植物激素對納塔爾鏈霉菌發酵產納他霉素的影響

魏寶東，王利艷，于思雯，潘婭慧

（沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

植物激素對納塔爾鏈霉菌發酵產納他霉素的影響

魏寶東，王利艷，于思雯，潘婭慧

（沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

以納塔爾鏈霉菌（Streptomyces natalensis）為發 酵菌種，在搖瓶培養基中添加植物激素，通過單因素試驗初篩，獲得能夠有效提高納他霉素的產量的植 物激素；采用Box-Behnken試驗設計建立數學模型，進行響應面分析優化確定最優組合。結果表明：吲哚乙酸、赤霉素和6-芐氨基嘌呤均能夠有效提高納他霉素的產量，在5.5 mg/L吲哚乙酸、14.8 mg/L赤霉素和20.5 mg/L 6-芐氨基嘌呤的條件下發酵120 h時，發酵液中納他霉素的發酵產量可達到1.805 g/L，為對照組的1.63 倍。

植物激素；納塔爾鏈霉菌；納他霉素；發酵；響應面分析

納他霉素為一種多烯烴大環內酯類抗真菌劑，別名游鏈霉素、匹馬菌素或海松素[1]，是一種高效、廣譜的抗真菌類抗生素[2]，主要由褐黃孢鏈霉菌（Streptomyces gilvosporeus）、納塔爾鏈霉菌（Streptomyces natalensis）、恰努加鏈霉菌（Streptomvces chattanoogensis）等發酵產生[3]。由于它只抑制真菌且效率高、使用pH值范圍寬、毒性低、無特殊顏色和氣味且對產品的感官特性無任何影響等優點[4]，從而被廣泛地應用于食品工業、動物飼料、治療真菌引起的疾病等方面[5]。但由于納他霉素發酵產量水平較低，成本太高，目前國內還無法實現大規模生產，納他霉素產品主要依靠進口，限制了其作為新型的天然生物防腐劑的廣泛應用[6]。因此，研究納他霉素微生物發酵的規律，從而指 導和改進其發酵工藝，對提高納他霉素的發酵水平具有重要意義[7]。目前，對于提高納他霉素的產量的研究仍側重于菌種選育及培養條件的優化方面[8-11]，微生物發酵相關的報道較少。

植物激素在代謝、生長、形態建成等植物生長發育的各個方面均起著十分重要的作用，在農業生產上有著廣泛的應用。但是，利用植物激素促進微生物次級代謝提高次級代謝產物產量的研究鮮有報道。僅有將植物激素應用于藻類微生物、甾體微生物轉化反應、香菇的研究，結果表明植物激素能夠有效地調節海藻類微生物、甾體轉化微生物、香菇的生長發育以及某些代謝產物的合成[12-16]。但其對納他霉素的產量的影響未見報道，因此，本實驗采用植物激素對微生物發酵生產納他霉素的影響進行初步研究，為植物激素對微生物次級代謝調控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 菌種與試劑

納塔爾鏈霉菌（Streptomyces natalensis） 日本微生物菌種保藏中心。

麥芽浸粉、大豆蛋白胨 北京奧博星生物技術責任有限公司；酵母浸粉、葡萄糖、可溶性淀粉、甲醇（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；納他霉素標準品 北京東方瑞德生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

HZQ-F全溫振蕩培養箱 哈爾濱東明醫療儀器廠；超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司設備廠；手動壓力蒸汽滅菌鍋 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；電熱恒溫培養箱 南京中器三廠；UV-1600紫外分光光度計 北京瑞利分析儀器公司；PHS-25數顯pH計 上海雷磁儀器廠。

1.3 培養基

斜面培養基（g/L）：麥芽浸粉10、酵母浸粉4、葡萄糖4、瓊脂20，pH7.3；種子培養基（g/L）：葡萄糖20、大豆蛋白胨6、酵母浸粉6、氯化鈉10，pH7.0；發酵培養基（g/L）：麥芽浸粉10、大豆蛋白胨10、可溶性淀粉10、酵母浸粉4、葡萄糖（50g/100mL的葡萄糖進行單獨滅菌）40，pH7.3。

