17响应面设计优化醋酸杆菌产乙醇脱氢酶发酵培养基
肖仔君,黄国清,钟瑞敏
(广东韶关学院英东食品科学与工程学院,广东
韶关
512005)
摘要:利用响应面分析法优化醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基。在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken中心组合试验设计,选定碳源、氮源和生长因子3个因素为响应因子,以乙醇脱氢酶的酶活为响应值建立二次回归方程,相关系数R2=0.9652,在分析各个因素的显著性和交互作用后,确定了醋酸杆菌产乙醇脱氢酶最优的培养基,即碳源15.1g/L、氮源7.0g/L、生长因子272.5mL/L,在此条件下,乙醇脱氢酶活力理论响应值为0.352U/mL,验证值为0.349U/mL。
关键词:醋酸杆菌Acetobactersp.CCTCCM209061;乙醇脱氢酶;响应面;培养基优化中图分类号:Q93-3;Q55
文献标识码:A
文章编号:1001-9286(2010)07-0017-04
OptimizationofFermentationMediumforAlcoholDehydrogenaseProduced
fromAcetobactersp.CCTCCM209061byResponseSurfaceMethodology
XIAOZi-jun,HUANGGuo-qingandZHONGRui-min
(FoodScienceandEngineeringCollege,ShaoguanCollege,Shaoguan,Guangdong512005,China)
Abstract:FermentationmediumforADHproducedfromAcetobactersp.CCTCCM209061wasoptimizedbyresponsesurfaceanalysis(RSA).Basedonsinglefactorexperiment,threefactorsincludingcarbonsource,nitrogensourceandgrowthfactorswereselectedasresponsefactorsbyuseofBox-Behnkencenter-compositeexperimentaldesignandenzymeactivityofADHwasusedasresponsevaluetoestablishthequadricre-gressioneuation(thecorrelationcoefficientR2=0.9652).TheoptimumfermentationmediumforADHproductionfromAcetobactersp.CCTCCM209061wasdeterminedasfollowsthroughtheanalysisofthesignificanceandtheinteractionofeachfactor:15.1g/Lcarbonsource,7.0g/Lni-trogensource,and272.5mL/Lgrowthfactor.Undertheaboveconditions,thetheoreticalvalueoftheenzymeactivityofADHwas0.352U/mLandtheverifiedvaluewas0.349U/mL.
Keywords:Acetobactersp.CCTCCM209061;alcoholdehydrogenase(ADH);responsesurface;fermentationmediumoptimization
乙醇脱氢酶(AlcoholDehydrogenase,ADH)是生物体内重要的氧化还原催化剂之一,是一种广泛专一性的含锌金属酶,能够催化乙醇氧化生成乙醛,乙醛经乙醛脱氢酶(Aldehydedehydrogenase,ALDH)继续氧化生成乙酸[1]。随着生物技术的发展,乙醇脱氢酶在生物催化、生物医学和工业生产等领域都有较为广泛的应用。例如,利用乙醇脱氢酶作为生物催化剂合成一些原料以及中间产物[2];可以利用检测血清中乙醇脱氢酶的活性来诊断肝脏疾患[3];利用含有乙醇脱氢酶的微生物进行果酒、果醋的生产[4-5];在食品工业中,借助于乙醇脱氢酶氧化的产物乙醛与单宁作用,去涩退苦[6]。
目前,在动物、植物、微生物、真核生物以及原核细菌中都已发现醇脱氢酶,且在微生物中广泛存在。由于微生物的发酵周期短,培养基廉价,以及酶制剂可以实现大规模的生产,因此,从微生物细胞中提取ADH并制成酶制
收稿日期:2010-05-12
剂具有广阔的市场前景。
