兩類外源刺激對(duì)啤酒廢酵母發(fā)酵產(chǎn)谷胱甘肽的影響

萬紅貴，鄧春亞，譚海濤，龔寅聰

1(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京，210009)

2(南京工業(yè)大學(xué)國(guó)家生化中心，江蘇南京，211816)

三肽物γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸或稱谷胱甘肽(GSH)，是細(xì)胞內(nèi)合成的最重要的低分子量抗氧化劑。谷胱甘肽在許多生命活動(dòng)中起著直接或間接的作用，這些作用包括自然抗氧化劑、對(duì)細(xì)胞的保護(hù)、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)、免疫功能調(diào)節(jié)、促進(jìn)糖類、脂肪及蛋白質(zhì)代謝等作用［1］，也能影響細(xì)胞的代謝過程，大量應(yīng)用于醫(yī)藥保健、護(hù)膚美容、食品添加等行業(yè)［2－3］，近年來谷胱甘肽廣泛應(yīng)用于惡性腫瘤、HIV、急性中毒、化療、肝損傷、腎病綜合征等多種疾病輔助治療［4－6］。

目前，谷胱甘肽的生產(chǎn)方法主要以酶法和發(fā)酵法為主，與發(fā)酵條件和工藝流程的優(yōu)化相關(guān)的研究尤為突出。前體氨基酸的添加［7］、表面活性劑的使用［8］、乙醇濃度的控制［9］、葡萄糖的流加等方案的設(shè)計(jì)大大提高了發(fā)酵法產(chǎn)谷胱甘肽的效率。但是絕大部分的發(fā)酵法產(chǎn)谷胱甘肽采用的都是常規(guī)菌種進(jìn)行正常發(fā)酵，耗時(shí)耗力，不宜進(jìn)行工業(yè)化。本文選取廢酵母為研究對(duì)象，由于縮短了發(fā)酵耗時(shí)并降低了生產(chǎn)成本，谷胱甘肽的生產(chǎn)效率得到顯著地提升。此外，對(duì)發(fā)酵過程中的菌體實(shí)施外援刺激以加速谷胱甘肽的合成的相關(guān)報(bào)道也并不多見。本文就氧化刺激和高滲刺激2個(gè)方面探討了這2類刺激物對(duì)啤酒廢酵母發(fā)酵產(chǎn)谷胱甘肽的影響。

1 材料和方法

1.1 菌種

啤酒廢酵母:南京金陵啤酒廠提供。

1.2 培養(yǎng)基(g/L)

葡萄糖 25，蛋白胨 10，KH2PO41，K2HPO41，Mg-SO42.5，CaCl20.3，F(xiàn)eSO40.05，pH 5.5。

1.3 培養(yǎng)方法

按10 g/100 mL的接種量將抽濾得到的濕酵母接入用無菌水配制的上述培養(yǎng)基中，裝液量40 mL/500 mL，30℃、200 r/min恒溫培養(yǎng)24 h。在培養(yǎng)4 h后，加入少量前體氨基酸。

1.4 樣品的處理

取一定體積的發(fā)酵液，5 500 r/mmin離心8 min，上清液用于殘?zhí)堑臏y(cè)定，菌體用蒸餾水洗滌2次，加入40%的乙醇溶液30℃萃取2 h。5 500 r/min離心，萃取液適當(dāng)稀釋后作為谷胱甘肽的測(cè)定樣品，離心獲得的酵母菌體105℃烘干至恒重測(cè)生物量。

1.5 分析方法

殘?zhí)堑臏y(cè)定:DNS法測(cè)定殘?zhí)菨舛龋?0］。

谷胱甘肽含量的測(cè)定:DTNB 法［11］、ALLOXAN法［12］。

生物量:將離心獲得的酵母菌體105℃烘干至恒重，稱得干菌體的質(zhì)量，作為菌體生長(zhǎng)情況的量化指標(biāo)。

谷胱甘肽合成酶系酶活［13］:將離心收集后的濕菌體1 g用磷酸緩沖液5 mL懸浮，超聲波90 kHz破碎8 min，加入10 mL酶轉(zhuǎn)化反應(yīng)液(谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸各20 mmol/L，MgSO425 mmol/L，ATP 5 mmol/L)，37℃反應(yīng)30 min，酶活單位定義為每分鐘催化合成1 μg GSH所需的酶量。

