裴芳藝,薛 迪,馬巖石,劉宇超,劉得水,李 慧,劉 韓
(齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院 科研處,黑龍江 齊齊哈爾 161000)
酵母胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)是酵母在生長代謝過程中產(chǎn)生并分泌到細(xì)胞外的長鏈、高分子聚合物[1-2]。相比酵母發(fā)酵生成的胞內(nèi)多糖和胞壁多糖而言,合成的EPS更易與菌體分離,能通過深層發(fā)酵實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),且具有生產(chǎn)周期短、不受季節(jié)氣候影響等優(yōu)點[3]。酵母EPS可作為凝固劑、乳化劑和抗氧化劑等被廣泛應(yīng)用于食品、化工、制藥等多種領(lǐng)域,具有較強(qiáng)的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景[4-5]。但目前的研究顯示,酵母EPS產(chǎn)量不高,不能達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的要求,因此提高酵母EPS的產(chǎn)量是目前急需解決的問題[6-7]。
微生物發(fā)酵產(chǎn)EPS不僅受自身性質(zhì)影響,而且發(fā)酵培養(yǎng)條件(如培養(yǎng)應(yīng)溫度、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)基初始pH值)也對微生物產(chǎn)EPS影響顯著[8]。微生物只有在特定環(huán)境下,生長到穩(wěn)定期才開始逐漸積累EPS,同一種微生物在不同環(huán)境下可以產(chǎn)生不同種類和產(chǎn)量的EPS。因此,研究微生物產(chǎn)EPS的培養(yǎng)條件就顯得格外重要[9]。微生物產(chǎn)EPS的最佳溫度和pH值通常與其生長所需的最適溫度和pH值有所不同,為最大限度的提高EPS產(chǎn)量,需通過控制不同的理化參數(shù)[10]。隨著研究的不斷深入,多種產(chǎn)EPS的酵母菌被分離鑒定出來,如赭色擲孢酵母(Sporobolomyces salmonicolor)AL1[11]、膠紅酵母(Rhodotorula mucilaginosa)GUMS16[12]、黃色隱球菌(Cryptococcus flavus)A51[13]、羅倫隱球酵母(Cryptococcus laurentii)AL100[14]、斯達(dá)油脂酵母(Lipomyces starkeyi)VITMN03[15]。并且通過對產(chǎn)糖條件的優(yōu)化,大幅度提高EPS產(chǎn)量。其中近粉紅鎖擲孢酵母(Sporidiobolus pararoseus)屬于鎖擲孢酵母屬,作為一類非常規(guī)酵母,早期研究主要集中在分類學(xué)、環(huán)境治理和生物防治等方面[16-17]。但目前對S.pararoseus產(chǎn)EPS的研究相對較少,因此,篩選出新型能夠高產(chǎn)EPS的S.pararoseus是本研究重點。
本研究以近粉紅鎖擲孢酵母(Sporidiobolus pararoseus)PFY-Z1為供試菌株,通過測定其在4種產(chǎn)糖培養(yǎng)基中合成EPS的含量,篩選出一種最適發(fā)酵產(chǎn)糖培養(yǎng)基。并以此為基礎(chǔ),通過單因素試驗、Plackett-Burman(PB)試驗和中心組和設(shè)計(central composite design,CCD)試驗,優(yōu)化菌株產(chǎn)EPS的最佳發(fā)酵條件。為S.pararoseusPFY-Z1 EPS的分離純化以及工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
1.1.1 菌株
近粉紅鎖擲孢酵母(Sporidiobolus pararoseus)PFY-Z1:分離自齊齊哈爾地區(qū)葡萄園土壤。
1.1.2 試劑
葡萄糖、蔗糖、硫酸銨、硫酸鎂、氯化鈣、磷酸氫二鉀、硫酸二氫鉀、氯化鈉、苯酚、硫酸、三氯乙酸(均為分析純):天津市江天化工技術(shù)有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)瓊脂培養(yǎng)基、YPD液體培養(yǎng)基、WL營養(yǎng)瓊脂:青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司。
產(chǎn)糖1號培養(yǎng)基:蔗糖60 g/L,蛋白胨2 g/L,硫酸銨1 g/L,硫酸鎂0.35 g/L,磷酸二氫鉀1 g/L,蒸餾水1 L,pH值6,115 ℃滅菌20 min[18]。
產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基:葡萄糖15 g/L,硫酸銨15 g/L,硫酸鎂1.8 g/L,氯化鈣0.28 g/L,磷酸氫二鉀0.24 g/L,氯化鈉0.6 g/L,蒸餾水1 L,pH值7.0,121 ℃滅菌15 min[19]。
產(chǎn)糖3號培養(yǎng)基:葡萄糖20 g/L,蛋白胨10 g/L,硫酸銨15 g/L,磷酸氫二鉀2.5 g/L,蒸餾水1 L,pH值6.6,121 ℃滅菌15 min[20]。
