高產脂肪酶菌株的篩選鑒定及產酶條件優(yōu)化

劉延波，邢星月，趙志軍，劉 寧，潘春梅，孫西玉，3*

（1.河南牧業(yè)經濟學院 食品與生物工程學院（酒業(yè)學院），河南 鄭州 450046；

2.河南牧業(yè)經濟學院 河南省白酒風格工程技術研究中心，河南 鄭州 450046；

3.河南張弓老酒酒業(yè)有限公司，河南 寧陵 476733）

河南的張弓老酒是北方濃香型“黃淮酒”的代表之一，以濃香、味醇而聞名；其風格既有北方濃香型白酒醇厚豐滿、綿柔爽凈的共性，也有低度酒獨特的低而不淡，高度酒高而不暴的特性[1]。大曲是大曲酒生產釀造所需的重要物質，是釀酒生產過程中的糖化、發(fā)酵、酒化和生香劑[2]。大曲酶系主要由糖化酶、液化酶、脂肪酶等組成，釀酒的出酒率和成品酒的質量與這些酶系有著很大的關系[3-4]。

脂肪酶是一類酰基水解酶，主要水解甘油和不同長度的脂肪酸形成的甘油三酯，生成脂肪酸、甘油和甘油單酯[5]。脂肪酶在白酒制曲和發(fā)酵期間，可以水解原料中所含的脂肪，使淀粉充分接觸酵母，促進發(fā)酵代謝進程；同時產生有機酸和甘油，有機酸可使酒出現(xiàn)甜味和回甜感，甘油可以增加白酒的醇和度；脂肪酶同時還可以催化有機酸與大量存在的乙醇生成乙酸乙酯、己酸乙酯等酯類香味物質[6]，提高白酒中酯類香味物質的含量，明顯提高優(yōu)質酒品率[7]。

關于脂肪酶的研究大部分研究是從富含油脂的土壤或污水中篩選出高產脂肪酶的菌株[8]，而從白酒大曲中篩選高產脂肪酶菌株的研究較少，且較少涉及產酶條件優(yōu)化。本研究從張弓老酒大曲中分離篩選出產脂肪酶活力較高的菌株，并對其產酶條件進行優(yōu)化，為提高白酒出酒率和改善白酒品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品：張弓老酒大曲。

篩選培養(yǎng)基[9]：添加1%的三丁酸甘油酯和0.05%的羅丹明B（篩選培養(yǎng)基于121℃滅菌30 min）的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基。

液體種子培養(yǎng)基[9]：營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基。

搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基[10]：酵母膏0.5%，（NH4）2SO40.5%，KH2PO40.2%，NaCl 0.3%，MgSO4·7H2O 0.05%，橄欖油2%（V/V），pH7.0。

羅丹明B（分析純）、三丁酸甘油酯（分析純）：合肥博美生物科技有限責任公司；柱式細菌基因組脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）抽提試劑盒：天根生化科技有限公司；其余試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

LQZ-211恒溫培養(yǎng)搖床：上海知楚儀器有限公司；DNP-9272BS-Ⅲ電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；LDZX-50KBS立式高壓滅菌器：上海申安醫(yī)療機械廠；HH-6數顯恒溫水浴鍋：方科儀器（常州）有限公司；SW-CJ-2F型雙人雙面凈化工作臺：蘇州凈化設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脂肪酶產生菌的分離

無菌條件下稱取5 g樣品放入盛有45 mL無菌水的三角瓶（瓶內預置適當數量的玻璃珠）放入搖床，室溫條件下180 r/min振蕩打散30 min后取出靜置30 min[11]，制成1∶10的均勻稀釋液。吸取1 mL菌懸液，注入含有9 mL無菌水的試管內，振搖試管20 s使管內溶液混勻，制成1∶100的稀釋液，同樣方法配制成稀釋度為10-3、10-4、10-5、10-6菌懸液。各取0.1 mL涂布于篩選培養(yǎng)基平板上，倒置，于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24～48 h[9]。觀察菌落周圍有無透明圈出現(xiàn)，將有透明圈產生的菌落挑出并純化至純種，于4℃冰箱斜面保存。

1.3.2脂肪酶產生菌的篩選

（1）脂肪酶產生菌的初篩

將斜面上的菌株接種于篩選培養(yǎng)基平板上，37℃培養(yǎng)24～72 h。記錄產透明圈的菌株，通過比較透明圈直徑（D）和菌落直徑（d）的比值，初步判斷產酶活力大小[12]。

