陳家麗,姚日生,余婉蓉,詹進(jìn)鎖,朱慧霞,王 淮
(合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,安徽合肥 230601)
廉價(jià)易得的培養(yǎng)基原料是生物發(fā)酵行業(yè)一直以來孜孜以求的目標(biāo)。作為全球最大的谷物生產(chǎn)國,中國2014年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為7億t[1],如何有效利用這些巨量的秸稈已成為緊迫的環(huán)境、資源和社會(huì)問題[2]。秸稈類生物質(zhì)資源在轉(zhuǎn)化利用過程中,破除抗降解屏障以及纖維素等組分的增值化開發(fā)一直是亟待攻克的瓶頸[3-4]。研究表明,經(jīng)SO3微熱爆聯(lián)合稀堿溶液預(yù)處理的稻草秸稈[5-6],在經(jīng)纖維素酶的水解糖化后所得的糖化液,不僅葡萄糖含量高而且糠醛、乙酸等發(fā)酵抑制物含量低,完全可以應(yīng)用于頭孢菌素C(cephalosporin C,CPC)的發(fā)酵,作為原料豐富且廉價(jià)的碳源替代物[7]。
作為當(dāng)前最為重要的β-內(nèi)酰胺類抗生素,現(xiàn)在全世界每年生產(chǎn)約2 500 t頭孢菌素衍生物,在過去的幾十年中,通過培養(yǎng)基與發(fā)酵工藝的優(yōu)化,CPC的發(fā)酵效價(jià)得以大幅改善,產(chǎn)量更是增加了一倍以上[8-9]。SHIN H Y等[10]研究發(fā)現(xiàn),在黃曲霉M35產(chǎn)生CPC的過程中,粗甘油可以代替蛋氨酸和植物油,成為半胱氨酸和碳源。CUADRA T等[11]以甘蔗渣為載體研究pH調(diào)節(jié)和養(yǎng)分濃度對(duì)固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)CPC的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)CPC產(chǎn)量從468 μg/g升至3 200 μg/g。LOTFYW A等[12-13]利用甜菜糖蜜作為產(chǎn)黃頂孢菌生產(chǎn)CPC的新型碳源,并采用響應(yīng)面法研究了發(fā)酵培養(yǎng)基組成、接種濃度、初始pH和通氣率對(duì)CPC產(chǎn)量的影響。
在本課題組前期的研究基礎(chǔ)之上,本研究旨在采用更為廉價(jià)易得的培養(yǎng)基,通過響應(yīng)面法進(jìn)一步揭示碳源替代后CPC發(fā)酵效價(jià)改變的原因所在,以尋求培養(yǎng)基組分含量與效價(jià)之間的關(guān)系,確立最優(yōu)的培養(yǎng)基組成[14]。為真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵中利用秸稈棕纖維素替換淀粉作為碳源提供依據(jù),對(duì)促進(jìn)我國秸稈增值化利用具有現(xiàn)實(shí)意義。
稻草秸稈:中國江蘇省連云港市;頂頭孢霉(Cephalosporium acremonium)CPCC400039:中國藥學(xué)微生物菌種保藏管理中心;頭孢菌素C標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99.0%):上海榕柏生物技術(shù)有限公司;D,L-甲硫氨酸、纖維素酶(均為分析純):阿拉丁試劑(上海)有限公司;玉米漿、淀粉、葡萄糖(均為生物試劑)、硫酸銨(分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;豆油:市售。
馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA)培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g/L,葡萄糖20 g/L,瓊脂20 g/L。
液體種子培養(yǎng)基:葡萄糖5 g/L,蔗糖35 g/L,玉米漿31 g/L,豆油5 g/L,D,L-蛋氨酸0.5 g/L,(NH4)2SO48 g/L,CaCO35 g/L。
標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵培養(yǎng)基:葡萄糖40 g/L,糊精20g/L,淀粉30 g/L,玉米漿50 g/L,α-淀粉酶0.2%,豆油50 g/L,(NH4)2SO430 g/L,D,L-蛋氨酸6 g/L,MgSO4·7H2O 3 g/L,ZnSO4·7H2O 0.01 g/L,CuSO4·7H2O 0.02 g/L,MnSO4·H2O 0.01 g/L,KH2PO45 g/L,CaCO35 g/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.2 g/L。
碳源替代發(fā)酵培養(yǎng)基:水解葡萄糖40 g/L,糊精20 g/L,棕纖維素30 g/L,玉米漿50 g/L,纖維素酶0.2%,豆油50 g/L,(NH4)2SO430 g/L,D,L-蛋氨酸6 g/L,MgSO4·7H2O 3 g/L,KH2PO45 g/L,ZnSO4·7H2O 0.01 g/L,CuSO4·7H2O 0.02 g/L,CaCO35 g/L,MnSO4·H2O 0.01 g/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.2 g/L。
