響應面對里氏木霉產纖維素酶液體發酵條件的優化

王強強　莫海飛　楊玉玲等

摘要：采用單因素試驗和響應面法對里氏木霉（Trichoderma reesei） RutC-30產纖維素酶的液體發酵條件進行優化并以濾紙酶活力（FPA）作為響應值。結果表明，最優發酵條件為玉米芯粉3.42%，牛肉膏添加量1.70%，吐溫-80添加量0.08%，初始pH 5.04，此條件下發酵液中的濾紙酶活力為12.10 U/mL，較未優化條件下得到的最高酶活力7.03 U/mL提高了72.12%。

關鍵詞：里氏木霉（Trichoderma reesei）；玉米芯粉；纖維素酶；酶活；液體發酵；響應面

中圖分類號：TQ925 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3735-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.040

Abstract： Single-factor tests and response surface methodology， with filter paper activity （FPA） as response value， were used to optimize the liquid-state fermentation medium for cellulase production by Trichoderma reesei RutC-30.The results showed that the optimum medium was composed of corncob powder 3.42%，beef extract 1.70%，and Tween-80 0.08% with initial pH 5.04. Under this condition，the FPA reached to 12.10 U/mL and increased by 72.12%，compared with the maximum FPA （7.03 U/mL） before optimization.

Key words：Trichoderma reesei；corncob powder；cellulase；enzyme activity；liquid-state fermentation；response surface methodology

植物纖維素類資源被統稱為生物質資源，主要包括農林、固體及能源作物廢棄物，其中農林廢棄物（如麥稈、麩皮、玉米秸稈、玉米芯、甘蔗渣、森林采伐加工剩余物等）中含有最豐富的纖維素類可再生資源[1-4]。中國是玉米種植第二大國，且在糧食作物總產量中占有很大比例[5-7]。玉米芯中含有豐富的營養成分，但因其適口性和營養性差，在飼料行業中未能得到有效的利用，隨著科技不斷更新，玉米芯諸多潛在功能與價值逐漸被開發出來[8]。玉米芯資源價格低廉，其綜合利用可以緩解因燃燒而引起的環境污染問題，具有不可估量的生態效益、經濟效益與社會效益[8-11]。本試驗利用纖維素酶工業高產絲狀真菌里氏木霉（Trichoderma reesei）[12]，采用液體發酵的方式，以玉米芯粉為發酵底物對產纖維素酶條件進行優化，以期為玉米芯粉更好地產纖維素酶利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株 里氏木霉RutC-30，由中國科學院微生物研究所提供。

1.1.2 主要儀器與設備 GSKP-01BII型隔水式電熱恒溫培養箱，湖北省黃石市醫療器械廠；MaxQ搖床、ST16R臺式高速冷凍離心機，美國Thermo Scientific公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；UV-6100型紫外可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；Delta-320型pH計，瑞士Mettler-Toledo有限公司。

1.1.3 主要材料與試劑 玉米芯粉：取玉米田地中自然風干的玉米芯鍘成小塊烘干，用粉碎機粉碎后過篩（1.0 mm）；吐溫-80：分析純，成都康迪生物技術有限公司；0.05 mol/L、pH 4.8檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，DNS試劑。

1.1.4 培養基 PDA斜面；MM培養基：葡萄糖20 g，硫酸銨5.0 g，KH2PO4 15 g，MgSO4·7H2O 0.6 g，CaCl2 0.45 g，CoCl2·6H20 3.7 mg，FeSO4·7H2O 5 mg，ZnSO4·7H2O 1.4 mg，MnSO4·H2O 1.6 mg，加去離子水至1 000 mL，pH自然；基礎產酶培養基：將MM培養基中葡萄糖等量換成微晶纖維素即可。

1.2 方法

1.2.1 菌株活化與擴大培養 將冷藏菌接種在新鮮PDA平板上，30 ℃活化培養，待產孢后，取1 mL 1×107個/mL的孢子懸液接入裝有50 mL MM培養基中，180 r/min、30 ℃恒溫培養72 h，待產菌絲。

1.2.2 產酶培養及粗酶液提取 2層紗布過濾菌絲并稱取1 g（濕重）菌絲，接種到50 mL基礎產酶發酵培養基中，180 r/min、30 ℃振蕩培養5 d。發酵液于4 ℃、8 000 r/min離心10 min，上清即為粗酶液。

1.2.3 酶活力測定 濾紙酶活力（Filter Paper Activity，FPA）測定[13]：將新華濾紙裁成6 cm×1 cm的長方形，卷成圓筒狀置于試管底部，加入檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液1.8 mL，50 ℃預熱5 min，再加入稀釋酶液0.2 mL（空白對照加等體積滅活酶液），50 ℃水浴保溫60 min后，迅速冷卻。加入3 mL DNS試劑，沸水浴10 min后迅速冷卻，補加去離子水至25 mL，搖勻靜置，于540 nm處測定吸光值。