產(chǎn)糖4號培養(yǎng)基:葡萄糖50 g/L,硫酸銨2 g/L,磷酸二氫鉀1 g/L,酵母浸粉1 g/L,蒸餾水1 L,pH值6,115 ℃滅菌20 min[21]。
5804R臺式高速大容量冷凍離心機(jī)、22331Hamburg高速離心機(jī):德國艾本德公司;V-5000可見分光光度計:上海元析儀器有限公司;FE28 pH計、AL204電子天平:梅特勒-托利多集團(tuán);HZQ-211C落地振蕩器、DHP-9162電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;CX31光學(xué)顯微鏡:日本奧林巴斯公司。
1.3.1 菌株生長特性
將活化后的菌株按2%(V/V)的接種量分別接種于4種產(chǎn)糖培養(yǎng)基中,28 ℃、140 r/min培養(yǎng)5 d,每隔12 h取樣,測定菌株在波長600 nm處的吸光度值和pH值,探究菌株的生成及pH值變化情況,設(shè)置三組平行樣。
1.3.2 胞外多糖的提取
多糖的提取參照DU R P等[22]的方法。將活化后的菌株按2%(V/V)接種量接種至產(chǎn)糖培養(yǎng)基,28 ℃140 r/min培養(yǎng)5 d。發(fā)酵液4 ℃、11 000 r/min離心20 min。上清液中加入3倍體積分?jǐn)?shù)95%的乙醇,4 ℃靜置24 h后,4 ℃、11 000 r/min離心20 min,用適量去離子水溶解多糖沉淀,獲得粗EPS。
1.3.3 胞外多糖含量的測定
通過乙醇沉淀法獲得EPS,以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線[23],利用苯酚-硫酸法[24]測定菌株在4種培養(yǎng)基中發(fā)酵產(chǎn)EPS的含量。取EPS溶液1 mL與1 mL 6%的苯酚溶液、5 mL濃硫酸混勻,靜置冷卻至室溫后,于波長490 nm處測定吸光度值。
1.3.4 單因素試驗優(yōu)化產(chǎn)糖條件
將菌株接種于最適產(chǎn)糖培養(yǎng)基中,在不同培養(yǎng)條件下測定菌株產(chǎn)EPS的含量,確定其最佳發(fā)酵條件。
分別考察不同溫度(22 ℃、25 ℃、28 ℃、31 ℃、34 ℃)、轉(zhuǎn)速(0、70 r/min、140 r/min、210 r/min、280 r/min)、接種量(1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%,V/V)、裝液量(50 mL/250 mL、75 mL/250 mL、100 mL/250 mL、150 mL/250 mL、200 mL/250 mL)、培養(yǎng)時間(1 d、3 d、5 d、7 d、9 d)、初始pH值(2、3、4、5、6、7、8)對菌株產(chǎn)胞外多糖的影響。
1.3.5 PB試驗設(shè)計
EPC模式的最主要優(yōu)勢在于建設(shè)單位只需要進(jìn)行一次招標(biāo),只需與施工總承包方簽訂合同。因此,招標(biāo)和合同管理的工作量將會大大減少,簡化了許多流程,同時責(zé)權(quán)分明。
根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選擇影響EPS產(chǎn)量的6個因素(溫度、轉(zhuǎn)速、接種量、裝液量、培養(yǎng)時間、初始pH值)為評價因素,以EPS產(chǎn)量Y為響應(yīng)值,將每個因素分為高(+1)、低(-1)2個水平。PB試驗設(shè)計因素與水平見表1,共進(jìn)行15組試驗。
1.3.6 CCD試驗設(shè)計
根據(jù)PB試驗結(jié)果,以EPS產(chǎn)量(Y)為響應(yīng)值,選擇對結(jié)果影響較大的因素培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間、初始pH值,進(jìn)行CCD試驗,得到最優(yōu)方案。CCD試驗設(shè)計因素與水平見表2。
表2 中心組合試驗設(shè)計因素與水平Table 2 Factors and levels of central composite design
1.3.7 驗證試驗
將活化后的菌株接種于最適產(chǎn)糖培養(yǎng)基中,按優(yōu)化后的發(fā)酵條件培養(yǎng)。通過乙醇沉淀法獲得EPS,利用苯酚-硫酸法測定EPS含量。
1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
響應(yīng)面試驗設(shè)計使用Design Expert 8.0;統(tǒng)計分析和繪圖使用Excel 2016。
菌株S.pararoseusPFY-Z1在4種產(chǎn)糖培養(yǎng)基中的生長曲線及pH變化見圖1。
圖1 菌株P(guān)FY-Z1生長曲線和pH變化曲線Fig.1 Growth curve and pH variation curve of strain PFY-Z1