1.6 實(shí)驗(yàn)方案的確定

氧化刺激:選取H2O2和KMnO4兩種氧化劑對(duì)發(fā)酵過程中的酵母細(xì)胞進(jìn)行氧化刺激，測(cè)定酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)情況、谷胱甘肽的產(chǎn)量。比較各項(xiàng)參數(shù)，確定這兩種物質(zhì)的最適添加濃度和最適添加時(shí)間。

高滲刺激:以NaCl和KCl兩種試劑給發(fā)酵中的酵母細(xì)胞以高滲環(huán)境，測(cè)定酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)情況、谷胱甘肽的產(chǎn)量及谷胱甘肽合成酶系酶活，確定最適濃度和最佳添加時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化刺激物對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響

2.1.1 氧化刺激物對(duì)酵母細(xì)胞生長(zhǎng)及谷胱甘肽產(chǎn)量的影響

由于培養(yǎng)基中的葡萄糖在前9 h內(nèi)基本耗光，細(xì)胞的生長(zhǎng)趨于緩慢，谷胱甘肽的大量合成發(fā)生在細(xì)胞生長(zhǎng)的中后期。因此，初步選擇發(fā)酵后9 h為氧化刺激物的添加點(diǎn)，確定選擇的刺激物對(duì)谷胱甘肽的生產(chǎn)是否有增產(chǎn)效果。由圖1和圖2可以看出雖然2種氧化劑對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，但卻都能明顯地提高谷胱甘肽的含量。這是因?yàn)樵谘趸瘧?yīng)激條件下，細(xì)胞啟動(dòng)防御保護(hù)機(jī)制，產(chǎn)生較多的抗氧化劑。而對(duì)于酵母細(xì)胞來說，體內(nèi)的谷胱甘肽系統(tǒng)是保護(hù)細(xì)胞免受氧化劑損傷的主要機(jī)制［14］。

圖1 氧化刺激物對(duì)酵母細(xì)胞生長(zhǎng)的影響Fig.1 The effects of oxidation stimulus on the yeast’s growth

圖2 氧化刺激物對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.2 The effects of oxidation stimulus on the product of GSH

2.1.2 氧化刺激物的最佳添加量和添加時(shí)間

由圖3和圖4可以看出，無論是 KMnO4還是H2O2都只能在一定濃度范圍內(nèi)提升谷胱甘肽產(chǎn)量。氧化刺激物濃度過高，不僅菌體的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，而且生產(chǎn)的谷胱甘肽會(huì)大量消耗用于保護(hù)細(xì)胞，使得谷胱甘肽的產(chǎn)量迅速下降。由圖可以看出當(dāng)KMnO4濃度在0.012 g/L左右、過氧化氫濃度在30 mmol/L左右時(shí)，廢酵母產(chǎn)谷胱甘肽的產(chǎn)量達(dá)到最大。

圖3 KMnO4濃度對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.3 The effect of KMnO4concentration on the product of GSH

圖4 H2O2濃度對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.4 The effect of H2O2concentration on the product of GSH

在確定了2種氧化刺激物的最佳添加濃度后，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探討了這兩種物質(zhì)發(fā)酵過程中的最佳添加時(shí)間。由于前9 h是酵母細(xì)胞的快速生長(zhǎng)期，為了避免刺激物的添加阻滯細(xì)胞的生長(zhǎng)引起后期谷胱甘肽合成受阻，因此將添加時(shí)間設(shè)計(jì)在9 h后。由圖5和圖6可以看出，對(duì)于KMnO4而言，添加時(shí)間越靠后越好，當(dāng)添加時(shí)間為21 h時(shí)谷胱甘肽產(chǎn)量和比酶活均達(dá)到最大，產(chǎn)量高達(dá)512 mg/L，增產(chǎn)20%。而就H2O2來說，酶活和谷胱甘肽產(chǎn)量在發(fā)酵后12 h最大，此刻才是最佳的添加時(shí)間，產(chǎn)量達(dá)482.3 mg/L，增產(chǎn)13%。

圖5 KMnO4添加時(shí)間對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.5 The effects of KMnO4’s adding time on the product of GSH

圖6 H2O2添加時(shí)間對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.6 The effects of H2O2’s adding time on the product of GSH

