵罐 上海洋格生物工程設(shè)備有限公司。

1.2 培養(yǎng)方法

斜面菌株活化后,接入種子搖瓶中,200r/min、30℃培養(yǎng)20h后接種5%到發(fā)酵培養(yǎng)基中,200r/min、30℃培養(yǎng)24h后取樣進行效價測定。

1.3 效價測定方法

配制固態(tài)大腸桿菌培養(yǎng)基,滅菌后冷卻至50℃時加入6mL至已滅菌平皿(Φ=75mm)中,指示菌大腸桿菌K12D31菌液(濃度約106cfu/mL)5μL加入以上平皿中,迅速震蕩搖勻,水平放置,凝固后用打孔器按指定位置(2.7mm)打孔,備用。

發(fā)酵液3000r/min離心5min后,取5μL加入到打孔處,每個樣品重復3次,37℃培養(yǎng)18h,用抑菌圈測定儀測定抑菌圈直徑(mm),按照下列公式進行效價計算[9]:

殺菌效價(U/mL)=2x×1000

其中x=(抑菌圈直徑-2.7)/2.1

1.4 培養(yǎng)基優(yōu)化方法

1.4.1 Plackett-Burman法篩選影響分泌抗菌肽效價的重要因素 影響天蠶素抗菌肽分泌殺菌效價的可能因素包括:葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、氯化鈉、接種量、接種齡、初始pH以及培養(yǎng)溫度等8個因素,用Design Expert(version 8.0.5)軟件進行N=11的Plackett-Burman設(shè)計[10]如表1所示,通過實驗確定各因素的顯著水平。

表1 Plackett-Burman設(shè)計因子水平表Table 1 Levels and factors of Plackett-Burman design experiment

1.4.2 中心組合實驗設(shè)計 從Plachett-Burman實驗結(jié)果可知,葡萄糖、接種量、起始pH為影響分泌抗菌肽殺菌效價的關(guān)鍵因素,因此選擇該三因素作為研究對象,以抗菌肽的殺菌效價作為響應值設(shè)計中心組合實驗,軟件使用Design Expert(version 8.0.5)設(shè)計。中心組合實驗設(shè)定實驗因素水平和編碼如表2所示。并得出最優(yōu)條件。

表2 實驗因素水平編碼Table 2 Factors and code levels of central composite design experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 Plackett-Burman法篩選影響分泌抗菌肽效價的重要因素

以分泌的抗菌肽殺菌效價為響應值分別計算葡萄糖、酵母膏、蛋白胨、氯化鈉、接種量、接種齡、初始pH以及培養(yǎng)溫度的顯著水平。按實驗因素水平,設(shè)計出N=11的Plackett-Burman實驗設(shè)計,進行14次,得到相應的天蠶素抗菌肽殺菌效價(U/mL)實驗結(jié)果見表3。并對各個因素進行顯著性分析,具體見表4。

表4 Plackett-Burman實驗各因素效應分析Table 4 Effect analysis of the Plackett-Burman design factors

從表4分析可知,因素B、F、H的p值均小于0.05,故為影響天蠶素抗菌肽效價的顯著因子。所以選擇該三個因素作為主要研究對象進行進一步優(yōu)化工作,其余因素按照其相應的T值正負效應選擇高水平與低水平:酵母膏、接種齡、氯化鈉為高水平,蛋白胨、培養(yǎng)溫度為低水平,即以后優(yōu)化培養(yǎng)基為:酵母膏(2.5%)、蛋白胨(1%)、氯化鈉(0.6%)、接種齡(26h)、培養(yǎng)溫度(30℃)。

2.2 中心組合實驗

2.2.1 最陡爬坡實驗 根據(jù)Plackett-Burman實驗的結(jié)果,選取對天蠶素抗菌肽效價影響最大的因子葡萄糖、起始pH和接種量進行最陡爬坡實驗,以確定其濃度范圍和步長。其他因子選取中心點值,根據(jù)分析計算得出葡萄糖、起始pH和接種量的步長,設(shè)計最陡爬坡實驗表如表5所示,以抗菌肽效價為響應值進行實驗。

