沈治強(qiáng),邢本,丁振東,楊靜文,胡雪芹,張洪斌
(合肥工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,安徽 合肥,230601)
泛酸,也被稱為維生素B5,D構(gòu)型的右旋泛酸為其活性成分,是動(dòng)物體內(nèi)合成乙酰輔酶A的重要前體物質(zhì),也是大多數(shù)天然食物中存在的必需微量營養(yǎng)素[1],被廣泛應(yīng)用于食品、藥品、飼料添加劑,其主要的產(chǎn)品形式為D-泛酸鈣,以及D-泛醇、D-泛硫乙胺等衍生產(chǎn)品。合成D-泛酸的關(guān)鍵在于拆分DL-泛解酸內(nèi)酯獲得高光學(xué)純度的D-泛解酸內(nèi)酯。傳統(tǒng)的方法是使用昂貴的手性試劑如奎寧、番木鱉堿、麻黃素等有機(jī)生物堿拆分[2],但是該工藝帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染,并且拆分成本高。隨著人們對(duì)綠色環(huán)保生產(chǎn)的追求及生物酶法的興起,生物酶法拆分手性藥物中間體越來越受到關(guān)注。
通過酶法拆分DL-泛解酸內(nèi)酯包括氧化還原酶法[3-4]和選擇性水解酶法[5-10],另外還有用羥腈裂解酶不對(duì)稱加成法合成相對(duì)應(yīng)的氰醇[11-13]等方法。而研究較多的是選擇性水解酶法,選擇性水解酶法是利用D-泛解酸內(nèi)酯水解酶選擇性地將DL-泛解酸內(nèi)酯中的D-泛解酸內(nèi)酯水解成D-泛解酸,D-泛解酸在酸性條件下加熱得到D-泛解酸內(nèi)酯,從而實(shí)現(xiàn)DL-泛解酸內(nèi)酯的拆分。該方法不需要水解徹底,未水解部分經(jīng)過消旋化處理可再次使用,只需所用的酶或微生物的立體專一性好,就能得到高光學(xué)純度的D-泛解酸內(nèi)酯,相較于其他酶法拆分DL-泛解酸內(nèi)酯,該方法是最具有應(yīng)用價(jià)值的路線。SAKAMOTO等于1994年首次報(bào)道了用D-泛解酸內(nèi)酯水解酶拆分泛解酸內(nèi)酯的方法,并報(bào)道了該酶一般來源Fusarium、Cylindrocarpon和Gibberella[14-15]。研究篩選到一株產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的菌株,經(jīng)鑒定為串珠鐮孢霉菌(Fusariummoniliforme)SW-902,D-泛解酸內(nèi)酯水解酶活力為0.92 U/g干菌體[5-7]。馬佳鵬[8]通過篩選得到一株具有D-泛解酸內(nèi)酯水解酶活性的菌株Fusariumavenaceum3.4594,酶活力為0.489 U/mL。鄭莉莉[9]篩選得到一株具有D-泛解酸內(nèi)酯水解酶菌株,經(jīng)鑒定為尖鐮孢菌,并經(jīng)過紫外誘變選育得到一株高活性菌株CZ-437,酶活力為5.7 U/L。王開放等[10]利用D380樹脂固定化D-泛解酸內(nèi)酯水解酶,固定化酶的比酶活力為(11.5±0.12) U/g。
目前利用產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的菌株催化拆分DL-泛解酸內(nèi)酯所面臨的問題是原始來源菌酶活力較低,在工業(yè)上很難得到大規(guī)模應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)室篩選得到一株具有D-泛解酸內(nèi)酯水解酶活性的菌株,經(jīng)鑒定屬于鐮孢霉菌(Fusarium),但是該菌株水解活力低,酶活力為1.42 U/mL,不利于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。為了提高其工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,本研究利用常溫室壓等離子(atmospheric room temperature plasma,ARTP)和UV-LiCl技術(shù)對(duì)產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶原始菌株進(jìn)行多輪次遞進(jìn)誘變,并結(jié)合平板變色圈大小初篩,搖瓶測酶活力復(fù)篩,以期獲得一株高產(chǎn)、穩(wěn)定、適應(yīng)性好的菌株,來提高生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本,并對(duì)突變菌株進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)酶條件優(yōu)化。
