高榮偉,周景文,徐國(guó)強(qiáng),2*
1 (江南大學(xué),工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122) 2 (江南大學(xué),糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214122)
硬葡聚糖(scleroglucan)作為一種微生物多糖,以其良好的溶解性、假塑性、增稠性和穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[1]、石油工業(yè)[2]和化妝品工業(yè)[3]。目前硬葡聚糖的合成主要是通過微生物發(fā)酵的方式[4],微生物發(fā)酵具有易控制、產(chǎn)品便于提取[5]和精制、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[6],但也存在底物利用率偏低、收率低和生產(chǎn)成本過高等問題[7],制約了硬葡聚糖在更廣泛行業(yè)的應(yīng)用。由于硬葡聚糖和副產(chǎn)物草酸的具體合成途徑尚不明確,很難通過基因改造等手段來增加多糖產(chǎn)量,降低副產(chǎn)物合成,所以目前更多的研究在降低發(fā)酵生產(chǎn)成本和不斷改進(jìn)硬葡聚糖生產(chǎn)工藝方面。KANG[8]等人通過改變通氣提高硬葡聚糖產(chǎn)量,在發(fā)酵前96 h將通氣量設(shè)定為0.75 vvm生產(chǎn)菌體,96 h后以0.4 vvm產(chǎn)多糖,發(fā)酵225 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到最大值10.2 g/L,比0.4 vvm提高了30%。WANG[9]等人研究了發(fā)酵過程中的pH值調(diào)控策略,確定了發(fā)酵前96 h將pH值控制在3.5來增加生物量,96 h后將pH值控制在4.5來生產(chǎn)多糖的調(diào)控策略,發(fā)酵175 h硬葡聚糖達(dá)到15.0 g/L,比pH值控制在4.5提高了10%。WANG[10]等人研究了溫度對(duì)硬葡聚糖生產(chǎn)的影響,確定了硬葡聚糖生產(chǎn)的最適溫度為28 ℃,發(fā)酵196 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到11.0 g/L,不過此溫度下草酸產(chǎn)量較高,達(dá)到3.6 g/L。FARINA[11]等人探究了硝酸鹽和銨鹽作為硬葡聚糖生產(chǎn)氮源對(duì)菌體生長(zhǎng)和多糖生產(chǎn)的影響,以150 g/L蔗糖和硝酸鹽為碳氮源時(shí),生物量和硬葡聚糖產(chǎn)量較高,硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到26.0 g/L是以20 g/L蔗糖為碳源的4倍,底物利用率為17%。SURVASE[12]等人利用椰子水、甘蔗糖蜜和甘蔗汁等復(fù)合培養(yǎng)基進(jìn)行深層發(fā)酵,其中甘蔗汁獲得最高多糖產(chǎn)量23.87 g/L,椰子水和甘蔗糖蜜分別獲得多糖12.58 g/L和18.45 g/L產(chǎn)量。目前關(guān)于硬葡聚糖的研究主要通過發(fā)酵原料(碳源、氮源、磷酸鹽等)和發(fā)酵條件(通氣、pH、溶氧、攪拌等)的改進(jìn)來提高硬葡聚糖產(chǎn)量,獲得了較好的結(jié)果,但是也存在一些問題,像生產(chǎn)成本高、底物利用率低等。
以小核菌株(SclerotiumrolfsiiWSH-G01)為研究菌株,在3 L發(fā)酵罐水平上確定了最佳攪拌轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上,研究不同補(bǔ)料方式對(duì)多糖產(chǎn)量的影響,確定了最適的補(bǔ)料方式為恒速流加補(bǔ)料,在此條件下能夠維持多糖生產(chǎn)所需要的較高的滲透壓條件,獲得較高生物量和硬葡聚糖產(chǎn)量,有效地提高了硬葡聚糖產(chǎn)量和生產(chǎn)強(qiáng)度,且底物利用率也進(jìn)一步提高,降低了生產(chǎn)成本,為微生物發(fā)酵產(chǎn)硬葡聚糖的進(jìn)一步放大培養(yǎng)提供了新的思路。
菌株:本實(shí)驗(yàn)室保藏的小核菌株(SclerotiumrolfsiiWSH-G01)。
種子培養(yǎng)基[13](g/L):葡萄糖30.0;KH2PO41.0;NaNO33.0;酵母浸粉1.0;KCl 0.5;MgSO40.25; pH 4.0。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖75.0;KH2PO41.0;NaNO33.0;酵母浸粉1.0;KCl 0.5;檸檬酸1.5;MgSO40.25 ; pH 4.0。
以上培養(yǎng)基115 ℃滅菌20 min。
