孫瑞雪,楊萍,劉琦,李曉輝,姜文俠,*(1.天津科技大學(xué),天津300457;.中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所,天津市工業(yè)生物系統(tǒng)與過(guò)程工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300308)
虎皮香菇漆酶的發(fā)酵優(yōu)化
孫瑞雪1,2,楊萍2,劉琦2,李曉輝1,2,姜文俠2,*
(1.天津科技大學(xué),天津300457;2.中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所,天津市工業(yè)生物系統(tǒng)與過(guò)程工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300308)
摘要:為制備食品級(jí)漆酶,以可用于食品的原料對(duì)虎皮香菇的漆酶發(fā)酵進(jìn)行優(yōu)化,考察培養(yǎng)條件、碳源、氮源及銅離子等因素對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酶的影響。確定虎皮香菇產(chǎn)漆酶的發(fā)酵培養(yǎng)基為:果糖48 g/L,玉米粉12g/L,胰蛋白胨9g/L,NH4H2PO41 g/L,KH2PO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.25 g/L,CuSO4·5H2O 1mmol/L;培養(yǎng)溫度為30℃,初始pH自然,種齡3 d,接種量6%(體積比),裝液量150mL/500mL三角瓶,發(fā)酵1 d~4 d搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min,第4 d~11 d搖床轉(zhuǎn)速為200 r/min,發(fā)酵液中漆酶活性達(dá)到462.59 U/mL,為優(yōu)化前的26倍。
關(guān)鍵詞:虎皮香菇;漆酶;發(fā)酵優(yōu)化
漆酶可以催化酚類(lèi)、芳胺、羧酸、金屬有機(jī)化合物以及一些甾類(lèi)激素和生物色素等超過(guò)250種底物。由于漆酶特殊的催化性能和廣泛的作用底物,漆酶在木質(zhì)素降解、食品除氧、果汁澄清、紙漿漂白、麻類(lèi)脫膠、有機(jī)合成以及環(huán)境污染物的降解等方面有著廣闊的應(yīng)用前景,成為綠色催化研究的熱點(diǎn)[1-3]。
虎皮香菇(Lentinus tigrinus),屬傘菌目,側(cè)耳科,香菇屬,生于闊葉樹(shù)腐木上,是一種食用真菌,易于進(jìn)
1.1菌種
虎皮香菇(Lentinus tigrinus)TIB.BPE 11072,中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所發(fā)酵過(guò)程研究組保藏。
1.2主要試劑與儀器
玉米粉:梅河口市興達(dá)米業(yè)有限責(zé)任公司;發(fā)酵專(zhuān)用豆粕粉2980、發(fā)酵專(zhuān)用豆餅粉2950:北京中棉紫光生物科技有限公司;中溫黃豆餅粉、低溫黃豆餅粉、低溫粕、高溫粕:山東萬(wàn)得福實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司;α-淀粉酶:北京索萊寶科技有限公司;果糖:河北華旭制藥有限責(zé)任公司;胰蛋白胨:北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠;2,2'-連氮-雙-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸鈉):Sigma;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU-1810型):北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;恒溫振蕩器:美國(guó)精騏有限公司;pH計(jì):梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;低溫恒溫循環(huán)器(ILB-008-01型):施都凱儀器設(shè)備(上海)有限公司。
1.3培養(yǎng)基
斜面培養(yǎng)基:葡萄糖20 g/L,蛋白胨10 g/L,酵母粉2 g/L,瓊脂15 g/L,以花生殼浸出液配制。
花生殼浸出液:粉碎的花生外殼100g,自來(lái)水1L,煮沸30min,過(guò)濾得濾液。
種子培養(yǎng)基:玉米粉30 g/L、豆粕粉15 g/L、α-淀粉酶54U/L、KH2PO43 g/L、MgSO4·7H2O 1.5 g/L。
發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基:可溶性淀粉20 g/L,蛋白胨10 g/L,KH2PO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.25 g/L,CuSO4· 5H2O 0.04mmol/L,121℃滅菌20min。
1.4漆酶發(fā)酵條件的優(yōu)化
1.4.1碳源和氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
分別以不同的碳源和氮源代替發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的可溶性淀粉和蛋白胨,30℃搖床150 r/min培養(yǎng)11d。
1.4.2銅離子濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
在經(jīng)過(guò)碳源和氮源優(yōu)化的發(fā)酵培養(yǎng)基中添加CuSO4·5H2O使其終濃度為0~3 mmol/L,30℃搖床150 r/min培養(yǎng)11 d。
