解淀粉芽孢桿菌高密度發(fā)酵條件的優(yōu)化

王濤，劉健，左建英，張俊，侯永春，龔驍，孫群

（1.四川大學生命科學學院，四川 成都 610064；2.四川龍蟒福生科技有限責任公司，四川 眉山 620036）

解淀粉芽孢桿菌高密度發(fā)酵條件的優(yōu)化

王濤1，2，劉健1，左建英2，張俊2，侯永春2，龔驍2，孫群1

（1.四川大學生命科學學院，四川 成都 610064；2.四川龍蟒福生科技有限責任公司，四川 眉山 620036）

該文探討解淀粉芽孢桿菌（B.amyloliquefaciens）1841的高密度工業(yè)發(fā)酵工藝優(yōu)化，為解淀粉芽孢桿菌的工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。以平板菌落直徑、及培養(yǎng)后的活菌濃度為指標，對種子的保存方法、活化方式和培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基中的酵母粉和大豆蛋白粉用量以及發(fā)酵的后期調(diào)控進行篩選和優(yōu)化。篩選出最佳的工業(yè)菌種保存條件為30%甘油為保護劑，-64℃保存；最佳活化方法為采用PDA培養(yǎng)基活化，并經(jīng)過一次48h活化和24h二次活化；最佳的轉(zhuǎn)菌時間為在種子培養(yǎng)后17～18h。最佳的酵母粉和大豆蛋白粉濃度分別為20g/L和40g/L，發(fā)酵的后期調(diào)控需要進行補料和流加氨水將pH控制在7.0±0.2，發(fā)酵時間延長至72h。通過對發(fā)酵的基本條件進行篩選和優(yōu)化，得到可在100L發(fā)酵罐上進行高密度發(fā)酵的體系，發(fā)酵濃度可達常規(guī)發(fā)酵的100倍（＞1×1014CFU/mL）。

解淀粉芽孢桿菌；保存；活化；高密度發(fā)酵

0 引言

近年來，由于化學農(nóng)藥的過渡使用導致了嚴重的食品安全和環(huán)境問題，生物農(nóng)藥的使用已成為一種新的趨勢。目前產(chǎn)業(yè)化應用較多的主要包括地衣芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌等[1]。其中解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）是與枯草芽孢桿菌親緣性很高的一個近緣種，具有廣泛的抑制真菌和細菌活性。目前已開發(fā)的解淀粉芽孢桿菌制劑主要為Subtilex，由美國Microbiol Ltd.公司開發(fā)，根部施用或拌種可防治鐮刀菌、曲霉、交鏈孢和絲核菌引起的豆類、麥類、棉花和花生根部病害。馮金龍[2]通過試驗證明解淀粉芽孢桿菌對馬鈴薯枯萎病菌（Fusarium tricinctum），馬鈴薯絲核病菌（Rhizoctonia solani），蘋果輪紋病菌[3]和馬鈴薯炭疽病菌（Colletotrichum coccodes）都有良好的抑制作用，可致病原菌菌絲膨大、斷裂及溶解等[4]。研究發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌是通過產(chǎn)生芽孢菌毒素和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素抑制土傳病害[5-6]；Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，解淀粉芽孢桿菌可以誘導煙草產(chǎn)生抗性；Srivastava等[8]發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌可以增加在生物脅迫下水稻的產(chǎn)量。除此之外，解淀粉芽孢桿菌甚至還可以應用在養(yǎng)殖和畜產(chǎn)品加工領域[9]。