酶活定義：在試驗條件下，1 mL酶液1 min水解底物生成1 μg還原糖（以葡萄糖計）所需酶量為一個酶活力單位（U/mL）。endprint

1.2.4 產酶條件優化 ①單因素試驗。保持其他因素不變，考察碳源（玉米芯粉、麩皮、微晶纖維素、乳糖、甘油、葡萄糖）、氮源（牛肉膏、蛋白胨、酵母浸膏、硫酸銨、尿素、硝酸鈉）、吐溫-80添加量、產酶初始pH以及氮源與碳源添加量對里氏木霉RutC-30發酵產纖維素酶活力的影響。②響應面優化試驗。在單因素試驗的基礎上，應用Box-Behnken設計4因素3水平試驗，響應面分析優化里氏木霉RutC-30產纖維素酶發酵條件，并進行最優驗證試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 最優碳源及其最適添加量 在基礎產酶培養基中分別添加2.0%的不同碳源并測定其FPA，結果（圖1）表明，玉米芯粉、麩皮對里氏木霉RutC-30產纖維素酶都有明顯的誘導效果，其中玉米芯粉效果最佳。因此選取玉米芯粉為碳源，考察玉米芯粉不同添加量（m/V，g：mL，下同）對里氏木霉RutC-30產纖維素酶的影響，結果見圖2。由圖2可知，當玉米芯粉添加量為3.5%時，發酵液中的FPA最高。

2.1.2 最優氮源及其最適添加量 向基礎產酶培養基中分別添加0.5%的氮源，測定發酵液中纖維素酶活力。結果（圖3）表明，有機氮源較無機氮源對里氏木霉RutC-30產纖維素酶有更好的效果，其中牛肉膏對產酶效果最佳。在基礎培養基中依次加入不同量牛肉膏，確定牛肉膏的最適添加量（m/V，g：mL，下同），結果見圖4。由圖4可知，當牛肉膏添加量為2.0%時，發酵液中FPA最高。

2.1.3 最優吐溫-80添加量 在基礎產酶培養基中加入不同質量的吐溫-80，測定其對里氏木霉RutC-30產纖維素酶的影響，結果如圖5所示。由圖5可知，當吐溫-80添加量（m/V，g：mL，下同）較少時，發酵液中纖維素酶活力逐漸增高，當添加量為0.12%時，發酵液中的FPA最高，較未添加條件下酶活力提高了48.46%，繼續增加吐溫-80酶活力反而下降。

2.1.4 最優產酶初始pH 設定其他因素不變，調節基礎產酶培養基初始pH并檢測不同pH條件下發酵液中纖維素酶活力，結果見圖6。由圖6可知，當基礎產酶培養基的初始pH為5.0時，發酵液中纖維素酶活力最高。

2.2 響應面優化結果

2.2.1 Box-Behnken試驗設計與結果 在單因素試驗基礎上，應用Box-Behnken設計4因素3水平試驗，因素與水平見表1，結果見表2。

2.2.2 數學模型建立及顯著性檢驗分析 根據Design Expert 8.0.5b軟件對表2中試驗結果進行二次線性回歸方程擬合，得到數學模型：Y=14.51-1.53A-2.61B-0.40C+0.58D-3.31AB+3.12AC-0.68AD+1.30BC+2.04BD-1.55CD-4.38A2-1.51B2-1.05C2-1.38D2。

由表3可知，模型顯著（P<0.05）， 因變量與自變量間線性關系較好（R2=0.789 1），模型調整復相關系數R2Adj=0.543 0，失擬項P=0.928 7>0.05，說明模型擬合程度較好且失擬不顯著，預測值與實際值間具有高度的相關性。由響應面分析F可知，各因素對里氏木霉RutC-30發酵產纖維素酶活力影響的主次順序為牛肉膏、玉米芯粉、初始pH、吐溫-80。

2.2.3 培養基的響應面優化與分析 利用Design Expert 8.0.5b軟件對數據進行分析得到響應面及等高線圖，各因素間交互作用對響應值的影響可直觀地反映出來。其中等高線的形狀可反映出交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素間的交互作用顯著，相反，圓形則表示不顯著[14，15]。具體響應面優化分析見圖7-圖12。由圖7可知，設定吐溫-80添加量及初始pH均為最優水平。當玉米芯粉加入量為某一值時，牛肉膏添加量為1.70%時FPA最高；當牛肉膏添加量為某一值時，隨著玉米芯粉添加量的逐漸增加，FPA呈現先增高后降低的趨勢。由等高線圖可知，兩因素交互作用明顯且達到顯著水平（P=0.032 6）。再由等高線變化密集度可知，玉米芯粉添加量對FPA的影響強于牛肉膏添加量。