LC-16高效液相色譜(highperformanceliquid chromatography,HPLC)儀:島津儀器(蘇州)有限公司;ZHJH-C115C超凈工作臺(tái)、ZWY-2102恒溫培養(yǎng)振蕩器:上海智成分析儀器制造有限公司;YXQ-LS立式蒸汽滅菌器:上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;HC-3018R高速冷凍離心機(jī):安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;AUY120分析天平:日本shimadzu公司;SBA-40E生物傳感分析儀:山東省科學(xué)院研究所;AMR-100全自動(dòng)酶標(biāo)分析儀:杭州奧盛儀器有限公司。
1.3.1 秸稈預(yù)處理
SO3微熱爆:在帶有毛玻璃塞的250 mL三口燒瓶中,P2O5(22.5 g)和H2SO4(50.0 g)反應(yīng),產(chǎn)生約40.82 g三氧化硫氣體,并通入裝有1.0 kg稻草秸稈(切成2~3 cm)的反應(yīng)罐中,秸稈與氣體在60 ℃反應(yīng)1 h。
稀堿法:稻草秸稈在SO3微熱爆預(yù)處理后,在60 ℃條件下用2%NaOH堿洗220 min,反應(yīng)罐轉(zhuǎn)速為150 r/min。反應(yīng)結(jié)束后,將稻草用自來水洗滌至中性,并在60 ℃烘干至質(zhì)量恒定,然后使用試驗(yàn)室粉碎機(jī)將樣品粗粉碎至約1 mm粒度,于干燥處保存?zhèn)溆?。參見文獻(xiàn)[15-16]測定水分、灰分、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量。
1.3.2 秸稈酶解糖化
在250 mL錐形瓶中加入10 g秸稈棕纖維素粉末,纖維素酶用量20 FPU/g底物,并用檸檬酸鹽緩沖液(0.1 mol/L,pH4.8)調(diào)節(jié)水解體積為100 mL,置于45 ℃,180 r/min的恒溫振蕩器中酶解72 h。沸水浴10 min結(jié)束酶促反應(yīng),樣品以8 000 r/min離心10 min,收集上清液即為棕纖維素酶解糖化液,4 ℃保藏備用。以稀堿法預(yù)處理作為對(duì)照組。通過蒸餾水稀釋或80 ℃濃縮的方式控制糖化液中的葡萄糖濃度。纖維素糖化率的計(jì)算公式如下:
1.3.3 菌株培養(yǎng)條件
頂頭孢霉經(jīng)馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)后,轉(zhuǎn)接液體培養(yǎng)基,在28 ℃、220 r/min的搖床中培養(yǎng)48 h,再接種到發(fā)酵培養(yǎng)基,接種量4.0 mL,置于28 ℃,轉(zhuǎn)速220 r/min的搖床振蕩培養(yǎng)48 h后,降溫至25 ℃,繼續(xù)培養(yǎng)144 h。
1.3.4 發(fā)酵生長曲線及水解液木糖的影響
為了解CPC效價(jià)與菌體生長的相關(guān)性,替代培養(yǎng)基在發(fā)酵過程中每隔12 h取樣,檢測發(fā)酵液中CPC效價(jià)及菌體的生物量,其中生物量的測定采用核酸法[17]。以標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵培養(yǎng)基為對(duì)照組,繪制發(fā)酵生長曲線以及效價(jià)曲線。
為測定酶解糖化后木糖對(duì)替代效果的影響,分別配制木糖培養(yǎng)基、混合糖培養(yǎng)基(葡萄糖、木糖),以標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基(葡萄糖)作為對(duì)照,接種發(fā)酵結(jié)束后,測定CPC效價(jià)。
1.3.5 頭孢菌素C效價(jià)測定
頭孢菌素C效價(jià)的測定采用高效液相色譜法,色譜柱:YWG C18色譜柱(4.6 mm×150 mm,10 μm);色譜條件:流動(dòng)相:85%(V/V)0.2%KH2PO4緩沖液和15%(V/V)甲醇,用0.45 μm的微孔濾膜過濾,流速:1 mL/min,紫外檢測波長:254 nm,柱溫:室溫,進(jìn)樣量:20 μL。以頭孢菌素C鈉鹽為標(biāo)準(zhǔn),外標(biāo)法計(jì)算頭孢菌素C效價(jià),單位U/mL。
1.3.6 Plackett-Burman(PB)試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)選取6種培養(yǎng)基組分為評(píng)價(jià)因素,CPC效價(jià)(Y)為響應(yīng)值,進(jìn)行PB試驗(yàn),優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基配方,PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見表1。
表1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of Plackett-Burman experiments
