響應面法優(yōu)化放線菌BOS—018的液體發(fā)酵工藝

王勇 曹艷杰 張文革

摘要：為了提高放線菌BOS-018代謝產(chǎn)物中有效代謝物質(zhì)濃度，得到更多的活性成分，并提高其抑菌活性，采用響應面法來優(yōu)化放線菌BOS-018的液體發(fā)酵條件。先通過單因素試驗確定最佳單因素，再運用Plackett-Burman試驗對影響發(fā)酵的幾個因素進行評價并篩選出3個最主要因素，即溫度、接種量和裝液量。經(jīng)最陡爬坡試驗，最后運用Box-Behnken設計得到這3個因素的最佳值為：溫度27.74 ℃，接種量13.26 mL，裝液量102.07 mL。優(yōu)化后，抑菌圈直徑達到22.12 mm，相對于優(yōu)化前提高36.7%。

關(guān)鍵詞：放線菌；發(fā)酵優(yōu)化；響應面法；Plackett-Buman試驗；最快爬坡試驗；Box-Behnken試驗

中圖分類號： TQ920.6文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0458-03

放線菌具有非常高的經(jīng)濟價值，能產(chǎn)生多種多樣的抗菌物質(zhì)。到目前為止，食品、工業(yè)、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)上有許多成功的抗生素的使用實例[1]。從放線菌中提取有效的抗菌物質(zhì)來抑制黃瓜枯萎病成為一條安全、有效的途徑，放線菌BOS-018的次級代謝產(chǎn)物對黃瓜枯萎菌有較明顯的抑制作用。放線菌發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件的優(yōu)化是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的，是從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的環(huán)節(jié)[2]。響應面法在試驗設計中是一種常用方法，準確、高效且分析性強[3-4]。本實驗運用響應面法中的Plackett-Burman設計、最陡爬坡試驗、Box-Behnken設計來對BOS-018菌株的培養(yǎng)基配方和培養(yǎng)條件進行優(yōu)化，應用Design-Expert.V.8.0.6軟件對條件進行二階數(shù)值模型分析，獲得回歸方程，效果顯著[5]。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1菌株供試菌株：放線菌菌株BOS-018 （從長白山針葉林土壤中分離、篩選并保存）。指示菌株：黃瓜枯萎病菌，由遼寧科技大學生物工程實驗室提供。

1.1.2培養(yǎng)基固體保存培養(yǎng)基：PDA培養(yǎng)基；液體發(fā)酵培養(yǎng)基：高氏一號液體培養(yǎng)基。

1.2方法

1.2.1菌株的活化和抑菌物質(zhì)的測定將實驗室保存的BOS-018菌種接種于高氏一號斜面固體培養(yǎng)基上，在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，進行菌株活化。然后用接種環(huán)將菌種從斜面培養(yǎng)基接到250 mL三角瓶中，三角瓶中放入液體發(fā)酵培養(yǎng)基，然后放置在恒溫振蕩器上振蕩培養(yǎng)，振蕩器溫度為28 ℃，轉(zhuǎn)速為140 r/min。將放線菌菌株BOS-018接種于高氏一號液體發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵培養(yǎng)，根據(jù)不同的發(fā)酵培養(yǎng)條件培養(yǎng)后，將菌液在無菌條件下離心15 min，離心條件為4 000 r/min。然后把無菌濾紙片在離心所得的上清液中浸泡3 min后置于已接種黃瓜枯萎病菌的PDA培養(yǎng)基平板中央，于28 ℃條件下恒溫培養(yǎng)7 d后，再分別測量抑菌圈直徑，確定最佳發(fā)酵條件[6]。

1.2.2響應面法優(yōu)化發(fā)酵條件

1.2.2.1單因素試驗采用單因素試驗依次對培養(yǎng)基、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、裝液量、接種量、pH值等液體發(fā)酵工藝參數(shù)進行逐一優(yōu)化。每個處理重復3次，平均3次試驗的值。然后按照上面的方法對致病真菌進行抑菌試驗，找到能產(chǎn)生最大抑菌圈的單因素發(fā)酵培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件。

