有機(jī)氮源對(duì)出芽短梗霉發(fā)酵普魯蘭多糖的影響

馬賽箭,安　超,薛文嬌,?！》?上官亦卿,丁　浩

(陜西省微生物研究所,陜西西安 710043)

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有機(jī)氮源對(duì)出芽短梗霉發(fā)酵普魯蘭多糖的影響

馬賽箭,安超,薛文嬌*,常帆,上官亦卿,丁浩

(陜西省微生物研究所,陜西西安 710043)

以出芽短梗霉(Aureobasidiumpullulans)CGMCC. 11062為出發(fā)菌株,研究了六種有機(jī)氮源對(duì)普魯蘭多糖產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)、純度及分子量的影響。結(jié)果表明:在不同有機(jī)氮源的發(fā)酵條件下,普魯蘭多糖產(chǎn)量由高到低依次為:酵母粉>牛肉膏>蛋白胨>胰蛋白胨>麥芽浸粉>尿素,其中以酵母粉為有機(jī)氮源時(shí),普魯蘭多糖產(chǎn)量達(dá)到60.64 g/L;普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)和純度受有機(jī)氮源種類的影響很小,相對(duì)穩(wěn)定,表明該菌株能夠適用于各種有機(jī)氮源生產(chǎn)普魯蘭多糖,適合工業(yè)化生產(chǎn);不同有機(jī)氮源所生成的普魯蘭多糖分子量由大到小的順序依次為:麥芽浸粉>牛肉膏>蛋白胨>胰蛋白胨>尿素>酵母,重均分子量范圍Mw在289039～604375 u之間,分子量分散指數(shù)在2.0～2.4。這些研究可為不同特性普魯蘭多糖的生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

有機(jī)氮源,普魯蘭多糖,產(chǎn)量,純度,分子量

普魯蘭多糖是由出芽短梗霉(Aureobacidiumpullulans)發(fā)酵產(chǎn)生的細(xì)胞外純天然高分子多糖,是一種新型可降解生物材料。該多糖是以α-1,6-糖苷鍵連接的聚麥芽三糖,即3個(gè)葡萄糖以兩個(gè)α-1,4-糖苷鍵連接形成麥芽三糖,兩端再以α-1,6-糖苷鍵同另外兩個(gè)麥芽三糖結(jié)合形成高分子多糖,一般沒(méi)有分支結(jié)構(gòu),是直鏈多糖[1]。由于這種獨(dú)特的連接方式,使得普魯蘭多糖具有高度的結(jié)構(gòu)柔韌性及良好的水溶性,制成的膜具有優(yōu)異的阻氧性能,經(jīng)過(guò)化學(xué)改性能夠改變其水溶性或提供活性反應(yīng)基團(tuán)。因此,普魯蘭多糖及其衍生物被廣泛地用于食品、醫(yī)藥、化工及電子等眾多領(lǐng)域,是一種具有極大開發(fā)價(jià)值和前景的多功能新型生物制品。

普魯蘭多糖的分子量在50～500 ku[2],主要受出芽短梗霉菌種差異、碳源種類、培養(yǎng)時(shí)間及發(fā)酵pH等因素的影響。目前,商業(yè)化的普魯蘭多糖的數(shù)均分子量大概在100～200 ku,重均分子量大概在362～480 ku,分子量分散指數(shù)一般在2.1～4.1之間[3-4]。分子量的分布范圍決定了普魯蘭多糖的應(yīng)用范圍,例如30～90 ku大小的普魯蘭多糖分子片段可代替右旋糖酐作為血漿擴(kuò)容劑[5-6]。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

出芽短梗霉(Aureobasidiumpullulans)CGMCC 11062,保藏于中國(guó)微生物菌種保藏中心?；罨囵B(yǎng)基(g/L):馬鈴薯去皮去芽眼,洗凈、切塊,稱200 g放入1000 mL蒸餾水中用文火煮沸30 min,雙層紗布過(guò)濾,濾液加水補(bǔ)至1000 mL,加20 g蔗糖,15 g瓊脂粉,121 ℃,20 min滅菌。種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖50.0;MgSO4·7H2O 0.2;K2HPO45.0;酵母粉 1.7;(NH4)2SO40.6;NaCl 1.0;初始pH6.5,113～116 ℃,20 min滅菌。發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):蔗糖 50;MgSO4·7H2O 0.2;K2HPO45.0;(NH4)2SO40.6;NaCl 1.0,有機(jī)氮源(胰蛋白胨、牛肉膏、蛋白胨、麥芽浸粉、酵母粉、尿素)1.7。初始pH6.5,113～116 ℃,20 min滅菌。麥芽三糖標(biāo)準(zhǔn)品M106948-100 mg(阿拉丁),普魯蘭酶P1067-250U(Sigma),普魯蘭多糖標(biāo)準(zhǔn)品P4516-25G(Sigma),不同分子量普魯蘭多糖標(biāo)準(zhǔn)品(Mp范圍9.6-2560 ku,96351-1KT,05287-25MG,04661-25MG,Sigma)。