1.4 方法

1.4.1 提高納他霉素產量的植物激素單因素試驗

各種植物激素均加在納他霉素發酵培養基中[12]，將納塔爾鏈霉菌接種于斜面培養基上培養5～7 d，用適量無菌水洗下新鮮孢子制備成108CFU/mL孢子懸浮液[5]，然后取5mL孢子懸液接種到裝液量為20%的250 mL三角瓶中，在29 ℃、220 r/min條件下培養28～48 h，使菌體進入對數生長和穩定期，以2%接入量接種 到發酵培養基中，恒溫培養120 h，以發酵液中納他霉素的產量為評價指標進行有正向調節作用的植物激素的篩選。

由于已知的植物激素主要有以下5類：生長素、赤霉素、細胞分裂素、脫落酸和乙烯。根據文獻資料本實驗選擇生長素、赤霉素、細胞分裂素3類植物激素作為材料，它們分別是生長素中的吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA）、吲哚丁酸（indole butyric acid，IBA）、1-萘乙酸（1-naphthyl acetic acid，NAA）、赤霉素（3-gibberellic acid，GA3）和細胞分裂素中的6-芐氨基嘌呤（6-benzyl aminopurine，6-BA），分別配制成質量濃度為500mg/L的溶液備用。

以發酵液中納他霉素的含量為評價指標，在納塔爾鏈霉菌發酵培養的基礎上進行植物激素添加量的單因素試驗設計：在納塔爾鏈霉菌發酵液中分別添加IAA、IBA、NAA、GA3和6-BA，質量濃度分別為0、5、10、15、20、25mg/L。通過單因素試驗篩選獲得對納他霉素產量有正向調節作用的植物激素。

按單因素試驗選出的各植物激素最佳質量濃度添加到培養基中，進行發酵時間的確定。發酵時間分別為12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、132h時，取樣測定納他霉素產量，以發酵液中納他霉素的產量為評價指標進行發酵時間的確定。

1.4.2 提高納他霉素產量的植物激素響應面法優化試驗

根據單因素試驗結果，選取對納他霉素的微生物發酵產量影響較大的植物激素進行響應面試驗，以發酵液中納他霉素的發酵產量為響應指標，利用Design-Expert8.0軟件進行回歸分析，預測植物激素在納塔爾鏈霉菌發酵體系中的最佳組合。

1.4.3 納他霉素的測定

取1 mL納他霉素發酵液添加到裝有9 mL甲醇提取劑的離心管中，充分振蕩后于12 000 r/min離心15 min，吸取上清液用甲醇進行適當稀釋，在303 nm波長處測定其吸光度。根據吸光度和標準曲線進行定量分析[17]。

1.4.4 還原糖的檢測

采用DNS比色法[18]。

1.4.5 菌體干質量的測定

菌體干質量（dry cell weight，DCW）的測定參考文獻[19]。

2 結果與分析

2.1 納他霉素標準曲線的確定

采用紫外分光光度計法，以發酵液中納他霉素產量為橫坐標（x），其對應的吸光度為縱坐標（y），繪制標準曲線測定發酵液中納他霉素的產量。應用最小二乘法原理獲得線性回歸方程為y=0.1071x－0.0061，由相關系數R2=0.9998可知本測定方法在1～9mg/L范圍內線性關系良好[20]。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 不同質量濃度的植物激素對納他霉素產量的影響

本實驗將選擇的5種植物激素：吲哚乙酸（IAA）、吲哚丁酸（IBA）、1-萘乙酸（NAA）、赤霉素（GA3）、6-芐氨基嘌呤（6-BA），分別以不同質量濃度添加到發酵液中進行實驗，探索它們在液體培養條件下對納塔爾鏈霉菌合成納他霉素的影響，進而篩選出對發酵液中納他霉素的產量有促進作用的植物激素。

圖1 不同質量濃度的植物激素對納他霉素產量的影響Fig.1 Effects of different concentrations of plant hormones on natamycin production