3 L發(fā)酵罐,上海保興生物有限公司;XWY-240恒溫?fù)u床,上海智誠(chéng)儀器有限公司;臺(tái)式高速離心機(jī),德國(guó)eppendorf公司;高效液相色譜,美國(guó)Waters公司;恒溫水浴鍋,上海醫(yī)療器械研究所;高壓滅菌鍋,無錫醫(yī)療器械廠;葡萄糖/乳糖測(cè)定儀,深圳西爾曼科技有限公司。
1.3.1 培養(yǎng)方法
搖瓶培養(yǎng):將活化后的種子接種到裝液量為100 mL的500 mL搖瓶中,28℃下220 r/min培養(yǎng)48 h。
發(fā)酵罐培養(yǎng):以5%的接種量將培養(yǎng)好的種子液轉(zhuǎn)接到3 L發(fā)酵罐中,裝液量1.5 L,攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min,通氣量1 vvm,30 ℃下培養(yǎng)[14]。
1.3.2 分析方法
殘?zhí)菧y(cè)定方法[15]:取發(fā)酵液1 mL,10 000 r/min離心5 min,取上清稀釋一定倍數(shù),用葡萄糖/乳糖測(cè)定儀測(cè)定葡萄糖剩余量。
發(fā)酵液蛋白去除[16]:蛋白質(zhì)在氯仿等有機(jī)溶劑中變性,將氯仿按多糖水溶液1/5體積加入,再加入氯仿體積1/5的正丁醇,劇烈振搖20 min,離心,分去水層和有機(jī)溶劑層交界處的變性蛋白,重復(fù)3次以上。
粗多糖的提取和生物量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[17],草酸檢測(cè)條件參照文獻(xiàn)[18]。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):生物量、殘?zhí)呛投嗵钱a(chǎn)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔8 h取發(fā)酵罐發(fā)酵液進(jìn)行測(cè)定,用Excel軟件計(jì)算3次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到平均值和方差;pH值利用pH電極實(shí)時(shí)檢測(cè),每8 h記錄1次。
發(fā)酵過程中的溶氧情況是影響菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成的重要因素,而改變?nèi)苎鯛顟B(tài)的一個(gè)重要方式就是改變攪拌速度,攪拌轉(zhuǎn)速的改變可以使罐體維持真菌產(chǎn)糖所需的溶氧量且適宜的攪拌轉(zhuǎn)速可以縮短發(fā)酵周期,但是高攪拌轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的高剪切力也會(huì)影響菌體的生長(zhǎng)。在生產(chǎn)硬葡聚糖的研究中發(fā)現(xiàn)氧限制會(huì)降低副產(chǎn)物草酸的產(chǎn)量,因?yàn)椴菟岷铣擅冈趨捬鯒l件下被抑制,所以較低的氧氣供應(yīng)有利于多糖的生產(chǎn)[19]。在前期分批發(fā)酵確定了最適葡萄糖濃度為75 g/L,最適通氣量為1 vvm的基礎(chǔ)上進(jìn)行了攪拌速度優(yōu)化,在3 L罐上采用不同攪拌速度(200、400、600 r/min)研究其對(duì)小核菌合成硬葡聚糖的影響。
發(fā)酵結(jié)果如圖1所示,在不同轉(zhuǎn)速下,菌體生長(zhǎng)和硬葡聚糖合成表現(xiàn)出明顯的差異。
A-200 r/min; B-400 r/min; C-600 r/minΔ-pH;?-草酸; ○-殘?zhí)? ■-硬葡聚糖; ●-干重圖1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵的影響Fig.1 The effect of stirring speed on fermentation
較低轉(zhuǎn)速更利于多糖的合成和菌體生長(zhǎng),而且副產(chǎn)物草酸的合成受到抑制。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí),葡萄糖消耗、菌體生長(zhǎng)和多糖合成明顯受到抑制。在轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)發(fā)酵56 h硬葡聚糖達(dá)到最高值15.24 g/L,葡萄糖消耗量為38 g/L,細(xì)胞干重為9.96 g/L,由于高轉(zhuǎn)速引起的高剪切力抑制菌體的生長(zhǎng),導(dǎo)致多糖產(chǎn)量不高。攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí),發(fā)酵64 h多糖產(chǎn)量達(dá)到最大值16.24 g/L,細(xì)胞干重為11.62 g/L,葡萄糖消耗量為40 g/L,過低的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致發(fā)酵過程中氧氣不足,從而降低了產(chǎn)物合成速率,生產(chǎn)周期增加;相比之下,400 r/min時(shí),葡萄糖消耗、菌體生長(zhǎng)和多糖合成效果相對(duì)較好。