发酵培养基的优化是提高ADH产量、降低生产成本的重要途径之一。响应面分析法(RSA)是综合试验分析和数学建模最经济合理的试验,采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的关系,对影响产量的各因子水平及其交互作用进行优化与评价,并在一定的范围内求出最佳值[7]。本试验利用Box-Behnken响应面分析法对筛选得到的1株高产ADH的醋酸杆菌的培养基进行了优化。
1材料与方法
1.1试验材料
1.1.1菌株与培养基
菌株:醋酸杆菌(Acetobactersp.)CCTCCM209061,韶关学院英东食品科学与工程学院食品微生物教研室。
基金项目:广东省科技攻关项目(项目编号:2009B020312017),韶关市科技项目(项目编号):韶科[2009]80。肖仔君(1973-),男,主要从事食品生物技术和生物催化与生物转化的研究。作者简介:黄国清。通讯作者:
18酿酒科技·2010年第7期(总第193期)LIQUOR-MAKINGSCIENCE&TECHNOLOGY2010No.7(Tol.193)
基础培养基:葡萄糖10g/L,蛋白胨10g/L,pH6.0,
西红柿汁50mL/L(v/v),于121℃灭菌20min。
斜面培养基:西红柿汁50mL/L(v/v),琼脂15g/L,葡萄糖10g/L,酵母浸膏10g/L,蛋白胨10g/L,于121℃灭菌20min。1.1.2仪器和设备
超声波细胞粉碎机(JY92-Ⅱ,浙江宁波);紫外可见分光光度计(721型,上海棱光);超净工作台(SW-CJ-2FD,苏州)、培养箱(PYX-250Z-B,科力)等。
胨与5g/L酵母浸膏),基础培养基中其他成分不变,按照5%的接种量将醋酸杆菌分别接入含有不同浓度西红柿汁的培养基中,30℃、150r/min培养24h,在600nm下测其OD值,并取50mL发酵液离心后,提取粗酶液,测其酶活,研究不同浓度的西红柿汁对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响。
1.2.3
产乙醇脱氢酶培养基优化试验设计
在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken中心组合试验设计原理,选定碳源、氮源和生长因子3个因素为
1.1.3
试剂
酵母浸膏、蛋白胨购于广东环凯生物有限公司,其他试剂均为分析纯。
响应因子(表1),乙醇脱氢酶的酶活为响应值,通过数据分析确定产乙醇脱氢酶最优培养基。
1.2试验方法
1.2.1醋酸杆菌培养
将醋酸杆菌菌株接种于斜面基础培养基,在30℃恒温培养箱中培养48h,再将醋酸杆菌株接于液体基础培养基,于30℃恒温摇床中培养24h。
1.2.2醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的单因素试验
①不同碳源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
分别用10g/L葡萄糖,5g/L蔗糖,5g/L麦芽糖和
1.2.4
5g/L乳糖替代基础培养基中的碳源,其他成分不变,以5%的接种量将醋酸杆菌分别接入各种不同碳源的培养基中,30℃、150r/min培养24h,在600nm下测其OD值,并取50mL发酵液离心后,提取粗酶液,测其酶活,
研究不同的碳源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响。
②不同浓度的碳源(葡萄糖)对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响
配制含不同浓度(2g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L)的葡萄糖,基础培养基中其他成分不变,以5%的接种量将醋酸杆菌分别接入含有不同葡萄糖的浓度的培养基中,30℃、150r/min培养24h,在600nm下测其OD值,并取50mL发酵液离心后,提取粗酶液测酶活,研究不同浓度葡萄糖对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响。
③不同氮源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
分别用10g/L蛋白胨,10g/L酵母浸膏,混合氮源(5g/L蛋白胨与5g/L酵母浸膏、10g/L蛋白胨与10g/L酵母浸膏)替代基础培养基中的氮源,基础培养基中其他成分保持不变,以5%的接种量将醋酸杆菌分别接入各种含有不同氮源的培养基中,30℃、150r/min培养24h,在600nm下测其OD值,并取50mL发酵液离心后,提取粗酶液,测其酶活,研究不同的氮源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响。
④不同浓度的生长因子对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基的影响
配制含不同浓度(0、50mL/L、100mL/L、200mL/L、300mL/L、400mL/L)的西红柿汁,混合氮源(5g/L蛋白