從圖1可以看出，在一定質量濃度范圍內，發酵液中納他霉素的產量隨著植物激素質量濃度的增加而增大，IAA 5mg/L時產量相對較高；IBA 15mg/L時產量相對較高；NAA 20mg/L時產量相對較高；GA3 15mg/L時產量相對較高；6-BA 20mg/L時產量相對較高。植物激素質量濃度繼續增大時，反而影響了納他霉素的合成，表明此體系中植物激素存在最適質量濃度。

5種植物激素均能有效提高發酵液中納他霉素的產量，原因可能是植物激素能夠有效的促進細胞生長和分裂，導致菌體數量增加，進而提高納他霉素的產量；也可能在微生物生長過程中加入適量的植物激素，促進細胞新陳代謝，加速其分裂與增殖，促進菌體旺盛生長和產酶[21]。進而促進次級代謝，使納他霉素的產量提高。由此本實驗對菌體干質量和總糖含量變化進行監測，結果顯示變化不明顯，具體原因需進一步實驗研究。

本實驗中植物激素篩選的條件雖參照張桂和等[12]的報道，但所得篩選結果卻與其有所不同。張桂和等[12]利用2,4-二氯苯氧乙酸、6-芐基氨基嘌呤、奈乙酸、激動素、吲哚乙酸、吲哚丁酸，當質量濃度范圍在0.01～2.0mg/L時，植物激素對小球藻和異膠藻的生長均有明顯的促進作用，它們能促進藻細胞的分裂，增加藻色素的含量。

生長素中的吲哚乙酸（IAA）能夠顯著提高發酵液中納他霉素的產量，添加吲哚乙酸后的發酵液中納他霉素的產量為對照組不添加激素的152.1%，因此將其與赤霉素和6-芐氨基嘌呤作為后續響應面分析的因素。

2.2.2 發酵時間對納他霉素產量的影響

圖2 發酵時間對納他霉素產量的影響Fig.2 Effect of fermentation time on natamycin production

由圖2可知，發酵時間在72 h之前，納他霉素的產量均緩慢增加；72～96 h納他霉素的產量迅速增加；之后增加速度逐漸趨于平緩，發酵至120 h各自達到最高點；到132 h時只有對照中納他霉素的產量下降，其他均無變化。因此，將最適質量濃度的植物激素添加到發酵液中，發酵時間為120 h時納他霉素的產量達到最大，120 h以后納他霉素的產量不再繼續增加。

2.3 響應面法優化試驗結果

2.3.1 Box-Behnken試驗設計及結果

在單因素試驗基礎上，根據Box-Behnken設計原理[22]，選擇IAA（A）、GA3（B）、6-BA（C）作為響應面優化的考察因素，每個因素取3種水平，以（－1、0、1）編碼，以發酵液中納他霉素的發酵產量為響應值，設計三因素三水平試驗。

應用Design-Expert 8.0軟件進行Box-Behnken試驗設計，依次進行添加IAA、GA3、6-BA（每組3個平行）[23]，以發酵液中納他霉素產量為響應值（Y）進行響應面試驗，試驗設計及結果如表1所示。

表1 Box-Behnken試驗設計及結果Table1 Box-Behnken design and results

2.3.2 回歸模型的建立及統計分析

根據表1的結果，通過Design-Expert8.0軟件處理確定回歸方程，該試驗的回歸方程為：Y=1.81＋0.019A＋0.037B＋8.25C＋0.019AB＋5.51AC＋0.047BC－0.022A2－0.098B2－0.11C2。回歸模型進行方差分析及可信度分析結果見表2。

表2 回歸方程的統計分析Table2 Statistical analysis of the fitted regression equation

B、BC、B2和C2的二次項對發酵液中納他霉素的發酵產量影響均具顯著性（P＜0.01），其他變量影響均不顯著（P＞0.05），無統計學差異。簡化后的回歸方程為：Y=1.80900－0.018500A＋0.037250B＋0.0825000C＋0.018500AB－5.50000AC－0.047000BC＋0.022500A2－0.098500B2－0.11100C2。模型極顯著（P＜0.01），因變量與自變量之間的線性關系顯著（R2=0.9698），模型調整復相關系數=0.9311，說明該模型能解釋93.11%響應值的變化，擬合程度較好。失擬項不顯著（P＞0.05），說明本實驗所得二次回歸方程能很好地對響應值進行預測。