發(fā)酵56 h葡萄糖消耗量為45 g/L,細(xì)胞干重為11.64 g/L,多糖產(chǎn)量為18.48 g/L,較200 r/min和600 r/min分別提高了14%和21%。生產(chǎn)強(qiáng)度為0.33 g/(L·h),較200 r/min[0.25 g/(L·h)]和600 r/min[0.27 g/(L·h)]分別提高了32%和22%。底物利用率為24.6%,較200 r/min和600 r/min硬葡聚糖產(chǎn)量分別提高了13%和21%。攪拌速度越小罐體溶氧越低副產(chǎn)物草酸產(chǎn)量越小,200 r/min草酸最高產(chǎn)量為1.96 g/L,400 r/min草酸最高產(chǎn)量2.3 g/L,600 r/min草酸最高產(chǎn)量為3.6 g/L。前期研究中發(fā)現(xiàn)高硬葡聚糖水平存在于細(xì)胞合成替代能源的過程,硬葡聚糖合成的調(diào)控是在缺氧或壓力下激發(fā)的[21],所以硬葡聚糖的合成不需要高溶氧條件并且副產(chǎn)物草酸在低氧條件下的合成受到抑制。但是過低的攪拌轉(zhuǎn)速條件下細(xì)胞溶氧嚴(yán)重不足,影響菌體生長(zhǎng)。因此確定分批發(fā)酵的攪拌轉(zhuǎn)速為400 r/min。
2.2.1 一次性補(bǔ)料時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響
前期研究發(fā)現(xiàn)真菌多糖的最高產(chǎn)量不是在對(duì)數(shù)后期就是在穩(wěn)定增長(zhǎng)階段[20],所以補(bǔ)料時(shí)間的確定非常重要。從3 L發(fā)酵罐上硬葡聚糖分批發(fā)酵結(jié)果來看,發(fā)酵0~32 h是生長(zhǎng)適應(yīng)期,菌體干重增加緩慢,葡萄糖消耗量較??;發(fā)酵32~56 h是生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期,菌體干重增加較快,葡萄糖消耗較大;發(fā)酵56 h以后為生長(zhǎng)穩(wěn)定期,菌體干重增加變緩,葡萄糖消耗量較小。在發(fā)酵過程中32~56 h葡萄糖消耗速率最快,發(fā)酵至56 h消耗大約40 g/L,后期葡萄糖消耗減少,多糖由于β-1,3葡聚糖酶的作用下分解導(dǎo)致產(chǎn)量降低。為探究葡萄糖補(bǔ)料對(duì)多糖產(chǎn)量的影響,在初始葡萄糖濃度為75 g/L,通氣量為1 vvm,攪拌轉(zhuǎn)速為400 r/min條件下分別選擇發(fā)酵32、40、48 h時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料,一次性補(bǔ)入葡萄糖30 g/L。
結(jié)果如圖2 所示,隨著補(bǔ)料時(shí)間的推后,底物消耗、菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成存在較大的差異。
A-32 h; B-40 h;C-48 hΔ-pH;?-草酸; ○-殘?zhí)? ■-硬葡聚糖; ●-干重圖2 一次性補(bǔ)料中葡萄糖添加時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響Fig.2 The effect of glucose addition time on fermentation inOne-time Feeding
總體來看,硬葡聚糖產(chǎn)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這是由于后期多糖水解酶的水解作用,將硬葡聚糖分解為小分子多糖[21];細(xì)胞干重呈現(xiàn)一直增長(zhǎng)的趨勢(shì),先快速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)。補(bǔ)料時(shí)間過早培養(yǎng)基中碳源濃度較高,利于草酸代謝途徑合成草酸[22],草酸產(chǎn)量大幅度增加,嚴(yán)重影響了硬葡聚糖的合成。補(bǔ)料時(shí)間為32 h,發(fā)酵72 h硬葡聚糖達(dá)到最高產(chǎn)量23.02 g/L,葡萄糖消耗量為62 g/L,細(xì)胞干重為16.36 g/L,草酸產(chǎn)量達(dá)到3.38 g/L。過晚的加入葡萄糖錯(cuò)過多糖合成的最佳時(shí)期,多糖產(chǎn)量較低且發(fā)酵周期延長(zhǎng),底物利用率降低。補(bǔ)料時(shí)間為48 h時(shí),發(fā)酵80 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到24.87 g/L,葡萄糖消耗量為65 g/L,細(xì)胞干重為17.0 g/L,草酸產(chǎn)量為2.8 g/L。