1.1.1 菌株來源與培養(yǎng)基
種子培養(yǎng)基(g/L):酵母浸粉4,玉米漿干粉3.32,甘油13.32,棉籽蛋白胨13.32,豆粕粉6.68,消泡劑0.5,pH 7.0。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):玉米漿干粉1.32,甘油6.6,棉籽蛋白胨5.28,豆粕粉6.6,消泡劑0.12,pH 7.5。
初篩培養(yǎng)基(g/L):玉米漿干粉1.32,甘油6.6,棉籽蛋白胨5.28,瓊脂20,DL-泛解酸內(nèi)酯15,溴百里酚藍(lán)0.1,pH 7.6。
菌種為本實(shí)驗(yàn)室篩選得到并保存,經(jīng)菌種鑒定屬于鐮孢霉菌屬。
1.1.2 試劑與設(shè)備
試劑:棉籽蛋白胨、豆粕粉、玉米漿干粉,南京茂捷微生物科技有限公司;酵母浸粉,OXOID公司;DL-泛解酸內(nèi)酯,河南省新鄉(xiāng)六通實(shí)業(yè)有限公司;Tris,上海畢得醫(yī)藥科技有限公司;消泡劑,濟(jì)南翔邦化工有限公司;溴百里酚藍(lán),天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司;LiCl、乙腈(分析純),國藥集團(tuán)。
Lab Alliance高效液相色譜系統(tǒng),美國科學(xué)儀器公司;Alphasil VC-C18色譜柱,華普科儀科技有限公司;ZWYR-2102C恒溫培養(yǎng)振蕩器,上海智誠分析儀器制造有限公司;PHSJ-4F雷磁pH計(jì),上海儀電科學(xué)儀器有限公司;WZZ-2S 2SS旋光儀,上海申光儀器儀表有限公司;常溫室壓等離子發(fā)射裝置,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院提供。
1.2.1 發(fā)酵產(chǎn)酶方法
將4 ℃保存的斜面菌種,轉(zhuǎn)接至新鮮固體種子培養(yǎng)基上,27 ℃活化培養(yǎng)2 d,將活化后的菌落取一環(huán)轉(zhuǎn)入50 mL種子培養(yǎng)基,27 ℃、300 r/min,培養(yǎng)24 h,再將種子液以7.5%(體積分?jǐn)?shù))的接種量轉(zhuǎn)接至50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基,27 ℃、300 r/min,培養(yǎng)36 h,發(fā)酵結(jié)束,抽濾并用去離子水洗滌,得到濕菌絲體。
1.2.2 孢子液的制備
取若干環(huán)生長3~4 d的固體培養(yǎng)基上的菌落,打入無菌生理鹽水中,充分振蕩,然后用一層無菌擦鏡紙過濾掉菌絲體,制成孢子濃度在105個(gè)/mL單孢子懸浮液。
1.2.3 誘變處理
ARTP誘變:取2 mL孢子懸液至無菌培養(yǎng)皿中,放置于常溫室壓等離子裝置探頭下,工作參數(shù)參考文獻(xiàn)[16],工作氣體He,電壓12 kV,頻率100 kHz,室溫。處理時(shí)間分別為40、80、120、160、200、240、280 s。
UV-LiCl誘變:取2 mL孢子懸液至無菌培養(yǎng)皿中,在紫外燈下照射,照射距離為30 cm、功率為30 W,照射時(shí)間分別為20、40、60、80、100、120、140 s。
將誘變處理后的孢子液稀釋100倍,取0.3 mL涂布與初篩培養(yǎng)基(UV-LiCl誘變涂布于含6 g/L LiCl的初篩培養(yǎng)基),27 ℃培養(yǎng)3~4 d,對(duì)照組的孢子懸浮液以同樣方法操作,待長出菌落,致死率按公式(1)計(jì)算:
(1)
1.2.4 初篩
在固體發(fā)酵培養(yǎng)基中加入DL-泛解酸內(nèi)酯和pH指示劑,具有D-泛解酸內(nèi)酯水解酶活力的菌株在培養(yǎng)基上生長,會(huì)水解培養(yǎng)基中的D-泛解酸內(nèi)酯成D-泛解酸,導(dǎo)致菌落周圍pH下降,產(chǎn)生變色圈,變色圈和菌落直徑比值越大,酶活力可能越高[9]。將誘變處理后的孢子液涂布于初篩培養(yǎng)基,于27 ℃培養(yǎng)3~4 d,挑取變色圈/菌落直徑較大的菌落復(fù)篩。
1.2.5 復(fù)篩
將初篩挑取的變色圈/菌落直徑較大的菌株按照1.2.1步驟發(fā)酵培養(yǎng),測其酶活力。
酶活力測定:取1 mL發(fā)酵液離心并用去離子水洗滌得到濕菌體,加入到2.5 mL 0.5 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.5),含6%DL-泛解酸內(nèi)酯,30 ℃、150 r/min反應(yīng)1 h,離心過濾除去菌體,采用液相色譜檢測反應(yīng)液。
酶活力定義:30 ℃、pH 7.5條件下,每分鐘水解1 μmolD-(-)-泛解酸內(nèi)酯成D-(+)-泛解酸所需要的酶量定義為1個(gè)酶活力單位(U)。
濕重定義:取1 mL發(fā)酵液離心并用去離子水洗滌,稱質(zhì)量。
高效液相檢測條件為:色譜柱為Alphasil VC-C18(4.6 mm×250 mm×5 μm),流動(dòng)相為V(乙腈)∶V(水)=25∶75,檢測波長215 nm,流速1 mL/min,進(jìn)樣量20 μL。
突變菌株與對(duì)照菌株相比較,相對(duì)酶活力≤90%的為負(fù)突變株,相對(duì)酶活力≥110%的為正突變株,相對(duì)酶活力在90%~110%的視為中性突變株,并分別計(jì)算正突變率、負(fù)突變率和中性突變率。
1.2.6 高活性菌株遺傳穩(wěn)定性
將篩選到的高活性突變株4 ℃斜面保存,每隔1周轉(zhuǎn)接活化1次,按照1.2.1步驟培養(yǎng),測D-泛解酸內(nèi)酯水解酶活力。
1.2.7 突變株與原始菌株催化高濃度DL-泛解酸內(nèi)酯比較
欲提高突變菌株的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,不僅要提高單位酶活力,也要提高其在高底物濃度下的水解能力以及對(duì)映體選擇性。隨著反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行,該菌株催化的DL-泛解酸內(nèi)酯水解反應(yīng)的產(chǎn)物達(dá)到一定積累量,會(huì)抑制水解反應(yīng)進(jìn)行,使反應(yīng)達(dá)到平衡。雖然提高底物濃度可以提高D-泛解酸的生成量,但是底物水解率會(huì)降低,導(dǎo)致大量底物未被利用,綜合考慮底物利用率及產(chǎn)物生成量,底物濃度為200 g/L時(shí)最佳。因此以20%的DL-泛解酸內(nèi)酯為催化底物,分別加入1 g篩選得到的高活性菌株和原始菌株的濕菌體,30 ℃反應(yīng)9 h,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)液離心過膜,用旋光儀檢測其旋光度,液相檢測其水解率,以及將D-泛解酸內(nèi)酯分離純化后測其光學(xué)純度,水解率和光學(xué)純度按公式(2)(3)計(jì)算:
(2)
(3)
式中:ρ0,反應(yīng)前DL-泛解酸內(nèi)酯濃度,g/L;ρ1,反應(yīng)后DL-泛解酸內(nèi)酯濃度,g/L。
1.2.8 突變株發(fā)酵產(chǎn)酶條件優(yōu)化
相較于原始菌,突變株的基因組可能發(fā)生變化,原始菌株的發(fā)酵產(chǎn)酶條件不一定是突變株的最佳條件,因此對(duì)篩選到的高活性突變株,從發(fā)酵溫度(15~35 ℃)、發(fā)酵初始pH(6.0~9.0)、接種量(1.5%~16.5%)、發(fā)酵時(shí)間(12~96 h)幾個(gè)方面優(yōu)化其發(fā)酵條件探究其對(duì)產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響,每組做3個(gè)平行。