圖3 各因素及其相互作用對納他霉素產量影響的響應面和等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots showing the effects of different concentrations of IAA, GA3 and 6-BA on natamycin production

由圖3可知，在固定其他發酵參數條件下，IAA的質量濃度設定于某值時，隨著GA3質量濃度逐漸增大，納他霉素發酵產量出現先增加后減少的現象，且兩因素交互作用出現最高點即穩定點，說明此過程中發酵體系存在最適質量濃度，結合等高線圖形說明兩自變量間交互作用顯著。在固定其他發酵參數條件下，IAA的質量濃度設定于某值時，隨著6-BA質量濃度逐漸增大，納他霉素發酵產量出現先增加后減少的現象，且兩因素交互作用出現最高點即穩定點，說明此過程中發酵體系存在最適質量濃度，結合等高線圖形說明兩自變量間交互作用顯著。等高線圖形近似橢圓形，說明兩自變量間交互效應明顯，在固定其他發酵參數條件下，GA3的質量濃度設定于某值時，隨著6-BA質量濃度逐漸增大，納他霉素發酵產量出現先增加后減少的現象，且兩因素交互作用出現最高點即穩定點，說明此過程中發酵體系存在最適質量濃度。

響應面圖形是響應值對各試驗因子A、B、C所構成的三維空間的曲面圖，從響應面分析圖上可形象地看出最佳參數及各參數之間的相互作用。根據回歸方程繪制響應面分析圖及相應的等高線圖，運用Design Expert8.0軟件對模型進行分析。由圖3可較直觀的看出各因素交互作用對納他霉素的產量的影響，相應的值為0.411、－0.189、0.372時，響應達到最高點[24]，此時IAA、GA3、6-BA質量濃度分別為5.411、14.811、20.372mg/L。考慮實際操作性，將各誘導工藝參數修正為：IAA、GA3、6-BA質量濃度分別為5.5、14.8、20.5mg/L，此時發酵液中納他霉素的發酵產量最高，預測值為1.812g/L。為了檢驗回歸模型預測的準確性，在所得最佳誘導條件下進行3組平行實驗進行驗證，發酵液中納他霉素的實際產量分別為1.805g/L，與預測值十分接近，可見該模型能較好地預測實際誘導情況。

3 結 論

通過對5種不同植物激素進行篩選，得知IAA、GA3和6-BA能夠有效促進納塔爾鏈霉菌合成納他霉素。通過單因素試驗和Box-Behnken設計試驗，采用響應面分析法優化這3種激素的最佳組合，得出優化配比為：IAA的質量濃度為5.5mg/L、GA3的質量濃度為14.8mg/L、6-BA的質量濃度為20.5mg/L，此條件下發酵液中納他霉素的發酵產量可達到1.805g/L，比對照（1.105g/L）高出63.3%。

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Influences of Plant Hormones on the Natamycin Production of Streptomyces natalensis

WEI Bao-dong, WANG Li-yan, YU Si-wen, PAN Ya-hui
(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Screening of five plant hormones was carried out to find out those that can effectively enhance natamycin production in shake-flask culture by Streptomyces natalensis upon addition to the medium. A mathematical model was built using Box-Behnken experimental model and used to determine the optimal concentrations of selected plant hormones in the medium. The results showed that indole-3-acetic acid, gibberellin and 6-benzyl amino purine effectively increased natamycin production. At optimized concentrations of 5.5, 14.8 and 20.5 mg/L for these plant hormones, respectively, the yield of natamycin was 1.805 g/L, which was 1.63 times higher than that of the control group.

plant hormones; Streptomyces natalensis natamycin; fermentation; response surface methodology

TS201.3

A

1002-6630（2014）11-0185-05

10.7506/spkx1002-6630-201411037

2013-11-01

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2012248）

魏寶東（1969—），男，副教授，博士，主要從事食品制造與貯藏研究。E-mail：bdweisyau@163.com