相比較而言,在40 h一次性補(bǔ)料達(dá)到了較好的發(fā)酵效果,發(fā)酵72 h時(shí)硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到最大值25.66 g/L,比32 h和48 h一次性補(bǔ)料分別提高了11%和9%;生物量達(dá)到19.32 g/L,比32 h和48 h一次性補(bǔ)料分別提高了18%和20%;生產(chǎn)強(qiáng)度為0.35 g/L/h,比32 h和48 h一次性補(bǔ)料分別提高了9%和6%,草酸產(chǎn)量為2.3 g/L均低于其他2種條件。前期分批實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明硬葡聚糖的大量合成在細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)數(shù)后期約為40~56 h,過早的加入葡萄糖促進(jìn)了草酸代謝途徑合成,不利于多糖的合成;在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期加入葡萄糖,錯(cuò)過了菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的最佳時(shí)期,也不適合多糖的生產(chǎn)。因此確定一次性補(bǔ)料時(shí)間為40 h。
2.2.2 不同葡萄糖添加量對(duì)發(fā)酵的影響
硬葡聚糖的合成受環(huán)境滲透壓的影響,葡萄糖的添加能提高發(fā)酵環(huán)境滲透壓從而提高硬葡聚糖的產(chǎn)量,添加適量葡萄糖來控制合適的滲透壓環(huán)境對(duì)硬葡聚糖的生產(chǎn)具有重要的意義。依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)酵40 h進(jìn)行補(bǔ)料,探究一次性補(bǔ)料葡萄糖添加量對(duì)發(fā)酵的影響,分別向發(fā)酵罐中一次性補(bǔ)入20、30、40 g/L葡萄糖。
結(jié)果如圖3所示,多糖產(chǎn)量和菌體生長(zhǎng)隨葡萄糖添加量的增加而增加,葡萄糖的大量添加為菌體營(yíng)造了高壓環(huán)境,促使菌體為自我保護(hù)而消耗葡萄糖來合成多糖[22]。
A-20 g/L;B-30 g/L;C-40 g/LΔ-pH;?-草酸; ○-殘?zhí)? ■-硬葡聚糖; ●-干重圖3 不同葡萄糖添加量對(duì)發(fā)酵的影響Fig.3 The effect of different glucose additions on fermentation
添加20 g/L時(shí),發(fā)酵72 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到23.87 g/L,葡萄糖消耗量為50 g/L,細(xì)胞干重為15.25 g/L,底物利用率25%;30 g/L時(shí),72 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到25.31 g/L,葡萄糖消耗量為52 g/L,細(xì)胞干重17.36 g/L,底物利用率24%;40 g/L發(fā)酵72 h硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到26.31 g/L,葡萄糖消耗量為50 g/L,細(xì)胞干重18.52 g/L,底物利用率23%。40 g/L時(shí)多糖產(chǎn)量較20 g/L和30 g/L分別提高了6%和4%;生物量達(dá)到18.52 g/L,較20 g/L和30 g/L分別提高了21%和7%;生產(chǎn)強(qiáng)度為0.37,較20 g/L和30 g/L分別提高了12%和6%。30 g/L時(shí)草酸產(chǎn)量是最高的,達(dá)到2.14 g/L比20 g/L和40 g/L分別提高了19%和42%,說明草酸的產(chǎn)量隨葡萄糖的增加而增加當(dāng)葡萄糖增大的一定濃度時(shí)草酸的產(chǎn)生反而被抑制,可以采用改變滲透壓降低副產(chǎn)物生成。底物利用率隨葡萄糖的添加而降低,40 g/L時(shí)最低。3種條件下底物消耗量相差不大,推測(cè)在高滲透壓環(huán)境下,硬葡聚糖合成效率更高。前期研究在以50或75 g/L蔗糖為碳源的培養(yǎng)基中添加NaCl或KCl來模擬150 g/L蔗糖為碳源的滲透壓條件,比僅以75 g/L蔗糖為碳源多糖產(chǎn)量提高了約50%[23]。因此后期研究中可以通過添加NaCl等來提高環(huán)境滲透壓從而降低生產(chǎn)成本。30 g/L產(chǎn)量并沒有40 g/L高,但是底物利用率偏高一些,生產(chǎn)成本也相對(duì)較低。因此添加量選擇30 g/L。從以上結(jié)果可知通過葡萄糖的添加,培養(yǎng)環(huán)境達(dá)到較高的滲透壓水平,多糖產(chǎn)量和細(xì)胞干重有所提升。但是大量葡萄糖的添加沒有被菌體很好地利用,底物利用率較低,需要探索其他的補(bǔ)料方式來以比較溫和的葡萄糖添加方式提高多糖產(chǎn)量。