由圖8可知，設定牛肉膏添加量及初始pH均為最優水平。當玉米芯粉加入量為某一值時，隨著吐溫-80添加量的逐漸增加，FPA逐漸增高，當其添加量為0.08%時，FPA最高；當吐溫-80添加量一定時，FPA隨著玉米芯粉添加量的逐漸增加而出現先增高后降低的趨勢。由等高線圖可知，玉米芯粉添加量與吐溫添加量交互作用明顯且達到顯著水平（P=0.041 8）。再由等高線變化密集度可知，玉米芯粉添加量對FPA的影響強于吐溫-80。

由圖9可知，設定牛肉膏添加量及吐溫-80添加量均為最優水平。當玉米芯粉添加量為某一值時，隨著初始pH的逐漸增加，FPA呈現先增高后降低的趨勢；當初始pH為某一值時，隨著玉米芯粉添加量的逐漸增加，FPA也出現先增高后降低的趨勢。由等高線圖中等高線形似圓形，表明玉米芯粉添加量與初始pH交互作用明顯但未達到顯著水平（P=0.631 3）。由等高線圖等高線變化密集度可知，玉米芯粉添加量對FPA的影響強于初始pH。

由圖10可知，設定玉米芯粉添加量及初始pH均為最優水平。當牛肉膏添加量為某一值時，吐溫-80添加量為0.08%時，FPA最高；當吐溫-80添加量為某一值時，隨著牛肉膏添加量的逐漸增加，FPA逐漸降低，加入1.70%牛肉膏時，FPA最高。由等高線圖可知，牛肉膏添加量與吐溫-80添加量交互作用明顯但未達到顯著水平（P=0.352 0）。由等高線圖等高線變化密集度可知，牛肉膏添加量對FPA的影響強于吐溫-80添加量。

由圖11可知，設定玉米芯粉添加量及吐溫-80添加量均為最優水平。當牛肉膏添加量為某一值時，隨著初始pH的逐漸增加，FPA呈現先增高后降低的趨勢；當初始pH為某一值時，隨著牛肉膏添加量的逐漸增加，FPA逐漸降低，牛肉膏添加量為1.70%時，FPA最高。由等高線圖可知，牛肉膏添加量與吐溫-80添加量交互作用明顯但未達到顯著水平（P=0.162 5）。由等高線圖等高線變化密集度可知，牛肉膏添加量對FPA的影響強于初始pH。endprint

由圖12可知，設定玉米芯粉添加量及牛肉膏添加量均為最優水平。當吐溫-80添加量為某一值時，FPA隨著初始pH的逐漸增加而呈現先增高后降低的趨勢；當初始pH為某一值時，吐溫-80添加量為0.08%時，FPA最高。由等高線圖可知，吐溫-80添加量與初始pH交互作用明顯但未達到顯著水平（P=0.281 0）。由等高線圖等高線變化密集度可知，初始pH對FPA的影響強于吐溫-80添加量。

2.2.4 最優發酵條件驗證結果 由Design Expert 8.0.5b軟件分析可知最優發酵條件為玉米芯粉3.42%、牛肉膏添加量1.70%、吐溫-80添加量0.08%、pH 5.04時，預測FPA最高為16.40 U/mL。為了檢驗模型預測的準確性，依據響應面試驗優化得到的培養基組成進行驗證試驗，得到FPA為12.10 U/mL，較未優化的條件得到的最高酶活力7.03 U/mL提高了72.12%，與模型預測值符合度為73.78%。

3 結論

相比于固體發酵，液體發酵更適合于工業的大規模生產[11]。本試驗中利用農田地里自然風干的玉米芯，經過粉碎制得玉米芯粉后直接用于試驗研究，并得到了較好的試驗效果，減少了因對玉米芯前處理而帶來的資源及成本的浪費[12]。

吐溫-80是一種良好的細胞表面活性劑，因能改變細胞膜的通透性而有效促進胞內蛋白的釋放[16]。劉佳等[17]添加臨界膠束濃度的吐溫-80后使酶活提高了31.8%；王亞林等[18]使用土溫-80后FPA提高了29.6%；本試驗中添加0.12%吐溫-80時酶活力提高了48.46%。可見吐溫-80對里氏木霉RutC-30液體發酵產纖維素酶有較好的促進作用。

響應面法（Response surface analysis，RSA）是數學方法和統計方法結合的產物[19]，具有減少試驗次數，縮短試驗周期，回歸方程精度高，并能直觀反映因素間的交互作用等特點；可同時對影響試驗的多因素間的交互作用進行優化與評估，精確反饋因素與響應值間的關系，并得到最佳的發酵條件。RSA是目前微生物發酵條件優化常用的方法。馮培勇等[20]經響應面條件優化酶活力提高了34.4%。本試驗中較未優化條件下FPA提高了72.12%。

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