乙醇脱氢酶粗酶液的制备[8]
取培养对数期(24h)细胞培养液在3000r/min离心25min,沉淀用pH8.0、20mmol/L的磷酸盐缓冲液洗涤3次,收集湿菌体细胞。称取6g湿菌体细胞,以固液比为1∶5悬浮于pH8.0、20mmol/L的磷酸盐缓冲液,在冰水浴中进行超声破碎(200W、4s×90次、间隙5s),再进行离心(6000r/min,15min,4℃)除去细胞碎片,细胞碎片再超声处理1次,同条件下离心,合并2次破碎离心后的上清液即ADH胞内粗酶液。合并后的上清液加入饱和度100%的硫酸铵溶液,得到40%~70%饱和度的硫酸铵溶液,在4℃下静置2h,将硫酸铵沉淀后的溶液离心(8000r/min,20min,4℃)。倒出上清液,沉淀用适量的0.1mol的磷酸缓冲液(pH7.4)溶解并装入已处理过的透析袋中,透析袋浸入0.1mol/L的磷酸缓冲液(pH7.4)中,每隔1~2h换1次透析袋外的缓冲液,最好静置定容至50mL,测其蛋白质含量和ADH的活力。1.2.5乙醇脱氢酶活性的测定[7-8]
参照WOOD氏法,取0.5mLMcllvaine缓冲液pH4.0,10%TrironX-100溶液0.1mL,1.0mol/L乙醇溶液0.1mL,粗酶液0.2mL,0.1mol/L铁氰化钾溶液0.1mL于25mL比色管中,25℃保温5min,然后加入硫酸铁-Dupanol溶液0.5mL,加入3.5mL蒸馏水混合后,在25℃条件下放置20min(同时做空白对照)后,用722型紫外分光光度计测定660nm处光密度。
酶活力单位定义:在上述OD值条件下,1min氧化lμmol的乙醇为1个酶活力单位;4.0光密度等于氧化lμmol的乙醇。
22.1
结果与讨论
醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的单因素试验
肖仔君,黄国清,钟瑞敏·响应面设计优化醋酸杆菌产乙醇脱氢酶发酵培养基192.1.1
不同碳源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
选用发酵工业常用的碳源,以相同的含碳量(1%)为标准,30℃培养24h,获得湿菌体细胞,破碎后测酶活,其结果表2。
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长因子后的培养基中乙醇脱氢酶的活力有所增加。
由表2中的结果可以得出,培养基中的碳源对醋酸
杆菌ADH的活性和菌体生物量的影响很大。以葡萄糖为碳源时,1mL发酵液中细胞酶活较高,菌液的OD值也相对高,因此,以葡萄糖作为碳源进行后续的研究。2.1.2不同浓度葡萄糖对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
以葡萄糖为碳源时,控制培养基中起始碳源分别为2g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L,30℃培养24h,获得湿菌体细胞,破碎测酶活,其结果见表3。
2.2响应面法优化醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的培养基
响应面分析法是一种寻找多因素系统中最佳条件的
数学统计方法,其中最常用的是Box-Behnken的中心组合设计原理,根据此原理,以脱氢酶酶活为响应值选取葡萄糖、氮源(酵母浸膏∶蛋白胨按照1∶1的方式)和西红柿汁3个对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶影响较大的因素,设计了3因素3水平共17个试验点的响应面分析实验。其具体实验方案及结果见表6。
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表3结果表明,在所考察的碳源浓度范围内,随着培
养基中碳源浓度的不断增大,醋酸杆菌在600nm下的
OD值增大,但在碳源浓度为5~20g/L范围,1mL发酵
液中的酶活变化不大。
2.1.3不同氮源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
表4为不同氮源对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响结
果,由表4可以看出,复合氮源比单一氮源对醋酸杆菌的
OD600值和酶活的影响较大。
根据实验结果,对实验数据进行多项拟合回归,以乙ÁÂÂ
醇脱氢酶的比活力为因变量,以碳源葡萄糖、氮源(酵母
浸膏∶蛋白胨为1∶1),生长因子西红柿汁为自变量建立回
归方程:Y=0.32+0.022A+4.75×10-3B+0.026C-0.015
2.1.4
生长因子对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响