恒溫培養(yǎng)箱SPX-250北京科偉永興儀器有限公司;控溫?fù)u床ZWY-2102上海智誠(chéng)分析儀器制造有限公司;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UV-1800島津;傅立葉變換紅外光譜儀Nicolet is 50Thermo Scientific;高效液相色譜儀(Waters 1515),示差檢測(cè)器(Waters 2414),凝膠色譜柱(UltrahydrogelTMLinear 7.8×300 mm column),預(yù)柱型號(hào)(UltrahyfrogelTM6×40 mm Guard Column)。

1.2培養(yǎng)方法

活化培養(yǎng)方法:將菌種在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)5 d。

種子培養(yǎng)方法:將活化好的菌株接種在裝有50 mL種子培養(yǎng)液的250 mL三角瓶中,置于恒溫?fù)u床上(230 r/min),28 ℃條件下培養(yǎng)48 h,即為種子液。

發(fā)酵培養(yǎng)方法:按照5%接種量將種子接種到裝有20%培養(yǎng)液的三角瓶中,置于恒溫?fù)u床上(230 r/min),28 ℃條件下培養(yǎng)96 h。

1.3分析方法

1.3.1菌體生物量將發(fā)酵液30 mL裝入50 mL離心管中,8000 r/min,離心10 min,取沉淀于105 ℃干燥至恒重,生物量計(jì)算公式如下:

生物量(g/L)=(M實(shí)重-M空重)×1000/30

1.3.2普魯蘭多糖產(chǎn)量取上清液15 mL加入2倍體積的95%乙醇,4 ℃靜置12 h,8000 r/min離心10 min,收集沉淀,加水重溶,再次加入2倍體積95%乙醇進(jìn)行沉淀,將沉淀于80 ℃烘至恒重,精確稱重,多糖含量計(jì)算公式如下:

多糖含量(g/L)=(M實(shí)重-M空重)×1000/15

1.3.3殘?zhí)呛勘椒恿蛩岱╗10]。

1.3.4結(jié)構(gòu)測(cè)定應(yīng)用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法(ATR-FTIR)直接測(cè)定制備獲得的普魯蘭多糖粉末[11]。

1.3.5純度測(cè)定利用普魯蘭酶酶解產(chǎn)物,使其成降解為還原糖麥芽三糖,然后利用DNS法測(cè)定麥芽三糖的含量,從而計(jì)算普魯蘭多糖的純度[12]。

1.3.6分子量測(cè)定利用高效液相色譜法(GPC)測(cè)定普魯蘭多糖分子量分布范圍。以0.1 mol/L NaNO3作為流動(dòng)相,流速0.5 mL/mim,柱溫箱溫度35 ℃,樣品濃度1 g/L,進(jìn)樣量20 μL,數(shù)據(jù)處理使用Waters自帶的Breeze軟件積分獲得[13]。

1.3.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1有機(jī)氮源種類對(duì)出芽短梗霉發(fā)酵普魯蘭多糖的影響

圖1　有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭發(fā)酵的影響Fig.1　The effects of organic nitrogen sources on pullulan by A. pullulans注:1.胰蛋白胨;2.牛肉膏;3.蛋白胨;4.麥芽浸粉;5.酵母粉;6.尿素。