目前國內(nèi)關于解淀粉芽孢桿菌的工業(yè)高密度發(fā)酵研究較少，車曉曦[10]從最佳碳源、氮源、初始pH值、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、接菌量和裝液量的確定出發(fā)，針對一株新發(fā)現(xiàn)的解淀粉芽孢桿菌SAB-1進行發(fā)酵培養(yǎng)基的設計及發(fā)酵條件的優(yōu)化。該條件下發(fā)酵后菌體產(chǎn)量為4.6×1010CFU/mL。已報道的市場同類型解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵單位約為1×1012CFU/mL，發(fā)酵水平相對偏低，不利于制劑開發(fā)和田間應用。本研究利用實驗室前期獲得的對灰霉菌、尖孢鐮刀菌、鏈格孢菌、玉米尾孢菌等多種植物病原菌的拮抗菌株B.amyloliquefaciens 1841為研究對象，通過研究菌種最佳保存和活化條件、最適接種時期，以及發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化，發(fā)酵后期調(diào)控條件的摸索，旨在提高工業(yè)發(fā)酵的菌體濃度，達到高密度發(fā)酵。

1 實驗材料

1.1 實驗菌種

解淀粉芽孢桿菌（B.amyloliquefaciens）菌株1841引進自俄羅斯，由本實驗室保藏。

1.2 培養(yǎng)基

種子活化培養(yǎng)基為PDA培養(yǎng)基及NA培養(yǎng)基。

一級種子搖瓶培養(yǎng)基為酵母浸粉2%、糖蜜2%、玉米蛋白粉1%、磷酸二氫鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、碳酸鈣0.3%、氯化鈉0.03%、pH自然。

發(fā)酵培養(yǎng)基在種子搖瓶培養(yǎng)基基礎上添加不同量酵母粉、大豆蛋白粉。

1.3 發(fā)酵罐

100L發(fā)酵罐：容積100L，型號15R102-1，上海國強生化工程裝備有限公司。

2 實驗方法

2.1 種子保存

將解淀粉芽孢桿菌種子在4種不同的甘油濃度和溫度組合（15%甘油+-20℃、15%甘油+-64℃、30%甘油+-20℃、30%甘油+-64℃）下保存。3個月后，將保存的種子取出進行平板活化，培養(yǎng)48 h后采用十字交叉法測量菌落直徑，判斷最適宜的保存方法。

2.2 種子活化

對比不同培養(yǎng)基（NA和PDA）、不同活化方式（活化48h、活化48 h后再轉(zhuǎn)接活化24 h），培養(yǎng)48 h后采用十字交叉法測量菌落直徑，用活菌計數(shù)法測定培養(yǎng)后的菌體濃度，以此為依據(jù)判斷最佳活化培養(yǎng)基及活化時間。

2.3 確定種子生長曲線，判斷最佳的轉(zhuǎn)種時間

種子搖瓶接種后從0～24 h每2 h取0.5mL樣品進行OD值測定[11]。其中，種子搖瓶使用帶擋板的500mL三角瓶（裝液量50mL），接種量2環(huán)，30℃，200 r/min培養(yǎng)24h。

2.4 不同氮源對解淀粉芽孢桿菌生長的影響

1）以一級種子搖瓶培養(yǎng)基為基本培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中加入酵母粉，使其含量分別為10，15，20，25g/L。搖床300 r/min、28～32℃、通氣條件下培養(yǎng)72h，測定活菌數(shù)確定最佳酵母粉含量[12]。

2）以一級種子搖瓶培養(yǎng)基為基本培養(yǎng)基，分別在培養(yǎng)基中加入大豆蛋白粉，使其含量為0，10，20，40 g/L，搖床300 r/min、28～32℃、通氣條件下培養(yǎng)72h，測定活菌數(shù)，確定最佳大豆蛋白粉含量。

2.5 發(fā)酵后期調(diào)控

以前期試驗優(yōu)化的培養(yǎng)基為基礎培養(yǎng)基，通過優(yōu)化發(fā)酵過程，確定最佳的發(fā)酵調(diào)控路線。其中，對照組基礎培養(yǎng)基滅菌前pH調(diào)為7.0，發(fā)酵過程不補料。試驗組1基礎培養(yǎng)基滅菌前pH調(diào)為7.0，發(fā)酵過程連續(xù)流加C源（糖蜜）。試驗組2基礎培養(yǎng)基滅菌前pH調(diào)為7.0，發(fā)酵過程連續(xù)流加C源（糖蜜），用氨水控制pH 7.0。