由圖1可知,菌株在產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基中生長情況優(yōu)于其余3種培養(yǎng)基,在發(fā)酵24 h時進(jìn)入對數(shù)生長期,72 h時OD600nm值達(dá)最大,為1.123±0.006,之后進(jìn)入穩(wěn)定期,隨著菌株生長速度的增加,pH值下降速度增加,pH值由初始7.0降至2.74,說明菌株在發(fā)酵過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì)。4種產(chǎn)糖培養(yǎng)基中,菌株在產(chǎn)糖1號培養(yǎng)基中生長較差,最大OD600nm值為0.730±0.003,僅為產(chǎn)糖1號培養(yǎng)基的65%。可能是該培養(yǎng)基的碳源與其他3種培養(yǎng)基不同,這也說明以蔗糖為單一碳源進(jìn)行S.pararoseusPFY-Z1發(fā)酵可能不利于菌株自身生長。這與菌株生理生化試驗相一致,即菌株對蔗糖的利用能力較弱。生長比較產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基和3號培養(yǎng)基發(fā)現(xiàn),菌株的生長的最大OD600nm值相差不大,但產(chǎn)糖3號培養(yǎng)基菌株生長進(jìn)入對數(shù)期的時間較長,會延長培養(yǎng)時間。4種培養(yǎng)基發(fā)酵終止時pH值相差不大,在2.7~3.2范圍內(nèi),說明菌株在4種培養(yǎng)基內(nèi)均發(fā)酵產(chǎn)酸。這與趙英杰等[25-27]的研究相一致。因此,綜合菌株生長狀況、發(fā)酵時長、成本節(jié)約等因素考慮,產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基最適宜用作S.pararoseusPFY-Z1的培養(yǎng)。
通過苯酚-硫酸法制作葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:y=9.855x+0.009,R2=0.999。菌株S.pararoseusPFY-Z1在不同培養(yǎng)基中EPS產(chǎn)量分別為(1.13±0.06)g/L(產(chǎn)糖1號培養(yǎng)基)、(3.31±0.06)g/L(產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基)、(2.71±0.11)g/L(產(chǎn)糖3號培養(yǎng)基)、(0.60±0.09)g/L(產(chǎn)糖4號培養(yǎng)基)。其中菌株在產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基產(chǎn)糖能力最強(qiáng),與其生長特征相符合。不同酵母菌發(fā)酵產(chǎn)EPS,在碳源的選擇上有所不同。本研究選擇產(chǎn)糖2號培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)糖條件優(yōu)化試驗。
2.3.1 培養(yǎng)溫度對EPS的影響
培養(yǎng)溫度對菌株S.pararoseusPFY-Z1的產(chǎn)EPS影響結(jié)果見圖2。由圖2可知,培養(yǎng)溫度在22~31 ℃時,菌株P(guān)FY-Z1上清液中EPS含量相差不大,在3.0 g/L左右,其中在培養(yǎng)溫度為28 ℃時,EPS含量最高,為(3.36±0.08)g/L。當(dāng)培養(yǎng)溫度為34 ℃時,EPS含量明顯低于其他溫度,可能是高溫影響菌株的生長速度,影響合成EPS的酶活性,從而降低菌株合成EPS的含量。大量研究表明,酵母菌的最適產(chǎn)糖培養(yǎng)溫度為20~30 ℃[27],本研究中菌株的最適培養(yǎng)溫度為28 ℃。
圖2 培養(yǎng)溫度對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of culture temperature on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
2.3.2 搖床轉(zhuǎn)速對EPS的影響
搖床轉(zhuǎn)速對菌株P(guān)FY-Z1的影響見圖3。由圖3可知,搖床轉(zhuǎn)速可以影響發(fā)酵液中的溶氧量,當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速較低時,單位時間內(nèi)培養(yǎng)液的溶氧量也隨之降低,降低菌體的生長速度和EPS生成速率,隨著搖床轉(zhuǎn)速的不斷增加,菌體生長速度和EPS合成速度增加,但搖床速度過大時,由于剪切力過大,不利于菌株生長,使菌體過早衰亡,從而降低EPS產(chǎn)量。當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速為210 r/min時,菌株P(guān)FY-Z1產(chǎn)EPS的含量最高,為(3.77±0.11)g/L。因此,選擇最佳搖床轉(zhuǎn)速為210 r/min。
圖3 轉(zhuǎn)速對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of rotation speed on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
2.3.3 接種量對EPS的影響