如圖1所示,隨著處理時(shí)間增加,致死率逐漸增加,120 s時(shí)達(dá)到93.86%,280 s完全致死。當(dāng)誘變時(shí)間短時(shí),中性突變率較高;隨著致死率增加,突變概率逐漸增加,但是負(fù)突變率也對(duì)應(yīng)增加。在處理時(shí)間為80 s時(shí)正突變率最高為28%,致死率為82.89%,這與文獻(xiàn)[17]中報(bào)道的致死率在80%左右更有利于篩選得到高產(chǎn)菌株相符合。
圖1 ARTP誘變時(shí)間對(duì)鐮孢霉菌致死率和突變率的影響Fig.1 Effects of ARTP mutagenesis time on the sterilization and mutation rate of Fusarium
將經(jīng)紫外不同照射時(shí)間的孢子液涂布于含有6 g/L LiCl的初篩培養(yǎng)基上,誘變效果如圖2所示。當(dāng)照射時(shí)間為60 s時(shí)致死率達(dá)到83.17%,140 s時(shí)完全致死。隨著照射時(shí)間的增加正突變率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在80 s時(shí)最大為20%,此時(shí)的致死率為88.78%。
圖2 UV-LiCl誘變時(shí)間對(duì)鐮孢霉菌致死率和突變率的影響Fig.2 Effects of UV-LiCl mutagenesis time on sterilization and mutation rate of Fusarium
在初篩培養(yǎng)基中加入底物DL-泛解酸內(nèi)酯,相當(dāng)于在篩選過程中給菌株一個(gè)脅迫作用,但是在培養(yǎng)基中加入DL-泛解酸內(nèi)酯會(huì)抑制菌株生長。在初篩培養(yǎng)基中加入不同濃度DL-泛解酸內(nèi)酯,27 ℃培養(yǎng)3 d,待菌落長出后計(jì)數(shù),未添加DL-泛解酸內(nèi)酯的作為對(duì)照,每組做3個(gè)平行,生長率按公式(4)計(jì)算:
(4)
如表1所示,DL-泛解酸內(nèi)酯含量太低時(shí)起不到脅迫作用,含量太高篩選范圍小,因此選擇1.5%的添加量較合適,初篩培養(yǎng)基變色圈效果如圖3所示。
表1 DL-泛解酸內(nèi)酯添加量對(duì)鐮孢霉菌生長的影響Table 1 Effect of DL-pantolactone addition on the growth of Fusarium
圖3 初篩培養(yǎng)基篩選效果Fig.3 Screening effect of primary screening medium
利用ARTP及UV-LiCl技術(shù)經(jīng)過4輪誘變選育,以獲得高活性D-泛解酸內(nèi)酯水解酶突變株,其中在在進(jìn)行第二輪ARTP誘變時(shí),正突變率及負(fù)突變率較第一輪均有所下降,第三輪采用UV-LiCl誘變以提高鐮孢霉菌對(duì)ARTP的敏感度,結(jié)果如表2所示,第四輪ARTP的突變率,較前三輪均有所增加。每一輪篩選出的高活性菌株如圖4所示。以每輪誘變篩選到的遺傳較穩(wěn)定的高活性的菌株為出發(fā)菌株,再進(jìn)行下一輪誘變(表2)。最終篩選得到一株高活性菌株4-80-6,其酶活力為3.51 U/mL。
表2 四輪誘變選育的過程Table 2 Process of four rounds of mutagenesis breeding
圖4 四輪誘變選育復(fù)篩菌株的酶活力Fig.4 Enzyme activity of re-screened strains selected by four rounds of mutagenesis
經(jīng)過誘變選育的突變株可能會(huì)出現(xiàn)自我修復(fù),導(dǎo)致遺傳不穩(wěn)定,因此對(duì)突變株4-80-6傳代培養(yǎng)8次,結(jié)果如表3所示。4-80-6菌株產(chǎn)酶活力比較穩(wěn)定,其平均酶活力為3.46 U/mL,說明該突變株遺傳穩(wěn)定,具有進(jìn)一步研究的價(jià)值。