發(fā)酵過程根據(jù)菌體生長曲線情況取樣，分別測定OD值、活菌濃度，以及對主要抑菌代謝產(chǎn)物[13]進行過程監(jiān)控。通過不同時間的取樣結(jié)果確定發(fā)酵過程各指標的變化趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 保存條件對菌種活化的影響

對不同的甘油濃度和保存溫度組合條件下的菌種進行活化培養(yǎng)試驗，結(jié)果如圖1所示，相對于15%的甘油，30%甘油能更好地保護菌種在低溫下的存活，提高菌種復蘇后的生長速度，菌落直徑和發(fā)酵后的菌體濃度明顯提高；相對-20℃的溫度，-64℃溫度能極大地降低細胞代謝，提高菌種活力。因而最佳的保存條件為30%甘油為保護劑，-64℃保存。

3.2 培養(yǎng)基及活化方式對菌種活化的影響

以圖1中最優(yōu)的保存條件（30%甘油，-64℃）下的菌種，在不同培養(yǎng)基（NA和PDA）經(jīng)過不同活化時間，實驗結(jié)果如圖2所示。PDA培養(yǎng)基活化效果更好，經(jīng)過一次48 h活化和24 h二次活化后，菌落直徑和培養(yǎng)后的菌體濃度明顯提高，更利于后期的發(fā)酵放大。

3.3 種子生長曲線和最佳轉(zhuǎn)種時間

處于對數(shù)期的菌種進行工業(yè)發(fā)酵接種具有產(chǎn)品一致性好、發(fā)酵周期短、節(jié)約成本等優(yōu)點，通過測定解淀粉芽孢桿菌的種子生長曲線（如圖3所示），初步確定種子培養(yǎng)時間為17～18h。

3.4 不同氮源對解淀粉芽孢桿菌生長的影響

3.4.1 酵母粉濃度篩選

通過對比試驗不同濃度酵母粉，確定當酵母粉濃度達到25g/L時，發(fā)酵單位最佳，為1.8×1010CFU/mL（結(jié)果如圖4所示）。但與酵母粉濃度20g/L時相比，差異不大，考慮發(fā)酵成本選擇添加酵母粉濃度20g/L。

圖1 不同甘油濃度、溫度組合的菌落直徑和活菌濃度

圖2 不同培養(yǎng)基、活化時間組合的菌落直徑、活菌濃度

圖3 種子生長曲線

3.4.2 大豆蛋白粉濃度篩選

在確定酵母粉添加量為20g/L的基礎上，通過添加不同濃度大豆蛋白粉，確定當大豆蛋白粉濃度達到40g/L時，發(fā)酵單位最高（如圖5所示）。并且當大豆蛋白粉添加量大于40g/L時，由于發(fā)酵氣泡嚴重，實驗無法繼續(xù)。因此，大豆蛋白粉的最佳添加量為40g/L。

3.4.3 發(fā)酵調(diào)控優(yōu)化

圖4 不同酵母粉濃度下的活菌數(shù)

圖5 不同大豆蛋白粉濃度下的活菌數(shù)

在上述試驗基礎上，根據(jù)前期發(fā)酵摸索，確定在實驗室100L發(fā)酵實驗罐上設定最佳參數(shù)：接種量為0.3%，裝液量為50 L，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，發(fā)酵溫度為（30±0.2）℃，運行罐壓：0.04～0.06MPa，空氣流量為1 vvm，滅菌前使用液體NaOH將培養(yǎng)基pH調(diào)至7.0±0.2，發(fā)酵周期為發(fā)酵72h下罐，過程取樣檢測。