1.3.7 最低添加量試驗(yàn)
為降低培養(yǎng)基成本,根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果,選取不顯著因素,以合理的步長進(jìn)行試驗(yàn),得出不顯著因素的最低添加量。
1.3.8 最陡爬坡試驗(yàn)
根據(jù)PB試驗(yàn)結(jié)果,選取顯著因素,對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并設(shè)計(jì),選擇合適的步長,通過梯度設(shè)計(jì)確定試驗(yàn)中心點(diǎn)。
1.3.9 Box-Behnken(BB)中心組合設(shè)計(jì)
在最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行BB設(shè)計(jì)并確定重要因素的最佳值,用軟件進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析,自變量因素和水平見表2。
表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiments
由于秸稈類生物質(zhì)的致密結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其纖維組分始終難以被高效轉(zhuǎn)化與水解利用。本課題組基于SO3微熱爆技術(shù)建立了一種新的秸稈類生物質(zhì)預(yù)處理新方法,對(duì)秸稈預(yù)處理前后組分含量進(jìn)行測定,不同方法對(duì)結(jié)果的影響見表3。
表3 生物質(zhì)的組分分析Table 3 Compositional analysis of biomass
由表3可知,經(jīng)預(yù)處理后,木質(zhì)素含量相較原秸稈顯著降低至(5.60±0.1)%,去除率達(dá)65.91%,而棕纖維素(纖維素與半纖維素)含量基本不變。這表明該預(yù)處理在有效破解木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)抗降解屏障的同時(shí),有效避免了“糖”組分的損失,預(yù)處理對(duì)秸稈棕纖維素酶解糖化的影響見圖1。
圖1 預(yù)處理對(duì)酶解糖化的影響Fig.1 Effect of pretreatment on enzymatic hydrolysis and saccharification
由圖1可知,隨著時(shí)間的延長,經(jīng)過SO3微熱爆+稀堿預(yù)處理的秸稈棕纖維素糖化率為95.13%,稀堿法預(yù)處理糖化率為88.45%。這表明,SO3微熱爆預(yù)處理對(duì)稻草細(xì)胞壁最外層木質(zhì)素的去除,增加了纖維素酶的可及性,提升了酶解效率,是一種十分有效的促進(jìn)秸稈生物轉(zhuǎn)化利用的預(yù)處理方法。
2.2.1 發(fā)酵生長曲線
為探究碳源替代對(duì)于頂頭孢霉生長代謝的影響,分別測定了菌體在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵培養(yǎng)基和碳源替代培養(yǎng)基中CPC效價(jià)及生物量隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)果見圖2。
圖2 頂頭孢霉發(fā)酵生長曲線及頭孢菌素C效價(jià)曲線Fig.2 Fermentation growth curve of Cephalosporium acremonium and titer curve of cephalosporin C
由圖2可知,碳源的替換對(duì)于該微生物的生長代謝有一定影響。碳源替換后,菌體的生物量和CPC的效價(jià)均低于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵培養(yǎng)基中的相應(yīng)值。可能在于半纖維素酶解后所得的木糖對(duì)于發(fā)酵的抑制,也可能是由于碳源替換后,培養(yǎng)基組成之間存在相互影響,未達(dá)到最佳狀態(tài)。
2.2.2 水解液木糖的影響
為揭示在本研究中木糖的存在對(duì)于CPC的發(fā)酵是否存在抑制作用,考察木糖對(duì)于發(fā)酵過程的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 木糖對(duì)頂頭孢霉發(fā)酵產(chǎn)頭孢菌素C的影響Fig.3 Effect of xylose on cephalosporin C production by Cephalosporium acremonium fermentation
由圖3可知,菌株利用單一的木糖作為碳源時(shí),由于頂頭孢霉對(duì)于戊糖的利用能力不足,CPC效價(jià)明顯下降。但在相同的碳源濃度下,添加少量的木糖對(duì)發(fā)酵的抑制作用并不明顯,反而在同等葡萄糖濃度下,木糖的添加使發(fā)酵效價(jià)有所提升。這表明,糖化液中少量木糖含量的存在,對(duì)于本研究中CPC的發(fā)酵并無抑制作用。在碳源替換后導(dǎo)致發(fā)酵效價(jià)降低的可能原因就在于培養(yǎng)基組成之間存在相互影響,未達(dá)到最佳狀態(tài)?;诖耍夭捎庙憫?yīng)面法進(jìn)行了培養(yǎng)基組成優(yōu)化研究。