以20%DL-泛解酸內(nèi)酯為底物,比較突變株4-80-6與原始菌株的水解能力,結(jié)果如表4所示。在20%底物濃度下,突變株4-80-6水解率由原始菌株的11.6%提高到了17.7%。因?yàn)镈-(-)-泛解酸內(nèi)酯水解成D-(+)-泛解酸,旋光性由左旋變成右旋,而L-(+)-泛解酸內(nèi)酯也是右旋的,反應(yīng)越徹底,右旋的旋光值就越大。測定反應(yīng)液的旋光值大小,可以觀察出菌體對(duì)底物的立體選擇性。突變株4-80-6反應(yīng)液旋光度由原始菌的1.216提高到了2.785,說明突變菌株沒有改變其立體選擇性。產(chǎn)物的光學(xué)純度,由原始菌株的93.5%提高到了98.3%,表明該突變株對(duì)高濃度DL-泛解酸內(nèi)酯的水解能力和對(duì)映體選擇性較原始菌株均有所提高,該突變株為工業(yè)上催化拆分DL-泛解酸內(nèi)酯提供了更好的酶源。
表3 突變株4-80-6的遺傳穩(wěn)定性Table 3 Genetic stability of mutant strain 4-80-6
表4 原始菌與突變株4-80-6催化DL-泛解酸內(nèi)酯水解拆分的數(shù)據(jù)分析Table 4 Comparison of DL-pantolactone hydrolysis and resolution catalyzed by original strain and mutant strain 4-80-6
2.7.1 發(fā)酵溫度對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響
如圖5所示,隨著發(fā)酵溫度增加,酶活力與發(fā)酵濕重均先增加后下降,在25 ℃時(shí)達(dá)到最佳,此時(shí)酶活力達(dá)到3.57 U/mL。而原始菌株的最佳培養(yǎng)溫度為27 ℃,說明突變株4-80-6較原始菌株更適合在低溫度下產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶。
圖5 發(fā)酵溫度對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響Fig.5 Effects of fermentation temperature on the production of D-lactonohydrolase by mutant strain 4-80-6
2.7.2 發(fā)酵初始pH對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響
如圖6所示,隨著發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH的增加,菌體濕重和酶活力均在pH為8.5時(shí)達(dá)到最佳,此時(shí)酶活力為4.01 U/mL,當(dāng)pH升高到9.0時(shí)開始下降。而原始菌株的最適發(fā)酵初始pH為7.5,說明突變株4-80-6較原始菌株,更適合在偏堿性下產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶。
圖6 發(fā)酵初始pH對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響Fig.6 Effects of initial pH on the production of D-lactonohydrolase by mutant strain 4-80-6
2.7.3 接種量對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響
如圖7所示,隨著接種量的增加,酶活力和菌體濕重均在10.5%的接種量時(shí)達(dá)到最大,此時(shí)酶活力為4.12 U/mL,突變株4-80-6的最佳接種量由原始菌株的7.5%提高到了10.5%。