對照組（未進行補料及pH調(diào)整）：發(fā)酵水平最低，活菌數(shù)為4.5×1012CFU/mL。

試驗組1（過程補料，但未對pH調(diào)整）：活菌數(shù)為8.3×1013CFU/mL。

試驗組2（過程補料，流加氨水將pH控制在7.0±0.2）：發(fā)酵單位最高，活菌數(shù)為4.0×1014CFU/mL。

通過上述發(fā)酵調(diào)控過程，結(jié)果顯示在酵母粉20g/L、大豆蛋白粉40g/L，過程補料、流加氨水將pH控制在7.0±0.2，發(fā)酵水平是對照組的100倍，初步判斷氨水作為調(diào)節(jié)pH的同時起到補充氮源的作用（見圖6）。

圖6 不同發(fā)酵控制下的活菌濃度

4 結(jié)束語

已有研究表明，低溫條件和甘油保護劑有利于菌種保存，-20℃不能完全抑制細胞代謝，但-80℃和液氮低溫環(huán)境不利于工業(yè)發(fā)酵過程中的周期性保存復蘇，因而工業(yè)菌種保存采用-64℃更好。

培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)成分對芽孢桿菌發(fā)酵具有重要影響，如金敏等[14]發(fā)現(xiàn)地衣芽孢桿菌最佳碳源為蔗糖，氮源為明膠。舒丹等[15]發(fā)現(xiàn)一株芽孢桿菌最佳發(fā)酵溫度高達50℃。本實驗菌株最佳發(fā)酵氮源為酵母粉和大豆蛋白粉。由于發(fā)酵氣泡的限制，高濃度的大豆蛋白粉的效果并不好，但發(fā)現(xiàn)菌株的生長量與氮源的添加量成正相關。在發(fā)酵調(diào)控方面，研究表明氨水的添加可給解淀粉芽孢桿菌1841菌株最適pH，同時起到了緩慢添加氮源的作用，使其調(diào)控朝著高密度發(fā)酵的方向進行。

本研究只是在100L發(fā)酵實驗罐條件下開展解淀粉芽孢桿菌1841的發(fā)酵調(diào)控進行的優(yōu)化，還需在后續(xù)的中試環(huán)節(jié)驗證完善、優(yōu)化發(fā)酵控制，同時在培養(yǎng)基篩選方面還需考察無機鹽、消泡劑等對發(fā)酵的影響，以獲得合適的發(fā)酵工藝，在實際的發(fā)酵工業(yè)化放大、生產(chǎn)過程中對發(fā)酵條件、補料物質(zhì)的篩選、補料方式等有待更加深入的研究。以達到降低阻遏發(fā)生，提高菌體生物量。

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（編輯：莫婕）

Optim ization of high-density fermentation for Bacillus amyloliquefaciens

WANG Tao1，2，LIU Jian1，ZUO Jianying2，ZHANG Jun2，HOU Yongchun2，GONG Xiao2，SUN Qun1
（1.College of Life Sciences，Sichuan University，Chengdu 610064，China；2.Sichuan Lomon Bio Technology Co.，Ltd.，Meishan 620036，China）

This study explored the high-density fermentation conditions of Bacillus amyloliquefaciens 1841 by using colony diameter and culturing concentration as index.The optimal strain persevation conditions were using 30%glycerol as protective agent stored at-64℃.The optimal strain activation was on the PDA medium with the first activation for 48 hours followed by the second for 24 hours.By taking into accounting of fermentation cost and the product concentration，the culture after 17-18 hours of seed fermentation was transferred to the fermentation tank of the optimal industrial fermentation medium，in which 20 g/L yeast and 40 g/L soy protein powder were added into the basic medium.By feeding ammonia water to maintain pH at 7.0±0.2 in the late fermentation stage and fermentation time extended to 72 hours，high-density fermentation could be achieved in the 100 L fermentation tank with cells>1×1014CFU/mL，more than 100 times of the conventional fermentation.

Bacillus amyloliquefaciens；preservation；activation；high-density fermentation

A

1674-5124（2017）05-0049-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.011

2017-03-04；

2017-04-20

科技部國際合作專項（2015DFR31060）

王濤（1980-），男，江蘇徐州市人，高級工程師，主要從事生物源農(nóng)藥領域的原料藥工藝技術開發(fā)研究。