1.4.3培養(yǎng)條件對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
以?xún)?yōu)化的培養(yǎng)基,分別考察培養(yǎng)溫度(25℃~35℃)、培養(yǎng)基初始pH(3.0~7.0)、裝液量(100 mL/500 mL~250mL/500mL三角瓶)、接種量(2%~14%)、菌種種齡(2 d~5 d)及搖床轉(zhuǎn)速(150 r/min~350 r/min)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響。
1.5漆酶活性的定義和測(cè)定方法
一個(gè)酶活單位(U)的定義是:在下述測(cè)定條件下,每分鐘催化1μmol ABTS所需的酶量。酶活計(jì)算公式為:

式中:U為酶活,U/mL;V為反應(yīng)總體積,mL;ΔOD 為420 nm吸光度的變化;n為酶液的稀釋倍數(shù);ε420= 36 000M-1cm-1為氧化型ABTS的摩爾吸光系數(shù);v為酶液體積,mL;t為反應(yīng)時(shí)間,min;L為比色皿的光徑,cm。
參考文獻(xiàn)[4]方法:控制分光光度計(jì)樣品池溫度為漆酶的最適反應(yīng)溫度40℃,反應(yīng)體系為3mL,向光徑為1 cm的比色皿中加入2.7m L濃度為0.05mol/L的檸檬酸鈉緩沖液(pH 4.6)和0.2mL濃度為0.5mmol/L 的ABTS,混勻,再加入0.1mL稀釋至適宜倍數(shù)的酶液,混勻后迅速放入樣品池,測(cè)定最初反應(yīng)3min內(nèi)反應(yīng)液在420 nm處吸光度的變化。以加熱煮沸5min的酶液作對(duì)照。
1.6生物量的測(cè)定
以菌絲體干重表示[5],發(fā)酵液經(jīng)離心、洗滌后收集菌絲體,置105℃烘箱中干燥至恒重。
2.1虎皮香菇的生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酶曲線
采用發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基,測(cè)定虎皮香菇生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酶曲線,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 虎皮香菇的生長(zhǎng)曲線與產(chǎn)酶曲線Fig.1 Changesofbiomassand laccaseactivity during fermentation
如圖1所示,生物量在第1 d~4 d迅速增加,幾乎看不到延遲期,第4 d~10 d菌絲體生物量基本恒定,處于生長(zhǎng)穩(wěn)定期,此后生物量逐漸下降。發(fā)酵的第2 d酶活迅速增加,至發(fā)酵11 d開(kāi)始進(jìn)入衰亡期酶活達(dá)到最高。因此將虎皮香菇的漆酶發(fā)酵周期定為11 d。
2.2碳源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
2.2.1碳源種類(lèi)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
以不同的碳源取代發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中相同質(zhì)量的可溶性淀粉,其他條件不變,篩選適合的碳源,結(jié)果見(jiàn)圖2。
如圖2所示,碳源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響很大,以葡萄糖為碳源時(shí)發(fā)酵液的酶活最高,達(dá)到28.83U/mL,其次為麥芽糖和果糖。
2.2.2碳源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
分別以濃度為20 g/L~100 g/L的葡萄糖、麥芽糖和果糖為碳源,考察碳源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 碳源種類(lèi)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.2 Effectof carbon sourceson laccase ferm entation

圖3 碳源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.3 Effectof carbon sourcesconcentration on laccase ferm en tation
如圖3所示,提高碳源濃度后,以果糖為碳源時(shí)發(fā)酵液中漆酶酶活明顯提高,且優(yōu)于同濃度的葡萄糖和麥芽糖,在果糖濃度60 g/L時(shí)發(fā)酵酶活達(dá)到最大值73.6U/mL。根據(jù)此結(jié)果選用濃度為60 g/L的果糖為漆酶發(fā)酵的碳源。
2.2.3復(fù)合碳源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
單糖利于微生物的利用,但不利于漆酶的分泌;多糖難以被直接利用,影響菌體生長(zhǎng),但它有利于漆酶的合成[6]。擔(dān)子菌有利用多糖的能力,因此,將碳源總濃度定為60 g/L,以玉米粉和果糖按不同的質(zhì)量比作碳源,考察復(fù)合碳源對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酶的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 果糖和玉米粉不同的質(zhì)量比對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.4 Effectof com posite carbon source on laccase fermentation