由圖1可以看出,有機(jī)氮源的種類對(duì)普魯蘭多糖產(chǎn)量及底物碳源轉(zhuǎn)化率有顯著性影響,而對(duì)菌體的產(chǎn)量影響不顯著。其中,在以酵母粉為底物發(fā)酵時(shí),普魯蘭多糖的產(chǎn)量最高,達(dá)到了60.64 g/L,其他依次分別為牛肉膏40.8 g/L、蛋白胨35.79 g/L、胰蛋白胨34.92 g/L、酵母浸粉30.56 g/L、尿素27.5 g/L;同時(shí),以殘?zhí)呛繛榭己酥笜?biāo),殘?zhí)呛坑尚〉酱笠来螢榻湍阜?.53 g/L、牛肉膏21.58 g/L、胰蛋白胨27.56 g/L、蛋白胨30.78 g/L、麥芽浸粉34.93 g/L、尿素42.12 g/L。有機(jī)成分比較復(fù)雜,除含有豐富的蛋白質(zhì)、肽類、游離的氨基酸以外,還含有少量的糖類、脂肪和生長(zhǎng)因子等,影響微生物的生長(zhǎng)代謝及代謝產(chǎn)物合成。尿素雖然為有機(jī)氮源,但是其成分簡(jiǎn)單,不含有微生物必需的氨基酸類。因此,在以尿素為有機(jī)氮源時(shí),普魯蘭多糖的產(chǎn)量和底物的利用率都較低,這可能是由于缺乏微生物的必需氨基酸,導(dǎo)致微生物自主合成相關(guān)氨基酸及生長(zhǎng)因子,進(jìn)而延長(zhǎng)了微生物的代謝周期。

2.2有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭多糖結(jié)構(gòu)的影響

目前研究多糖結(jié)構(gòu)的方法有很多種,如紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用以及多糖的分子修飾等。糖的紅外光譜技術(shù)起源于上世紀(jì)七十年代,由于紅外光譜技術(shù)的發(fā)展及糖化學(xué)的深入研究,紅外光譜成為糖結(jié)構(gòu)研究的重要手段之一,主要用于不同糖的鑒別、吡喃糖和呋喃糖的識(shí)別、糖苷鍵及糖構(gòu)型的確定、糖鍵上主要取代基的識(shí)別[14]。

紅外色譜分析的結(jié)果見(jiàn)圖2所示:六種不同有機(jī)氮源的培養(yǎng)液發(fā)酵合成的普魯蘭多糖樣品具有明顯的多糖特征吸收峰,與普魯蘭多糖標(biāo)準(zhǔn)品具有一致的紅外吸收。在3000～2800,1400～1200,1000～700 cm-1區(qū)域內(nèi)顯示出特征的吸收峰。普魯蘭多糖在4000～400 cm-1范圍內(nèi)大致可分為:3600～3200 cm-1出現(xiàn)一寬峰,是糖類存在的分子間或分子內(nèi)的O-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的;3000～2800 cm-1存在吸收較弱的C-H的伸縮震動(dòng)吸收峰;此兩組吸收峰是糖類的特征峰[15]。1400～1200 cm-1的吸收峰是由兩個(gè)C-O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生,其中一個(gè)屬于C-O-H,另一個(gè)是糖環(huán)C-O-C;1000～700 cm-1包含著糖類特征吸收峰,主要表現(xiàn)為糖的吡喃環(huán)的振動(dòng)譜[16],圖譜的細(xì)微差別可能是由普魯蘭多糖的純度差異引起的。不同種類的有機(jī)氮源對(duì)普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生顯著性影響。

圖2　普魯蘭多糖標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜曲線Fig.2　The curve on infrared ray spectreum of pullulan

2.3有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭多糖純度的影響

本研究中利用DNS法測(cè)定麥芽三糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示,在麥芽三糖濃度200～1000 mg/L范圍內(nèi),回歸方程Y=0.0008X+0.0386,R2=0.9951,具有很好的相關(guān)性。不同有機(jī)氮源對(duì)普魯蘭多糖純度的影響結(jié)果如表1所示,普魯蘭多糖的純度在95%～99%之間,純度較高,這可能與本研究使用的菌株有關(guān)。另外,本研究中選用蔗糖為底物、有機(jī)氮源、酒精都為試劑級(jí),雜質(zhì)較少,同時(shí),采用搖瓶發(fā)酵方式、避免了攪拌式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌造成的細(xì)胞破碎,同時(shí),發(fā)酵周期比較短,出芽短梗霉細(xì)胞活力較高,自溶不明顯,離心效果好,上清液中胞內(nèi)蛋白、細(xì)胞碎片等大分子殘留比較少,從而獲得的普魯蘭多糖純度較高。其次,二次酒精沉淀起到洗滌的目的,洗滌次數(shù)對(duì)提純得率和多糖純度均有一定的影響,多糖得率隨著洗滌次數(shù)的增加逐漸減少,而多糖純度隨洗滌次數(shù)的增加而增加,但兩者的變化幅度都不是很大,多次洗滌雖然可以提高多糖純度,但洗滌劑的用量及洗滌引起的多糖損失也會(huì)隨之增多。