（2）脂肪酶產生菌的復篩

挑取培養(yǎng)成熟的菌種于液體種子培養(yǎng)基中，37℃、150 r/min條件下振蕩培養(yǎng)12 h，按2%（V/V）的接種量接入搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基中繼續(xù)振蕩培養(yǎng)24 h。取一定量的發(fā)酵液到離心管中，4℃、8 000 r/min條件下離心10 min，離心后取上清液即為粗酶液進行酶活測定[13]，進一步確定高產菌株。

（3）脂肪酶活力測定

將培養(yǎng)24 h的菌液依據GB/T 23535—2009《脂肪酶制劑》進行測定：將40 g/L的聚乙烯醇溶液與橄欖油以3∶1（V/V）混合，超聲處理6 min[14]，制成乳白色的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）乳化液，即為底物溶液。取該底物溶液4 mL，磷酸緩沖鹽溶液5 mL，構成反應體系，于40℃水浴中預熱5 min后加入1 mL粗酶液，立即混勻計時，繼續(xù)保溫反應15 min后，加入15 mL體積分數為95%的乙醇終止反應?？瞻讓φ談t在加入15 mL 95%乙醇后進行預熱處理，然后加入粗酶液反應15 min。之后采用0.05 mol/L的NaOH標準溶液分別滴定酶作用后的底物溶液和空白對照，根據消耗的堿量計算其酶活力。

脂肪酶酶活單位定義為：在pH7.5，40℃條件下，每分鐘產生1 μmol可滴定脂肪酸所需的酶量為1個酶活力單位（U/mL）。

1.3.3 產脂肪酶菌株的鑒定

（1）菌落形態(tài)與生理生化特征

對篩選的菌株進行形態(tài)學觀察和革蘭氏染色，進行初步鑒定，生理生化試驗參照文獻[15]進行。

（2）菌株的分子生物學鑒定

16S rDNA序列分析[16]：采用細菌基因組DNA提取試劑盒（TIANGEN）提取分離菌株的DNA作為聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）的模板。采用通用引物27F（5′-AGAGTTTCATCTGGCTCAG-3′）和1492R（5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′）擴增細菌基因組DNA中的16S rDNA基因。PCR擴增體系：5 μL 10×buffer、4 μL脫氧核糖核苷三磷酸（deoxy-ribonucleoside triphosphate，dNTP）（2.5 mmol/L）、3 μL模板DNA、0.25 μLTaqDNA聚合酶（5 U/L）、1 μL引物（10 mmol/L），補充無菌超純水至50 μL。PCR擴增條件：95℃預變性10 min；95℃變性45 s，55℃復性45 s，72℃延伸60 s，30個循環(huán)；72℃延伸10 min。PCR過程中陰性對照以去離子水為模板。取3 μL PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測產量和特異性，將PCR產物送至上海生工生物有限公司進行測序，將測序所得到的特定序列，在美國國立生物技術信息中心（national center for biotechnology information，NCBI）上通過BLAST程序進行同源性比較與分析。

1.3.4 產酶條件優(yōu)化[17-19]

（1）單因素試驗

以搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基為基礎，分別考察不同接種量（1%、2%、3%、4%、5%）、不同碳源（蔗糖、葡萄糖、糊精、可溶性淀粉）及碳源含量（1%、2%、3%、4%、5%）、不同氮源（蛋白胨、豆粕粉、酵母浸粉、尿素）及氮源含量（1%、2%、3%、4%、5%）、不同初始pH值（5、6、7、8、9）對脂肪酶活力的影響，每組各做3個平行，菌株在發(fā)酵培養(yǎng)基中于37℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)24 h后將發(fā)酵液以4℃、8 000 r/min離心10 min，取上清液測定脂肪酶活力。

（2）響應面優(yōu)化試驗

在前期單因素試驗的基礎上，選取3個相關影響因素，以酶活力為因變量，利用Design Expert 8.0.6軟件設計Box-Behnken試驗，確定高產脂肪酶菌株的最佳發(fā)酵工藝參數組合并進行驗證試驗[20-24]。

2 結果與分析

2.1 產脂肪酶菌株的分離和篩選

通過羅丹明B平板法從張弓老酒大曲中篩選了266株產脂肪酶的菌株。經過初篩（透明圈與菌落直徑之比≥3.0）得到了12株產脂肪酶能力較好的菌株，進一步檢測其產酶活力，測定結果如表1所示。由表1可知，菌株E-11的酶活最高為12.25 U/mL，后續(xù)試驗將選取產脂肪酶能力最強的菌株E-11為目的菌株。