接種量對菌株P(guān)FY-Z1產(chǎn)EPS含量的影響見圖4。由圖4可知,隨著接種量的增加,菌株產(chǎn)EPS的含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。接種量過低時,菌株生長到對數(shù)生長期所需時間較長。接種量過大,使得培養(yǎng)基內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)過早消耗,不利于菌株積累合成EPS。當(dāng)接種量為5%時,EPS含量最高為(4.10±0.08)g/L。因此,菌株的最適接種量為5%。
圖4 接種量對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of inoculum on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
2.3.4 裝液量對EPS的影響
裝液量對菌株P(guān)FY-Z1產(chǎn)EPS含量的影響見圖5。
圖5 裝液量對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of loading liquid volume on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
由圖5可知,裝液量較低對發(fā)酵液中EPS含量影響較大,這可能是由于營養(yǎng)物質(zhì)較少導(dǎo)致的,大部分營養(yǎng)物質(zhì)用于菌體生長,導(dǎo)致發(fā)酵后期營養(yǎng)物質(zhì)不足,減小了EPS積累。當(dāng)裝液量為100 mL/250 mL時,EPS含量相對較高,為(4.12±0.07)g/L。因此,選擇裝液量100 mL/250 mL進(jìn)行后續(xù)試驗。
2.3.5 培養(yǎng)時間對EPS的影響
培養(yǎng)時間對菌株P(guān)FY-Z1產(chǎn)EPS含量的影響見圖6。由圖6可知,培養(yǎng)前3 d,菌株主要利用營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長,產(chǎn)EPS的能力較低,培養(yǎng)5 d時,菌株生長進(jìn)入穩(wěn)定期,開始積累大量EPS,培養(yǎng)9 d時EPS產(chǎn)量最高,但培養(yǎng)5 d(4.14±0.09)g/L和培養(yǎng)9 d(4.17±0.10)g/L時EPS的產(chǎn)量變化不大,出于節(jié)約時間和成本的考慮,選擇培養(yǎng)時間5 d進(jìn)行后續(xù)試驗。
圖6 培養(yǎng)時間對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of culture time on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
2.3.6 初始pH值對EPS的影響
圖7 初始pH值對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of initial pH value on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
菌株生長和分泌EPS都需要在最適的pH值條件下進(jìn)行,pH值影響細(xì)胞膜功能、細(xì)胞形態(tài)和營養(yǎng)物質(zhì)的代謝[28],而影響EPS的合成。初始pH值對菌株產(chǎn)EPS影響見圖7。由圖7可知,當(dāng)初始pH值為2、3、8時,菌株EPS的合成受阻積累,這說明過酸或過堿的環(huán)境不僅不利于菌體生長,也會降低菌體產(chǎn)EPS的產(chǎn)量。初始pH值為4~7時,EPS產(chǎn)量呈現(xiàn)先上升后保持平穩(wěn),當(dāng)pH值為5時,EPS產(chǎn)量最高,為(4.53±0.09)g/L,說明菌株在偏酸性環(huán)境下有利于EPS的積累。PAVLOVA K等[29]通過8株產(chǎn)糖酵母發(fā)酵產(chǎn)EPS前后的pH值測定發(fā)現(xiàn),發(fā)酵24 h后,pH值從最初的5.3降至1.7~2.0,直至發(fā)酵結(jié)束,一直維持在這個水平上,說明EPS的積累需要在較低的pH值水平上。因此,選擇初始pH值為5進(jìn)行后續(xù)試驗。
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,PB試驗設(shè)計及結(jié)果見表3,回歸分析結(jié)果見表4。
表3 PB試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Design and results of PB experiments
表4 PB試驗回歸分析結(jié)果Table 4 Regression analysis results of PB experiments