圖7 接種量對(duì)突變株4-80-6產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的影響Fig.7 Effects of inoculation volume on the production of D-lactonohydrolase by mutant strain 4-80-6
2.7.4 原始菌和突變株4-80-6的發(fā)酵時(shí)間曲線
按照上述優(yōu)化的條件發(fā)酵培養(yǎng),每隔6 h測酶活力和濕重,以及測發(fā)酵液pH。如圖8所示,酶活力和發(fā)酵濕重隨著發(fā)酵時(shí)間增加均出現(xiàn)先上升后下降的趨勢,突變株4-80-6在48 h達(dá)到最佳,此時(shí)酶活力為4.33 U/mL,菌體濕重為0.075 g/mL。原始菌株在36 h達(dá)到最佳,此時(shí)酶活力為1.42 U/mL,菌體濕重為0.073 g/mL。突變株4-80-6達(dá)到最佳發(fā)酵時(shí)間由原始菌株的36 h延長到了48 h,說明該突變株較原始菌株生長緩慢些。
圖8 原始菌株與突變株4-80-6發(fā)酵時(shí)間曲線Fig.8 Fermentation time curve of original strain and mutant strain 4-80-6
如圖9所示,隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,發(fā)酵液pH先下降后上升,突變株4-80-6在48 h下降到最低4.94,原始菌株在36 h下降到最低5.1。pH變化趨勢與菌株生長趨勢相符合,前期菌體生長消耗培養(yǎng)基成分使培養(yǎng)基pH下降,當(dāng)菌體生長到一定程度,菌體開始出現(xiàn)裂解,菌體自身代謝物質(zhì)釋放使pH上升。
圖9 原始菌株與突變株4-80-6發(fā)酵液pH值變化曲線Fig.9 pH value curve of fermentation of original strain and mutant 4-80-6
以產(chǎn)D-泛解酸內(nèi)酯水解酶的鐮孢霉菌為基礎(chǔ),利用ARTP和UV-LiCl技術(shù)經(jīng)過4輪遞進(jìn)誘變,并結(jié)合平板變色圈大小初篩,搖瓶測酶活力復(fù)篩,篩選得到1株優(yōu)勢菌株4-80-6,酶活力為3.46 U/mL,是原始菌株的2.43倍,8次傳代培養(yǎng)后,該菌株遺傳穩(wěn)定。以20%的DL-泛解酸內(nèi)酯為底物催化時(shí),突變株4-80-6較原始菌株,水解率提高了47.41%,光學(xué)純度由93.5%提高到了98.3%。通過對(duì)突變株4-80-6發(fā)酵產(chǎn)酶條件的優(yōu)化,酶活力達(dá)到4.33 U/mL,比優(yōu)化前(3.46 U/mL)提高了25.14%。
本研究在多輪ARTP誘變中穿插一輪UV-LiCl誘變,其目的為了防止鐮孢霉菌對(duì)ARTP產(chǎn)生耐受性,提高其對(duì)ARTP的敏感度,增加突變概率。從突變率和致死率的結(jié)果可知,當(dāng)致死率較低時(shí),突變概率小,產(chǎn)生的大多都是中性突變;致死率較高時(shí),突變概率增加,負(fù)突變率會(huì)相應(yīng)增加,并且致死率太高篩選范圍較小。本研究中無論是ARTP誘變還是UV-LiCl誘變,均是在致死率為80%~90%時(shí),正突變率最高,這與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的致死率在80%左右更有利于篩選到優(yōu)勢菌株一致。篩選到的突變株4-80-6,不僅酶活力較原始菌株有所提高,在20%底物濃度下水解率也高于原始菌株,同時(shí)所得到的產(chǎn)物D-泛解酸內(nèi)酯的光學(xué)純度也有所提高,以及通過發(fā)酵條件優(yōu)化,進(jìn)一步提高了其酶活力,為工業(yè)上拆分DL-泛解酸內(nèi)酯提供了更好的酶源。
致謝
感謝中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院黃青研究員提供常溫室壓等離子設(shè)備與技術(shù)支持。