表1 產脂肪酶菌株篩選結果Table 1 Screening results of lipase-producing strains

2.2 產脂肪酶菌株的鑒定

2.2.1 菌落形態(tài)與生理生化特征

菌株E-11在營養(yǎng)瓊脂平板上37℃培養(yǎng)48 h，E-11菌落呈白色，前期表面光滑，后期表面粗糙有隆起、褶皺，邊緣不整齊，具腥臭味。其細胞形態(tài)見圖1。由圖1可知，細胞呈桿狀，是革蘭氏陽性（G＋）菌。菌株E-11的生理生化特征如表2，根據形態(tài)和生理生化特征，參照《伯杰氏細菌鑒定手冊》[25]可初步確定菌株E-11屬于芽孢桿菌屬（Bacillus）。2.2.2分子生物學鑒定

圖1 菌株E-11的細胞形態(tài)Fig.1 Cell morphology of strain E-11

表2 菌株E-11的生理生化檢測結果Table 2 Physiological and biochemical determination results of strain E-11

以E-11菌株的DNA為模板，PCR擴增菌株的16S rDNA基因，得到的序列堿基長約1490bp。經Blast分析，與GenBank中BacillussubtilisDP12 HQ536001.1的同源性為99%。構建系統(tǒng)發(fā)育樹見圖2。由圖2可知，菌株E-11與枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）聚于一支，親緣關系最近。結合生理生化試驗可確定該菌株為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。

圖2 菌株E-11基于16S rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of strain E-11 based on 16S rDNA sequences

2.3 產酶條件優(yōu)化

2.3.1 產脂肪酶條件優(yōu)化單因素試驗結果

（1）不同接種量對脂肪酶活力的影響

不同接種量對脂肪酶活力的影響見圖3。由圖3可知，接種量＜2%之前，隨著接種量的增加脂肪酶活力不斷升高，接種量為2%時，酶活力最高，達到11.38 U/mL，接種量＞2%之后，隨著接種量的增加，酶活力不斷降低。因此，該菌發(fā)酵培養(yǎng)時最佳接種量為2%。

圖3 不同接種量對脂肪酶活力的影響Fig.3 Effect of different inoculum on lipase activity

（2）不同碳源及最適碳源添加量對脂肪酶活力的影響

不同碳源對脂肪酶活力的影響見圖4。由圖4可知，以葡萄糖為碳源時，酶活力最高，達到12.98 U/mL。表明葡萄糖是最佳碳源。以葡萄糖作為唯一碳源進行發(fā)酵，不同葡萄糖添加量對脂肪酶活力的影響見圖5。由圖5可知，隨著葡萄糖添加量的增加，脂肪酶活力也呈現(xiàn)增加的趨勢。當葡萄糖添加量為3%時，脂肪酶的酶活力達到最高為10.8 U/mL。當葡萄糖添加量繼續(xù)增加時，酶活力呈下降趨勢。因此，發(fā)酵培養(yǎng)時最佳葡萄糖添加量為3%。

圖4 不同碳源對脂肪酶活力的影響Fig.4 Effect of different carbon sources on lipase activity

圖5 不同葡萄糖添加量對脂肪酶活力影響Fig.5 Effect of different glucose concentration on lipase activity

（3）不同氮源及最適氮源添加量對脂肪酶活力的影響

不同氮源對脂肪酶活力的影響見圖6。由圖6可知，以蛋白胨為氮源時，酶活力最高，達到12.34 U/mL。表明蛋白胨是最佳氮源。以蛋白胨作為唯一氮源進行發(fā)酵，不同蛋白胨添加量對脂肪酶活力的影響見圖7。由圖7可知，當蛋白胨添加量為1%～4%時，隨著蛋白胨添加量的增加，脂肪酶活力也呈現(xiàn)增加的趨勢。當蛋白胨添加量為4%時，脂肪酶的酶活力達到最高為13.23 U/mL。當蛋白胨添加量繼續(xù)增加時，酶活力呈下降趨勢。因此，發(fā)酵培養(yǎng)時最佳蛋白胨添加量為4%。