按照Plackett-Burman 試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表4。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表5。
表4 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Design and results of Plackett-Burman experiments
表5 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析Table 5 Analysis of Plackett-Burman experiments design
由表5可知,PB試驗(yàn)的回歸模型P值為0.000 5<0.05,表明該回歸模型是顯著的。模型的決定系數(shù)R2=0.978 6,說明該模型可解釋97.86%的數(shù)據(jù),也說明該回歸模型的擬合度很好。
其中,A、B、C的P值均<0.01,則說明這三種組分對(duì)發(fā)酵的影響是極顯著的。究其原因在于水解葡萄糖替代葡萄糖作為速效碳源,為菌體生長的初期提供有效單糖組分,濃度過低會(huì)影響發(fā)酵前期菌體的生長,但過高的糖濃度則會(huì)抑制產(chǎn)物的生成。棕纖維素作為持續(xù)碳源,含量過低,會(huì)導(dǎo)致菌體生長期間與后續(xù)合成CPC時(shí)底物供給不足;過高則會(huì)造成溶液中固形物含量過高,溶氧水平大幅度降低,限制了菌體的呼吸作用。玉米漿作為氮源,有豐富的氨基酸、蛋白質(zhì)和微量元素,前期可以刺激菌體大量生長,但過量會(huì)導(dǎo)致溶氧抑制、氨基酸抑制等問題。E、F、G對(duì)菌株發(fā)酵產(chǎn)CPC的影響不顯著(P>0.05)。
根據(jù)表5分析可知,E、F、G為不顯著因素,且E和G呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng),F(xiàn)呈現(xiàn)正效應(yīng)。依據(jù)分析結(jié)果,對(duì)3種組分分別設(shè)計(jì)合理的步長,進(jìn)行最低添加量試驗(yàn),發(fā)酵后測定CPC效價(jià),結(jié)果見表6。
表6 不顯著因素最低添加量試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of the minimum addition of insignificant factors
由表6可知,隨著纖維素酶的增加,CPC效價(jià)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當(dāng)纖維素酶添加量達(dá)0.8%時(shí),效價(jià)達(dá)到最大,為235.71 U/mL。隨著豆油含量的增加,效價(jià)逐漸增加至最大值251.09 U/mL后下降。當(dāng)硫酸銨濃度增加時(shí),效價(jià)也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并于添加量10 g/L時(shí)達(dá)到最大效價(jià)235.43 U/mL。為節(jié)約培養(yǎng)基成本,后續(xù)試驗(yàn)纖維素酶、豆油、硫酸銨的添加量分別為0.8%、25 g/L、10 g/L。
表7 最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of the steepest ascent experiments
由于水解葡萄糖、棕纖維素、玉米漿的濃度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)CPC的影響是顯著的,為了進(jìn)一步優(yōu)化,對(duì)這三種組分進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)以確定BB試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原點(diǎn)。由表5可知,A和C呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng),即隨著質(zhì)量濃度的增加,發(fā)酵產(chǎn)CPC的效價(jià)逐漸下降;而B呈現(xiàn)正效應(yīng),隨著含量的增加,CPC效價(jià)逐漸增加。根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)最陡爬坡試驗(yàn)如表7。由表7可知,當(dāng)水解葡萄糖為35 g/L、棕纖維素為45 g/L、玉米漿為35 g/L時(shí),CPC效價(jià)最高,達(dá)261.54 U/mL,即選擇第4組試驗(yàn)的用量作為BB設(shè)計(jì)的中心原點(diǎn)。