圖3　麥芽三糖分光光度法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3　The standard curve of maltotriose spectrophotometry determination

項(xiàng)目胰蛋白胨牛肉膏蛋白胨麥芽浸粉酵母粉尿素純度(%)97.4898.3298.1295.8799.1695.21

2.4有機(jī)氮源對(duì)普魯蘭多糖分子量的影響

普魯蘭多糖的分子量決定了普魯蘭多糖的應(yīng)用范圍及價(jià)值,高分子量的普魯蘭多糖更適用于商業(yè)用途。本研究中選用Sigma普魯蘭多糖分子量標(biāo)準(zhǔn)品,使用Waters 1515-2414(示差檢測(cè)器)檢測(cè)平臺(tái),獲得了普魯蘭多糖分子量的標(biāo)準(zhǔn)曲線,如表2所示,分子量越大,出峰時(shí)間越早。通過(guò)GPC測(cè)定不同有機(jī)氮源條件下的普魯蘭多糖分子量大小,如圖4所示,生成的普魯蘭多糖分子量由大到小依次為:麥芽浸粉>牛肉膏>蛋白胨>胰蛋白胨>尿素>酵母粉。通過(guò)Waters GPC自帶的Breeze軟件,依據(jù)普魯蘭多糖分子量標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)準(zhǔn)曲線,進(jìn)而對(duì)不同有機(jī)氮源制備的普魯蘭多糖的分子量積分計(jì)算,具體參數(shù)見(jiàn)表3所示,其中以麥芽浸粉為有機(jī)氮源生產(chǎn)的普魯蘭多糖分子量最大,重均分子量Mw為604375 u,屬于高分子量的普魯蘭多糖制品,適用于水凝膠、藥物載體等領(lǐng)域,而以酵母粉為有機(jī)氮源生產(chǎn)的普魯蘭多糖分子量最低,重均分子量Mw為289039 u,與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的分子量相當(dāng)。分散系數(shù)在2.0～2.4之間,相對(duì)較窄,這可能與發(fā)酵周期短,未被水解酶水解有關(guān)。

表3　有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭多糖分子量分布的影響

表2　不同分子量普魯蘭多糖標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定

圖4　有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭多糖分子量大小的影響Fig.4　The organic nitrogen on the influence of pullulan molecular weight size

3　討論

有關(guān)普魯蘭多糖發(fā)酵方面的研究主要集中在優(yōu)化培養(yǎng)條件、縮短發(fā)酵時(shí)間、降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品純度以滿足食品、化妝品和醫(yī)藥品的需求,并提升產(chǎn)品附加值。普魯蘭多糖的純度主要受菌株類型、發(fā)酵方式及后處理工藝的影響。West和Strohfus[17]利用瓊脂和藻酸鈣珠固定化出芽短梗霉細(xì)胞發(fā)酵生產(chǎn)普魯蘭多糖,結(jié)果產(chǎn)生的普魯蘭多糖純度只有36%?？赡苁怯捎谶@些材料相對(duì)較小的孔徑阻礙了大分子普魯蘭多糖的釋放。于航[18]通過(guò)研究最終獲得普魯蘭多糖的產(chǎn)量約為20 g/L,提取得率為89.2%,最終產(chǎn)品純度為95.2%。Cheng[19]等人研究表明:75 g/L蔗糖,3 g/L酵母粉和5 g/L的硫酸銨組合下,普魯蘭多糖的產(chǎn)量最高,培養(yǎng)7 d后,收獲25.8 g/L的普魯蘭多糖,純度達(dá)到94.5%。高璇璇[20]等研究了脫色和干燥方式對(duì)普魯蘭多糖品質(zhì)的影響,結(jié)果表明選用ZY-24×48-B型活性炭,添加量為1.0%(w/v)、pH5.0,時(shí)間40 min,溫度40 ℃,此時(shí)脫色率為94.98%,多糖得率為91.24%,通過(guò)噴霧干燥,所得樣品純度為91.07%。王長(zhǎng)海[21]等在實(shí)驗(yàn)室制備的短梗霉多糖純度為96.8%,與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相接近。