2.2 高滲刺激對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響

除了氧化劑會(huì)刺激酵母細(xì)胞，使得細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，生成相應(yīng)的保護(hù)性物質(zhì)。給予細(xì)胞高滲環(huán)境，也有產(chǎn)生類似的效果。本實(shí)驗(yàn)選取KCl和NaCl兩種鹽溶液為細(xì)胞營(yíng)造高滲環(huán)境，探索其對(duì)酵母細(xì)胞產(chǎn)谷胱甘肽的影響。

2.2.1 KCl和NaCl溶液對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)及谷胱甘肽產(chǎn)量的影響

一定濃度的滲透處理對(duì)谷胱甘肽的產(chǎn)量會(huì)有所提高，但濃度過高會(huì)引起細(xì)胞脫水、質(zhì)壁分離甚至死亡，阻礙細(xì)胞的正常生理功能，進(jìn)而影響谷胱甘肽的產(chǎn)量。由圖7可以看出當(dāng)KCl和NaCl兩種溶液在發(fā)酵液中的濃度為15 g/L時(shí)，谷胱甘肽的產(chǎn)量達(dá)到最大，高達(dá)458.3 mg/L，相比未添加鹽溶液時(shí)的428.5 mg/L，產(chǎn)量有所提升。其中，KCl的增產(chǎn)效果要明顯好于NaCl，可能因?yàn)镵Cl中含有K+，該離子是許多酶的激活劑，有利于刺激谷胱甘肽合成中的相關(guān)酶類。鑒于KCl的效果要好于NaCl，后期選擇前者做進(jìn)一步研究。

2.2.2 KCl溶液的最佳添加時(shí)間

圖7 鹽溶液濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)及谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.7 The effects of KCl and NaCl’s concentration on the product of GSH

由圖8可以看出，在發(fā)酵15 h后添加15 g/L的KCl，谷胱甘肽產(chǎn)量、酶活均達(dá)到最大。分析可能是該時(shí)間段是谷胱甘肽酶系大量合成的關(guān)鍵時(shí)期，KCl的加入進(jìn)一步刺激了酶的合成，谷胱甘肽產(chǎn)量明顯增高。此時(shí)，谷胱甘肽產(chǎn)量達(dá)到475.2 mg/L，相比對(duì)照增產(chǎn)11.5%。

圖8 KCl添加時(shí)間對(duì)谷胱甘肽產(chǎn)量的影響Fig.8 The effect of KCl’s adding time on the product of GSH

2.3 兩種刺激物的聯(lián)合使用

為了確定這兩類刺激物是否具有疊加效應(yīng)，現(xiàn)將兩類物質(zhì)聯(lián)合使用，分別考察了高錳酸鉀和過氧化氫與KCl聯(lián)用時(shí)的增產(chǎn)效果。如圖9所示。

圖9 聯(lián)用與單用的增產(chǎn)效果的對(duì)比Fig.9 The contrast of joint and single using stimulus

由圖9可以看出，兩類刺激物聯(lián)用并沒有產(chǎn)生疊加效應(yīng)，相反比起單用還略有下降。經(jīng)分析，可能是因?yàn)殡m然刺激物可以促使細(xì)胞啟動(dòng)防御機(jī)制產(chǎn)生谷胱甘肽，但同時(shí)過強(qiáng)的刺激也會(huì)加速產(chǎn)生的谷胱甘肽的消耗，從而使得增產(chǎn)效果大打折扣。

3 結(jié)論

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)氧化和高滲刺激都能一定程度地增加谷胱甘肽的產(chǎn)量。前者是因?yàn)檠趸瘎?huì)促使細(xì)胞發(fā)生保護(hù)性反應(yīng)，產(chǎn)生抗氧化物質(zhì);后者是因?yàn)楦邼B環(huán)境改變了細(xì)胞的生理功能，刺激了谷胱甘肽相關(guān)酶系的活性。本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)酵21 h后添加0.012 g/L的KMnO4，谷胱甘肽的產(chǎn)量高達(dá)512 mg/L，增產(chǎn)20%;H2O2的最佳添加時(shí)間為發(fā)酵后12 h，最佳添加濃度為30 mmol/L左右，谷胱甘肽產(chǎn)量可達(dá)482.3 mg/L，增產(chǎn)13%;發(fā)酵15 h后用15 g/L的KCl溶液進(jìn)行高滲刺激，谷胱甘肽產(chǎn)量提升至475.2 mg/L。兩種類型的刺激物單獨(dú)使用的效果要強(qiáng)于聯(lián)合使用，單獨(dú)使用KMnO4，谷胱甘肽的產(chǎn)量最高。

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