圖6 不同氮源對脂肪酶活力的影響Fig.6 Effect of different nitrogen sources on lipase activity

圖7 不同蛋白胨含量對脂肪酶活力影響Fig.7 Effect of peptone concentration on lipase activity

（4）不同初始pH值對脂肪酶活力的影響

不同初始pH值對脂肪酶活力的影響結果見圖8。由圖8可知，當初始pH值＜8之前，隨著初始pH值逐漸升高，酶活力也呈增長趨勢，當初始pH值為8時，酶活力最高，達到11.60 U/mL，當初始pH值繼續(xù)升高時，酶活力開始下降。表明最佳初始pH值為8。

圖8 不同初始pH值對脂肪酶活力的影響Fig.8 Effect of different initial pH on lipase activity

2.3.2 發(fā)酵條件優(yōu)化響應面試驗結果與分析

（1）Box-Behnken設計與結果

根據Box-Behnken試驗設計原理，設計了17個試驗點的響應面分析試驗，以脂肪酶酶活（Y）作為響應值，選取葡萄糖含量、蛋白胨含量、初始pH值三個具有顯著影響的因素作為自變量，試驗設計與結果見表3。采用Design Expert 8.0.5軟件對表3數據進行多元二次回歸擬合，得到酶活對自變量葡萄糖添加量、蛋白胨添加量、初始pH值的多元回歸方程為：

Y=-449.083 25+19.018 50A+29.095 50B+94.081 00C-0.702 50AB-0.56250AC+0.147 50BC-1.892 25A2-3.432 25B2-5.847 25C2

回歸方程的方差分析結果見表4。由表4可知，葡萄糖添加量、蛋白胨添加量、初始pH值以及這三個因素之間的交互作用都對結果影響不顯著（P＞0.05），A2對結果影響顯著（P＜0.05），B2和C2對結果影響極顯著（P＜0.01），整個模型極顯著，回歸模型F值為9.85，且顯著性檢驗為極顯著（P=0.003 2），失擬項不顯著（P=0.580 9＞0.05），說明該模型與實際情況擬合良好。

表3 Box-Behnken試驗設計與結果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments

表4 響應面試驗結果方差分析Table 4 Variance analysis of response surface methodology

回歸方程決定系數（R2）=0.926 8，表明92.68%的酶活變化可由此模型解釋，與實際情況擬合良好。該方程為菌株E-11發(fā)酵產脂肪酶提供了一個合適的模型，因此可用上述模型代替真實試驗點對脂肪酶發(fā)酵進行分析和預測。

（2）各因素交互作用的響應面圖

利用Design-Expert 8.0.6軟件對二次響應面回歸模型做出相應的響應曲面，結果見圖9。由回歸模型繪制的響應面圖（圖9）所示，回歸模型存在穩(wěn)定點為A=2.662，B=3.692，C=8.505，對應的實際取值為A=3，B=4，C=8。并根據實際操作條件優(yōu)化，得最佳發(fā)酵條件為葡萄糖含量3%，蛋白胨含量4%，初始pH值8，在此條件下理論預測最大酶活為13.62 U/mL，實際值為15.09 U/mL。與預測值基本接近，說明所建模型擬合良好且可靠。3結論

圖9 各因素交互作用對脂肪酶活力影響的響應面和等高線Fig.9 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factors on lipase activity

本研究通過羅丹明B平板法和脂肪酶活力測定從張弓老酒大曲中分離篩選出一株脂肪酶高產菌E-11，經形態(tài)學、生理生化試驗和16S rDNA序列分析，鑒定該菌株為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），通過單因素和響應面法試驗設計對該菌株的產酶條件進行優(yōu)化，優(yōu)化后的最佳產酶條件為：葡萄糖添加量3%，蛋白胨添加量4%，初始pH值為8。本研究將響應面分析法應用到脂肪酶發(fā)酵的優(yōu)化過程中，并且得到了較好的結果。在單因素試驗基礎上，通過響應面Box-Benhnken試驗設計，建立了脂肪酶酶活的二次多項式數學模型。優(yōu)化后的脂肪酶活力達15.09 U/mL，是優(yōu)化前產酶能力的1.2倍。并對該優(yōu)化條件進行了試驗驗證，與響應面試驗結果相符，說明該模型穩(wěn)定可行，且此方法具有實用性強、操作簡單的特點。本研究首次從張弓老酒大曲中分離得到產脂肪酶較高的枯草芽孢桿菌，為提高脂肪酶產量進而增香酒品提供了理論依據。