1.2.2.2Placket-Burman（P-B）設計試驗[7]在單因素試驗的基礎上，選取N=9的P-B試驗進行設計，將影響 BOS-018 發(fā)酵的9個因素作為P-B設計的主要成分。將高水平（1）設定為低水平（-1）的1.25～1.50倍，抑菌圈直徑作為響應值Y。表1為P-B設計試驗。數(shù)據(jù)采用 SPSS 17. 0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計處理，分別對數(shù)據(jù)作單因子方差分析，以P<0.05 表示差異顯著。選出影響抑菌圈直徑的3個顯著因子。

1.2.2.3Box-Behnken（B-B）試驗設計在單因素試驗及P-B試驗的基礎上，選取對整個發(fā)酵模型影響最大的3個顯著因子進行響應面分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行Box-Behnken試驗設計，每個因素3個水平，5個重復的中心點。響應面分析試驗以顯著因素為自變量，以抑菌圈直徑為響應值，來確定各因素對致病真菌的影響。

1.2.3[JP3]模型的驗證試驗為了進一步驗證響應面法所得預測值，將優(yōu)化后所得最佳預測值進行發(fā)酵試驗，每個試驗均設3個重復，取平均值。比較試驗所得值和預測值，來確定采用響應面法優(yōu)化得到的發(fā)酵條件是否準確可靠、是否具有實用價值。

2結(jié)果與分析

2.1Placket-Burman試驗結(jié)果與分析

Placket-Burman試驗數(shù)據(jù)見表2，表中數(shù)據(jù)采用SPSS 17. 0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計處理后，得到各因素的主要效應和顯著性，結(jié)果見表3。由表3可知，影響液體發(fā)酵的3個最顯著因素分別是溫度、接種量和裝液量，它們的Pr值均小于005，說明這個回歸模型是具有統(tǒng)計學意義的，這3個因素的影響都是顯著的。

2.2最陡爬坡試驗結(jié)果與分析

由Plackett-Burman試驗能夠看出，放線菌BOS-018液體發(fā)酵條件優(yōu)化中溫度、接種量、裝液量3個因素對抗生素的產(chǎn)量有顯著影響，其中溫度和接種量有顯著的正效應，應增加，裝液量有顯著的負效應，應減少。根據(jù)3個因素效應大小比例以及方程中各變量的系數(shù)關(guān)系設定它們的變化方向及步長進行試驗[8]

2.3Box-Behnken試驗結(jié)果與分析

根據(jù)Plackett-Burman試驗和最陡爬坡試驗來確定試驗因素和水平。試驗與結(jié)果如表5。

通過Box-Behnken設計出17組試驗，見表6。按照試驗所得數(shù)據(jù)進行二次多項回歸擬合，預測出抑菌圈直徑最大值所對應的關(guān)鍵因子范圍[9]。

3結(jié)論

發(fā)酵培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件的優(yōu)化在微生物發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化過程當中非常重要。Plackett-Burman （P-B） 試驗設計方法在微生物發(fā)酵培養(yǎng)基成分的優(yōu)化和發(fā)酵工藝關(guān)鍵參數(shù)的篩選中被廣泛應用，可以快速有效地篩選出對目標值影響最大的關(guān)鍵因子[10-11]。

本試驗運用響應面法中的Plackett-Burman設計、最陡爬坡試驗、Box-Behnken設計來優(yōu)化放線菌BOS-018的液體發(fā)酵條件。利用Plackett-Burman設計來確定顯著效應因素為培養(yǎng)溫度、接種量和裝液量。利用最陡爬坡試驗來確定3個顯著效應因子的變化方向和步長，Box-Behnken試驗確定最優(yōu)值為培養(yǎng)溫度27.74 ℃，接種量13.26 mL，裝液量102.07 mL。模型預測的抑菌圈Y值為22.12 mm，驗證試驗結(jié)果為23 mm，相對誤差為3.82%。試驗結(jié)果表明模型預測與驗證試驗結(jié)果基本一致，用該模型可以合理、有效地預測Y值，為進行工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎。

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