氮源的水平和種類對(duì)菌體形態(tài)和代謝產(chǎn)物的合成起關(guān)鍵性作用,是一個(gè)重要且復(fù)雜的因素[22],也是一個(gè)嚴(yán)格調(diào)控的過(guò)程,賦予真菌能夠利用有限的氮源滿足細(xì)胞的生存所需[23]。目前,系統(tǒng)地研究有機(jī)氮源種類對(duì)普魯蘭多糖發(fā)酵影響的并不是很多,而且主要集中在無(wú)機(jī)氮源,特別是銨鹽對(duì)普魯蘭多糖合成的影響。Wiley和Lin等[24]人研究了碳源、氮源和磷酸鹽對(duì)普魯蘭多糖分子量分布的影響,其中氮源是影響分子量的最大因素,銨離子被證實(shí)比硝酸根離子更有利于生產(chǎn)高分子量的普魯蘭多糖。Catley等人[25]研究了氮源限制效應(yīng)下出芽短梗霉合成普魯蘭多糖的情況,發(fā)現(xiàn)伴隨著相同的碳源消耗率,葡萄糖是流向胞內(nèi)物質(zhì)的合成還是普魯蘭多糖的合成取決于硫酸銨的濃度。盛龍等人[8]的研究表明,吐溫80的增加會(huì)降低普魯蘭多糖分子量的大小,這表明吐溫80確實(shí)影響到了普魯蘭從胞內(nèi)向胞外的分泌。

4　結(jié)論

本文選擇實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的有機(jī)氮源,研究了有機(jī)氮源對(duì)出芽短梗霉CGMCC 11602發(fā)酵生產(chǎn)普魯蘭多糖的產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)、純度、分子量的影響,結(jié)果表明:在相同發(fā)酵條件下,不同有機(jī)氮源所生成的普魯蘭多糖產(chǎn)量由高到低依次為:酵母粉>牛肉膏>蛋白胨>胰蛋白胨>麥芽浸粉>尿素,以酵母粉為有機(jī)氮源時(shí),普魯蘭多糖產(chǎn)量達(dá)到60.64 g/L;普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)和純度受有機(jī)氮源種類的影響不顯著,表明該菌株能夠適用于各種有機(jī)氮源生產(chǎn)普魯蘭多糖,相對(duì)穩(wěn)定,適合工業(yè)化生產(chǎn);不同有機(jī)氮源所產(chǎn)生的普魯蘭多糖分子量由大到小的順序依次為:麥芽浸粉>牛肉膏>蛋白胨>胰蛋白胨>尿素>酵母,重均分子量范圍Mw在289039～604375 ku之間,分子量分散指數(shù)在2.0～2.4,其中由麥芽浸粉生產(chǎn)的高分子量普魯蘭多糖適用于水凝膠、藥物載體的領(lǐng)域,而由酵母粉生產(chǎn)的普魯蘭多糖分子量與同類產(chǎn)品基本一致。

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Effects of organic nitrogen sources on the fermentation of Pullulan byAureobasidiumpullulans

MA Sai-jian,AN Chao,XUE Wen-jiao*,CHANG Fan,SHANGGUAN Yi-qing,DING Hao

(Microbiology institute of Shaanxi,Xi’an 710043,China)

The effect of six organic nitrogen sources on pullulan yield,structure,purity and molecular weight was studied by usingAureobasidiumpullulansCGMCC 11062. The results showed that the pullulan yield was different by using different organic nitrogen source,the highest yield was yeast extract,which can reach 60.64 g/L,then was beef extract,peptone,trypton,malt extract and the least was urea. The structure and purity of pullulan by different organic nitrogen species were consistent,which indicated that this strain can be applied to a variety of organic nitrogen to produce pullulan,and it was suitable for industrial production. The molecular weight of produced pullulan under different organic nitrogen was also great difference. The highest molecular weight was the one produced from malt extract,then were beef extract,peptone,trypton,urea and the lowest was yeast. Their weight average molecular weight(Mw)were between 289039～604375 u,molecular weight distribution was 2.0～2.4. These studies could provide technical guidance for the different characteristics of pullulan production.

organic nitrogen sources;pullulan;yield;purity;molecular weight

2015-12-08

馬賽箭(1982-),女,碩士,助理研究員,主要從事微生物代謝產(chǎn)物研究,E-mail:masaijian@163.com。

薛文嬌(1976-),女,博士,副研究員,主要從事微生物發(fā)酵及代謝產(chǎn)物研究,E-mail:x-wenjiao@163.com。

西部之光(2013DF01);陜西省自然科學(xué)基金(2014JM2-2015);陜西省科學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013K-06);陜西省科學(xué)院科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014K-01)。

TS201.3

A

1002-0306(2016)11-0169-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.027