如圖4所示,選用復(fù)合碳源后發(fā)酵酶活顯著提高,當(dāng)果糖與玉米粉的質(zhì)量比為8∶2時(shí)酶活最高。我們認(rèn)為其原因是玉米粉為發(fā)酵過(guò)程提供了持續(xù)的碳源供給。
2.3氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
2.3.1不同有機(jī)氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
以20 g/L的葡糖糖為碳源,用不同的有機(jī)氮源取代發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中相同質(zhì)量的蛋白胨,考察有機(jī)氮源種類(lèi)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 有機(jī)氮源種類(lèi)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.5 Effectof organic nitrogen sourceon laccase fermentation
如圖5所示,有機(jī)氮源對(duì)漆酶發(fā)酵影響非常顯著,以蛋白胨為氮源時(shí)發(fā)酵液中漆酶酶活最高(30.84U/mL),其次是胰蛋白胨。
2.3.2有機(jī)氮源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
以60 g/L的葡糖糖為碳源,分別用濃度為5 g/L~60 g/L的蛋白胨和胰蛋白胨為氮源,考察有機(jī)氮源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 有機(jī)氮源濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.6 Effect of organic nitrogen sou rce concen tration on laccase ferm en tation
如圖6所示,相同濃度下,胰蛋白胨優(yōu)于蛋白胨,兩種氮源濃度均在10%時(shí)酶活最高,故選用10 g/L的胰蛋白胨作為漆酶發(fā)酵的有機(jī)氮源。
2.3.3無(wú)機(jī)氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
單獨(dú)使用無(wú)機(jī)氮為氮源時(shí),虎皮香菇菌絲體生物量較少,酶活較低,因此,在以胰蛋白胨為有機(jī)氮源的基礎(chǔ)上添加無(wú)機(jī)氮,考察添加無(wú)機(jī)氮對(duì)漆酶發(fā)酵的影響。胰蛋白胨與無(wú)機(jī)氮按8∶2的質(zhì)量比添加,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 無(wú)機(jī)氮對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.7 Effect of inorganic nitrogen source on laccase ferm entation
如圖7所示,當(dāng)以磷酸二氫銨為無(wú)機(jī)氮源時(shí)酶活較高,其次是硫酸銨,故選用磷酸二氫銨作為漆酶生產(chǎn)的無(wú)機(jī)氮源。
2.3.4復(fù)合氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
為考察有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源對(duì)虎皮香菇發(fā)酵漆酶的協(xié)同作用,將氮源總濃度定為10 g/L,胰蛋白胨和磷酸二氫銨按不同的質(zhì)量比作復(fù)合氮源,結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 復(fù)合氮源對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.8 Effectof com positenitrogen source on laccase fermentation
如圖8所示,當(dāng)胰蛋白胨和磷酸二氫銨的質(zhì)量比為9∶1時(shí),發(fā)酵酶活最高,是使用單一氮源的1.17倍。
2.4培養(yǎng)基中Cu2+濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
漆酶分子中含有銅離子,因此考察銅離子濃度對(duì)發(fā)酵的影響。在碳氮源優(yōu)化后的發(fā)酵培養(yǎng)基中添加CuSO4·5H2O,使其在培養(yǎng)基中的濃度為0~3mmol/L,結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 銅離子濃度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.9 Effectof copper ion concentration on laccase fermentation
如圖9所示,培養(yǎng)基中不添加Cu2+時(shí)發(fā)酵酶活僅為0.54U/mL,但銅離子濃度過(guò)高也會(huì)對(duì)菌株有毒害作用,不利于產(chǎn)酶,當(dāng)Cu2+濃度為1mmol/L時(shí),發(fā)酵液中漆酶的酶活最高,達(dá)到321.04U/mL。
2.5Cu2+的添加時(shí)間對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