根據(jù)PB設(shè)計(jì)以及最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果,選擇水解葡萄糖、棕纖維素、玉米漿濃度3個(gè)因素為自變量,以CPC的效價(jià)為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)了3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表8所示,利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合得到回歸方程:Y=291.21+19.90A+13.00B+36.81C-6.20AB-21.01AC+2.28BC-40.92A2-38.58B2-33.16C2。
表8 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 8 Design and results of Box-Behnken experiments
對(duì)上述二次回歸方程進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表9。由表9可知,該二次回歸方程模型極顯著(P<0.000 1),失擬項(xiàng)不顯著(P=0.097 9>0.05),回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.990 0,調(diào)整相關(guān)系數(shù)R2adj=0.977 1,說明該回歸方程擬合度很好,能夠較好的反應(yīng)CPC效價(jià)與各因素之間的線性關(guān)系。由試驗(yàn)值可知,水解葡萄糖(A)、棕纖維素(B)、玉米漿(C)的添加量對(duì)CPC效價(jià)有極顯著的影響(P<0.01)。二次項(xiàng)A2、B2、C2(P<0.000 1)對(duì)CPC效價(jià)的影響也極顯著(P<0.01)。根據(jù)F值大小各因素對(duì)發(fā)酵產(chǎn)CPC效價(jià)的影響程度為:玉米漿(C)>水解葡萄糖(A)>棕纖維素(B)。因素AB的交互作用對(duì)CPC效價(jià)有極顯著的影響(P<0.001),而AC和BC之間的交互影響不顯著(P>0.05)。
表9 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的方差分析Table 9 Variance analysis of Box-Behnken experiments design results
為直觀的反應(yīng)出各因素及其交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響結(jié)果,以CPC效價(jià)為指標(biāo),利用軟件繪制三維響應(yīng)面及其等高線圖見圖4。等高線的形狀可以反映出各因素的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響[18-20]。
圖4 各因素交互作用對(duì)頭孢菌素C效價(jià)影響的響應(yīng)面和等高線Fig.4 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on cephalosporin C titer
由圖4a可知,響應(yīng)面等高線接近于圓形,說明交互作用不明顯,當(dāng)水解葡萄糖的量不變時(shí),隨著棕纖維素質(zhì)量濃度的增加,效價(jià)先增加后減小,當(dāng)棕纖維素的量不變時(shí),效價(jià)隨著水解葡萄糖濃度的增加也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。由圖4b和圖4c可知,水解葡萄糖和玉米漿的交互影響及棕纖維素和玉米漿的交互影響同樣存在相同的變化趨勢。由圖4b分析可知,水解葡萄糖和玉米漿的交互影響顯著,這和方差分析結(jié)果保持一致。
通過軟件分析可得頂頭孢霉出產(chǎn)CPC的最佳培養(yǎng)基配方:水解葡萄糖添加量35 g/L,棕纖維素添加量46 g/L,玉米漿添加量38g/L。在最優(yōu)條件下所產(chǎn)CPC效價(jià)的理論值為303.07U/mL,為上述研究中所產(chǎn)效價(jià)最高。為了驗(yàn)證模型的可靠性,在最佳的培養(yǎng)基配方條件下進(jìn)行3組搖瓶平行試驗(yàn),測定發(fā)酵液中CPC效價(jià),得到的效價(jià)平均值為298.34 U/mL,與理論值(303.07 U/mL)的誤差僅為1.56%,表明試驗(yàn)結(jié)果與此模型相符度高,能夠較好的預(yù)測實(shí)際發(fā)酵情況。
該研究表明,利用廢棄的秸稈生物質(zhì)經(jīng)過SO3微熱爆預(yù)處理所得的棕纖維素,替代淀粉作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)頭孢菌素C是完全可行的。
采用響應(yīng)面法優(yōu)化,得到最佳發(fā)酵培養(yǎng)基組成為:水解葡萄糖35 g/L、棕纖維素46 g/L、玉米漿38 g/L、纖維素酶0.8%、豆油25 g/L、硫酸銨10 g/L,在此條件下,CPC效價(jià)達(dá)298.34 U/mL,效價(jià)為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵培養(yǎng)基的96.69%。