表3 Plackett-Burman實驗設(shè)計及實驗結(jié)果Table 3 Result of Plackett-Burman design

以上6組實驗中,第三組中的抗菌肽效價最高,達12570U/mL。因此,響應面中心組合實驗設(shè)計中選取第三組數(shù)據(jù)位實驗中心點。

表5 最陡爬坡實驗設(shè)計及實驗結(jié)果Table 5 Results of steepest ascent experiment

2.2.2 中心組合實驗設(shè)計 三個主要顯著因素葡萄糖、起始pH、接種量分別設(shè)為因素A、B、C,抗菌肽效價為響應值Y,按照中心組合實驗設(shè)定實驗因素水平和編碼。設(shè)實驗中心點重復次數(shù)為6,設(shè)計中心組合實驗,并根據(jù)20組實驗條件測定各實驗組抗菌肽效價,實驗結(jié)果見表6。

根據(jù)實驗結(jié)果,利用Design-Expert軟件的分析功能進行分析如表7所示,得到編碼制的回歸方程:

Y=12639.19+605.05×A-197.04×B+605.05×C+203.13×A×B-374.37×A×C+334.38×B×C-1561.99×A2-861.95×B2-983.05×C2

通過Design-Expert軟件繪制結(jié)果響應面圖,如圖1～圖3所示,可以看出該模型具有最優(yōu)解,利用軟件分析計算得最優(yōu)解為:葡萄糖(5.7%),接種量(5.6%),起始pH(6.4)。

2.3 驗證實驗

對優(yōu)化后培養(yǎng)條件進行驗證實驗:葡萄糖(5.7%),接種量(5.6%),起始pH(6.4)、酵母膏(2.5%)、蛋白胨(1%)、氯化鈉(0.6%)、接種齡(26h)、培養(yǎng)溫度(30℃),共進行3組250mL搖瓶實驗,實驗結(jié)果分別為:12806、13042、12710U/mL,平均效價為12852U/mL,證明該模型比較可靠,且較優(yōu)化前效價提高30.7%。

表6 中心組合實驗設(shè)計及實驗結(jié)果Table 6 Result of central composite design

表7 回歸方程方差分析表Table 7 Analysis results of regression and variance

圖1 葡萄糖與接種量的響應面圖 Fig.1 Response surface curve of the interaction between glucose and inoculation amount

圖2 葡萄糖與起始pH的響應面圖 Fig.2 Response surface curve of the interaction between glucose and pH

圖3 接種量與起始pH的響應面圖 Fig.3 Response surface curve of the interaction between inoculation amount and pH

2.4 發(fā)酵中試實驗

為進一步確定該模型可靠性,在500L發(fā)酵罐上進行放大實驗。培養(yǎng)條件按照優(yōu)化后條件,其余條件為通風量0.6～0.8m3/h,攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min,罐壓保持0.4～0.6MPa。發(fā)酵20h后測得殺菌效價達15520U/mL,該結(jié)果明顯優(yōu)于搖瓶實驗結(jié)果,推測其原因在于發(fā)酵罐培養(yǎng)過程中溶氧量明顯高于搖瓶,更利于菌體生長,代謝出的抗菌物質(zhì)能快速擴散降低后期的反饋抑制作用。

3 結(jié)論

本文通過使用Plackett-Burman設(shè)計篩選出對天蠶素抗菌肽殺菌效價影響的顯著因子,對其再進行梯度尋優(yōu)確定中心點以及步長,進一步使用中心組合實驗對顯著因子進行優(yōu)化,得到回歸方程,求出最優(yōu)解。優(yōu)化后培養(yǎng)條件及培養(yǎng)基為:葡萄糖(5.7%),接種量(5.6%),起始pH(6.4)、酵母膏(2.5%)、蛋白胨(1%)、氯化鈉(0.6%)、接種齡(26h)、培養(yǎng)溫度(30℃)。優(yōu)化后搖瓶殺菌效價為12852U/mL,較優(yōu)化前提高了30.7%,優(yōu)化后的培養(yǎng)基更適合KJ05的生長以及抗菌肽的合成與分泌,根據(jù)其條件進行500L發(fā)酵罐中試實驗,利用50L發(fā)酵罐作為種子培養(yǎng)罐,使其接種量達到5.6%,其發(fā)酵液效價能達到15520U/mL。這表明該模型較可靠,具有實際應用價值,能在今后天蠶素抗菌肽大規(guī)模生產(chǎn)中提供理論依據(jù)。

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