由表4可知,模型F值為62.98,兩水平析因試驗?zāi)P晚楋@著(P=0.000 2<0.01),表明該模型具有重要意義,決定系數(shù)R2=0.986 9,說明存在98.69%的試驗數(shù)據(jù)可用該模型解釋,調(diào)整R2adj=0.971 3,二者均接近1,信噪比=23.621(>4),證明該模型可以很好的擬合試驗數(shù)據(jù)。各變量對EPS影響顯著程度依次為X5>X1>X6>X4>X3>X2,即培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間和初始pH對菌株產(chǎn)EPS影響顯著(P<0.01)。根據(jù)PB試驗結(jié)果,得到模型擬合方程如下:Y=4.26-0.17X1+0.014X2+0.039X3-0.042X4+0.27X5+0.11X6。
在PB試驗的基礎(chǔ)上,CCD試驗設(shè)計水平及響應(yīng)值EPS含量見表5,回歸分析見表6。
表5 中心組合設(shè)計試驗設(shè)計及結(jié)果Table 5 Design and results of central composite design experiments
表6 中心組合設(shè)計試驗回歸分析結(jié)果Table 6 Results of the regression analysis of central composite design experiments
續(xù)表
由表6可知,該模型項差異極顯著(P<0.000 1),決定系數(shù)R2=0.993 7,說明存在99.37%的試驗數(shù)據(jù)可用該模型解釋,調(diào)整決定系數(shù)R2adj=0.988 0,二者均接近1,信噪比=38.526(>4),變異系數(shù)CV=0.85%,表明試驗結(jié)果所得模型能夠較好的擬合試驗數(shù)據(jù)。模型失擬項無顯著性差異(P=0.077 1>0.05),說明所選模型擬合性較好,無其它顯著性影響因素。因此,可以判斷CCD試驗設(shè)計是可靠的,該模型可以較好的應(yīng)用于S.pararoseusPFY-Z1合成EPS的理論預(yù)測。各變量(X1、X5、X6)、交互項(X5X6)和各變量二次項(X12、X52、X62)對菌株產(chǎn)EPS有極顯著影響(P<0.01),交互項(X1X5、X1X6)對菌株產(chǎn)EPS無顯著影響(P>0.05)。根據(jù)CCD試驗結(jié)果,得到模型擬合方程如下:EPS含量=4.54-0.032X1+0.15X5+0.085X6+0.010X1X5-0.002 5X1X6-0.11X5X6-0.26X12-0.15X52-0.18X62。模型方程中二次項系數(shù)均為負(fù),可知該方程擬合的曲面開口朝下,方程有極大值。預(yù)測培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間和初始pH值分別為27.84 ℃、5.91 d和5.10時,方程有極大值,EPS的預(yù)測產(chǎn)量為4.58 g/L。
各因素及交互作用對S.pararoseusPFY-Z1產(chǎn)EPS影響如圖8所示。變量間的相互作用關(guān)系可從等高線圖和曲面圖形狀看出,橢圓形表明變量間的相互作用有顯著影響,圓形則表明無顯著影響。由圖8可知,發(fā)酵時間和初始pH交互作用的等高線呈橢圓形,表明其交互作用顯著(P<0.05)。
圖8 各因素交互作用對菌株P(guān)FY-Z1胞外多糖產(chǎn)量影響的響應(yīng)面和等高線Fig.8 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on exopolysaccharide production of strain PFY-Z1
CCD試驗中預(yù)測最佳產(chǎn)EPS試驗條件為培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間和初始pH值分別為27.84 ℃、5.91 d和5.10。根據(jù)實際條件,將其分別調(diào)整為28 ℃、6 d和5.10進(jìn)行驗證試驗,在此條件下,S.pararoseusPFY-Z1的EPS含量實際值為(4.60±0.13)g/L,與預(yù)測值4.58 g/L無顯著差異(P>0.05)。響應(yīng)面法優(yōu)化后,菌株P(guān)FY-Z1產(chǎn)EPS水平是優(yōu)化前(3.31±0.06)g/L的1.40倍。
本研究從4種酵母產(chǎn)糖培養(yǎng)基中選擇出一種最適培養(yǎng)基(葡萄糖15 g/L,硫酸銨15 g/L,硫酸鎂1.8 g/L,氯化鈣0.28 g/L,磷酸氫二鉀0.24 g/L,氯化鈉0.6 g/L)。在此培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上,通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化,得到菌株最佳產(chǎn)糖發(fā)酵條件為培養(yǎng)溫度28 ℃、培養(yǎng)時間6 d和初始pH值5.10,此時EPS含量為(4.60±0.13)g/L,是優(yōu)化前(3.31±0.06)g/L的1.40倍。本研究為今后利用S.pararoseusPFY-Z1產(chǎn)EPS奠定了基礎(chǔ),同時也為S.pararoseus工業(yè)化制備和生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。