考察Cu2+添加時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響,結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 銅離子添加時(shí)間對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.10 Effect of copper ion concentration on laccase ferm entation
如圖10所示,Cu2+的添加時(shí)間對(duì)發(fā)酵液中漆酶酶活有較大影響,且Cu2+添加時(shí)間與發(fā)酵液中漆酶的酶活基本呈負(fù)相關(guān),故在發(fā)酵接種前添加Cu2+。
2.6培養(yǎng)溫度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
在上述培養(yǎng)基優(yōu)化的基礎(chǔ)上,采用不同的發(fā)酵溫度,其他條件不變,考察發(fā)酵溫度對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 溫度對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.11 Effectof the incubation tem peratureon laccase fermentation
如圖11所示,在30℃~35℃之間,隨著溫度上升發(fā)酵酶活迅速下降;而在25℃~30℃之間,溫度對(duì)發(fā)酵酶活基本無(wú)影響;在較低溫度下培養(yǎng)時(shí)菌絲體生長(zhǎng)緩慢,到達(dá)生長(zhǎng)穩(wěn)定期的時(shí)間增加,使總發(fā)酵周期延長(zhǎng),不利漆酶生產(chǎn),故將發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)溫度設(shè)定在30℃。
2.7培養(yǎng)基初始pH對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
考察培養(yǎng)基的初始pH對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖12。
如圖12所示,在酸性范圍內(nèi),隨著培養(yǎng)基初始pH的增加,發(fā)酵液中漆酶酶活逐漸增加,在pH 5.5~6.5時(shí)達(dá)到最大值(354.73 U/mL),因此采用培養(yǎng)基的自然pH 5.7。

圖12 培養(yǎng)基初始pH對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.12 Effectof the initialpH on laccase fermentation
2.8搖瓶裝液量對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
裝液量是影響搖瓶溶氧的指標(biāo),考察搖瓶裝液量對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 裝液量對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.13 Effect of them edium volum eon the laccase ferm entation
如圖13所示,500 mL搖瓶裝液量為100 mL~250 mL時(shí),隨著裝液量的增加,漆酶酶活先增加后降低,在500mL三角瓶中裝液量為125mL時(shí),發(fā)酵酶活達(dá)到最大值334.8U/mL。考慮到漆酶發(fā)酵周期較長(zhǎng),蒸發(fā)量較大,將裝液量定為150mL/500mL三角瓶。
2.9接種量對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
接種量在很大程度上影響菌體的生長(zhǎng)與產(chǎn)物的合成,將培養(yǎng)好的液體種子按不同的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基,考察接種量對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 接種量對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.14 Effectof the inou lum sizes on the laccase ferm entation
如圖14所示,當(dāng)接種量較少時(shí),發(fā)酵液中菌體生物量較少,不利于漆酶生產(chǎn),隨接種量增加,產(chǎn)酶增多;當(dāng)接種量達(dá)到6%后,酶活不再增加,所以接種量選定6%。
2.10種齡對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
將不同種齡的種子液接入發(fā)酵培養(yǎng)基中,考察種齡對(duì)漆酶發(fā)酵的影響,結(jié)果見(jiàn)圖15。

圖15 種齡對(duì)漆酶生產(chǎn)的影響Fig.15 Effect of the seed ageon the laccase ferm entation
如圖15所示,種齡為3 d~4.5 d時(shí)發(fā)酵酶活最高,從圖1的生長(zhǎng)曲線可見(jiàn),是在對(duì)數(shù)期的后期,故將種齡確定為3 d。
2.11搖床轉(zhuǎn)速對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
搖床轉(zhuǎn)速影響搖瓶?jī)?nèi)的溶氧量,從而影響菌體的生長(zhǎng)及產(chǎn)酶,考察搖床轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酶的影響,結(jié)果見(jiàn)圖16。