在前期的研究中,当培养基中添加西红柿汁时,对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶有较大的影响,因此,研究了培养基
中添加不同浓度的西红柿汁对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶活力的影响,结果见表5。
由表5可以看出,在所考察的西红柿汁添加量的范围内,随着西红柿汁添加量增加,600nm下醋酸杆菌的OD值随之增大,但与没有添加西红柿汁的相比,添加生
AB+5.75×10-3AC-5.500×10-3BC-0.042A2-0.012B2-0.02C2;并对回归方程进行方差分析,结果见表7。
该方程表达了脱氢酶酶活与所选的3个因素之间的关系。回归方程的决定系数R2为0.9652。当“Prob>F”值<0.05,即表示该项指标显著,“Prob>F”值<0.01,即表示该项指标高度显著。从表3的分析结果来看,乙醇脱氢酶与试验中3个因素的回归方程的F值为21.56,方程显著。整体模型的“Prob>F”值<0.001,表明该二次方程
模型高度显著。西红柿汁和葡萄糖对醋酸杆菌产乙醇脱
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交互项中碳源与氮源交互显著,二次项中,碳源影响高度
显著,生长因子影响显著。在所选取的各因素水平范围内,按照对结果的影响排序为:西红柿汁>葡萄糖>氮源,同时,图1~3直观地反映了各因素交互作用对响应值的影响。比较3组图可知,生长因子(西红柿汁)对醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的影响最为显著,表现为曲线较陡;其次是碳源和氮源;失拟项p>0.05,表明该方程可以接受,可以利用该回归方程确定最优的产乙醇脱氢酶的培养基成分。
2.3
醋酸杆菌产乙醇脱氢酶培养基成分的确定
通过软件Design-Expert7.0求解方程,给出了产乙醇脱氢酶最优培养基组成为:葡萄糖15.080g/L,氮源(蛋白胨和酵母浸膏)7.043g/L,西红柿汁272.500mL/L,此时醋酸杆菌中乙醇脱氢酶的酶活为0.352U/mL。考虑到实际操作的局限性,培养基中的各种成分修正为:葡萄糖15.1g/L,氮源(蛋白胨和酵母浸膏)7.0g/L,西红柿汁272.5mL/L。为检验结果的可靠性,将醋酸杆菌接入到修正后的培养基中于相同条件下培养,破碎细胞后,测其酶活为0.349U/mL,与理论预测值基本吻合。因此,可利用
响应面分析法得到乙醇脱氢酶。
3结论
图1响应面法(A,B)立体分析图
应用Box-Behnken中心组合实验设计方法,优化了醋酸杆菌发酵生产乙醇脱氢酶的培养基。结果表明,醋酸杆菌产乙醇脱氢酶的最优培养基为:葡萄糖15.1g/L,氮源(蛋白胨和酵母浸膏)7.0g/L,西红柿汁272.5mL/L。
参考文献:
[1]SunH.,PlappB.Progressivesequencealignmentandmolecular
evolutionoftheZn-containingalcoholdehydrogenasefamily[J].JournalofMolecularEvolution,1992,34(6):522-535.[2]XiaoZ.,ZongM.,LouW.Highlyenantioselectivereductionof
4-(trimethylsilyl)-3-butyn-2-onetoenantiopure(R)-4-(trimethy-lsilyl)-3-butyn-2-olusinganovelstrainAcetobactersp.CCTCCM209061[J].BioresourceTechnology,2009,100(23):5560-5565.
[3]胡建强,刘凤兰.血清乙醇脱氢酶活性测定及临床应用[J].天
津医科大学学报,2001,7(001):110-111.
[4]徐晶,邓勇.山楂果醋发酵工艺的试验研究[J].中国农业大学
学报,2002,7(002):81-84.
[5]周秉辰.食醋生产中醋酸菌乙醇脱氢酶的活性与产酸速率关
系的研究[J].中国酿造,2009,(011):58-59.
[6]张海生,陈锦屏.柿饼加工中脱涩和反涩机理的研究[J].食品
工业科技,2003,24(012):39-40.
[7]郝学财,余晓斌,刘志钰,等.响应面方法在优化微生物培养基
中的应用[J].食品研究与开发,2006,27(001):38-41.
[8]潘丽军,余赟,郑志等.米根霉乳酸脱氢酶的特性研究[J].食品
科学,2003,24(011):23-26.
图3
响应面法(B,C)立体分析图
氢酶影响高度显著,氮源(蛋白胨∶酵母浸膏)影响不显著,
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