一次性補(bǔ)料優(yōu)化對(duì)硬葡聚糖生產(chǎn)確實(shí)有效果,但是葡萄糖的大量添加使得菌體置于高濃度的葡萄糖中,需要一段時(shí)間的適應(yīng),硬葡聚糖產(chǎn)量并沒有很大的提升,反而底物利用率降低。為克服葡萄糖的大量添加造成的葡萄糖濃度過高對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響,采用恒速流加補(bǔ)料的方式來控制葡萄糖的添加量,以達(dá)到提高硬葡聚糖產(chǎn)量的效果。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了葡萄糖的補(bǔ)料開始時(shí)間為發(fā)酵40 h,持續(xù)補(bǔ)料時(shí)間32 h。以葡萄糖總濃度為(200、300、400 g/L)流加速度分別為[12、9、6 g/(L·h)]來研究恒速流加補(bǔ)料對(duì)多糖產(chǎn)量的影響。
結(jié)果如圖5所示,采用恒速流加方式細(xì)胞沒有出現(xiàn)不適應(yīng)的現(xiàn)象,葡萄糖消耗和菌體生長(zhǎng)迅速,在32 h硬葡聚糖就進(jìn)入快速合成階段。葡萄糖總濃度越大,菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成和葡萄糖消耗效果越好。葡萄糖總濃度為400 g/L時(shí),發(fā)酵72 h時(shí)硬葡聚糖產(chǎn)量達(dá)到最大值32.62 g/L,較200 g/L和300 g/L分別提高了8%和5%;生物量達(dá)到22.36 g/L,較200 g/L和300 g/L分別提高了17%和4%;生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)到0.45 g/(L·h),較200 g/L和300 g/L分別提高了7%和5%;底物利用率為28%,相比較于以150 g/L蔗糖生產(chǎn)硬葡聚糖的底物利用率17%[11],提高了65%;副產(chǎn)物草酸隨葡萄糖總濃度的增加而增加,研究表明草酸形成的有利條件為較高的碳水化合物濃度和充足的氧氣的條件下[24],而且副產(chǎn)物草酸和細(xì)胞干重呈正相關(guān),都呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明恒速流加補(bǔ)料能克服葡萄糖的大量添加對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響,葡萄糖消耗量大幅度增加,生物量提高明顯,硬葡聚糖產(chǎn)量有很大的提升。恒速流加補(bǔ)料在一定程度上提高了硬葡聚糖生產(chǎn)所需要的高滲透壓環(huán)境,刺激了多糖合成。
A-200 g/L;B-300 g/L;C-400 g/LΔ-pH;?-草酸; ○-殘?zhí)? ■-硬葡聚糖; ●-干重圖4 不同恒速流加補(bǔ)料速度對(duì)發(fā)酵的影響Fig.4 Effects of different constant speed and feeding rateson fermentation
為了提高齊整小核菌(SclerotiumrolfsiiWSH-G01)利用葡萄糖高效生產(chǎn)硬葡聚糖,在確定了最佳攪拌轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上,研究了2種不同補(bǔ)料控制策略對(duì)硬葡聚糖產(chǎn)量的影響,確定了攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min,發(fā)酵40 h開始補(bǔ)料,以葡萄糖總濃度為400 g/L,流加速度6 g/(L·h)持續(xù)補(bǔ)料32 h的補(bǔ)料策略,獲得硬葡聚糖產(chǎn)量32.62 g/L,比一次性補(bǔ)料提高了15%;生產(chǎn)強(qiáng)度0.45 g/(L·h),提高了16%;底物利用率28.4%,高于一次性補(bǔ)料策略,較分批發(fā)酵提高了15.5%。硬葡聚糖的生產(chǎn)適宜在較低溶氧的環(huán)境條件下,因此采用較低攪拌轉(zhuǎn)速來維持環(huán)境中氧氣濃度。高滲透壓能刺激多糖合成并且抑制草酸代謝,相比較于一次性補(bǔ)料恒速流加補(bǔ)料產(chǎn)糖效果更好。既能維持較高濃度的滲透壓來促使菌體消耗葡萄糖產(chǎn)多糖,又能克服葡萄糖的一次性大量添加對(duì)菌體生長(zhǎng)的抑制作用,底物利用率也有所提高達(dá)到28%,達(dá)到較好的發(fā)酵效果。但硬葡聚糖生產(chǎn)過程中還存在后期生成的β-1,3葡聚糖酶水解硬葡聚糖降低產(chǎn)量和底物利用率降低等問題,在以后的研究中將主要以這兩個(gè)方向?yàn)橹攸c(diǎn)方向。