圖16 轉(zhuǎn)速對(duì)漆酶發(fā)酵的影響Fig.16 Effectof the fermentation speed on laccase fermentation
如圖16所示,提高搖床轉(zhuǎn)速,發(fā)酵液溶氧量增加,當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)漆酶酶活最高。
2.12搖床變速培養(yǎng)對(duì)漆酶發(fā)酵的影響
在發(fā)酵初期,當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí),菌絲團(tuán)聚集,不利于菌體生長(zhǎng)及后期產(chǎn)酶,因此在菌體生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期,即發(fā)酵前4 d將轉(zhuǎn)速降為150 r/min,之后再提高至200 r/min。與200 r/min恒速培養(yǎng)比較,變速培養(yǎng)的發(fā)酵酶活為462.59U/mL,是恒速培養(yǎng)的1.3倍。
在虎皮香菇漆酶發(fā)酵的第1 d~4 d,以菌絲體生長(zhǎng)為主,漆酶產(chǎn)生較少,培養(yǎng)的4 d~11 d漆酶大量產(chǎn)生,發(fā)酵11 d時(shí)漆酶的發(fā)酵酶活最高。
優(yōu)化后的發(fā)酵培養(yǎng)基組成為:果糖48 g/L,玉米粉12 g/L,胰蛋白胨9 g/L,NH4H2PO41 g/L,KH2PO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.25 g/L,CuSO4·5H2O 1mmol/L,自然pH。優(yōu)化后的培養(yǎng)條件為:培養(yǎng)溫度為30℃,種齡3 d,接種量為6%,發(fā)酵1 d~4 d轉(zhuǎn)速為150 r/min,4 d~11 d轉(zhuǎn)速為200 r/min,裝液量為150m L/500m L三角瓶,發(fā)酵周期11 d,漆酶發(fā)酵活性達(dá)到462.59 U/mL,為優(yōu)化前的26倍。
漆酶研究的歷史較長(zhǎng),但在我國(guó)還是新興的酶制劑產(chǎn)品,隨著食品級(jí)漆酶的國(guó)產(chǎn)化,必將推動(dòng)漆酶在我國(guó)食品和飲料工業(yè)中的應(yīng)用。
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DO I:10.3969/j.issn.1005-6521.2015.21.040
基金項(xiàng)目:天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZCZDSY05400);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KSZD-EW-Z-015)
作者簡(jiǎn)介:孫瑞雪(1986—),女(漢),研究生,研究方向:發(fā)酵工程。*通信作者:姜文俠(1964—),男(漢),研究員,研究方向:發(fā)酵工程。行固體栽培和液體發(fā)酵培養(yǎng),具有漆酶產(chǎn)量高,菌絲體和代謝產(chǎn)物可直接應(yīng)用于食品行業(yè)等優(yōu)勢(shì),因此虎皮香菇符合制備食品級(jí)漆酶對(duì)菌種的食品安全要求。本文以可用于食品的原料優(yōu)化該菌株的漆酶發(fā)酵,提高發(fā)酵酶活。
收稿日期:2014-03-26
Ferm entation Optim ization of Laccase by Lentinus tigrinus
SUNRui-xue1,2,YANGPing2,LIUQi2,LIXiao-hui1,2,JIANGWen-xia2,*
(1.Tianjin Universityof Science&Technology,Tianjin 300457,China;2.Tianjin Key Laboratory for IndustrialBiological Systemsand Bioprocessing Engineering,Key Laboratory of SystemsMicrobial Biotechnology,Tianjin Instituteof Industrial Biotechnology,Chinese Academy of Sciences,Tianjin 300308,China)
Abstract:In thisstudy,for the production of food-grade laccase,the nutritional and environmental conditions of a laccase produce strain,Lentinus tigrinus,were investigated and optimized.The optimum conditions described as follows:fructose 48 g/L,corn flour 12 g/L,tryptone 9 g/L,NH4H2PO41 g/L,KH2PO42 g/L,MgSO4·7H2O 0.25 g/L,CuSO4·5H2O 1 mmol/L,temperature 30℃,pH natural,inoculum age 3 d,inoculum size 6%,medium volume 150mL/500mL,rotated speed 150 r/min on 1 d-4 d and 200 r/min on 4 d-11 d. With thoseoptimum conditions,the laccaseactivity reached at462.59U/mL increasing by26 timescompared to beforeoptimcizing.
Keywords:Lentinus tigrinus;laccase;fermentation;optimization