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靈芝三萜液體發酵技術研究進展

2016-04-04 21:26:54黎李平張容容雷含珺王曉玲
食藥用菌 2016年5期
關鍵詞:生長研究

黎李平 張容容 雷含珺 王曉玲

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靈芝三萜液體發酵技術研究進展

黎李平 張容容 雷含珺 王曉玲*

(中南林業科技大學生命科學與技術學院,湖南長沙 410004)

靈芝三萜是靈芝的重要藥效成分,液體發酵技術是大量獲取靈芝三萜的重要途徑。概述靈芝發酵產三萜的菌株篩選,培養基優化和發酵技術,三萜液體發酵動力學,三萜生物合成的相關酶和基因表達調控等,綜述靈芝三萜液體發酵的最新研究進展,并對今后的相關研究進行了展望。

靈芝;靈芝三萜;液體發酵;發酵動力學;研究進展

靈芝藥用價值很高,自古以來被人們視為延年益壽的藥材,特定的靈芝種又名赤芝(學名,過去曾一直用)[1]。三萜和多糖是靈芝最主要的兩大類活性成分。靈芝三萜化學結構較復雜,分子量一般為400~600。依據結構和官能團不同,靈芝三萜包括靈芝酸、靈芝孢子酸、靈芝內酯、靈芝醇、靈芝醛、赤靈酸、靈赤酸、赤芝酮等約20類化合物?,F代藥理研究證明,三萜類化合物具有抗腫瘤、防止動脈硬化、保肝、抗HIV-1及HIV-1蛋白酶活性、提高免疫力、抗衰老等多種功能[2~6]。傳統栽培的靈芝,子實體形成周期長,勞動強度大。發酵技術的發展使其成為大規模工業化生產活性物質的主要方法[7,8]。通過發酵技術生產靈芝三萜已成為國內外的研究熱點。本文從靈芝發酵菌種的篩選,液體發酵工藝的優化以及三萜發酵動力學、三萜合成調控等方面,對液體發酵合成和獲取靈芝三萜的最新研究進展進行綜述。

1 靈芝三萜發酵菌株的研究

靈芝屬的種質資源十分豐富,僅在我國就發現98種,但目前對靈芝的研究主要集中在赤芝和松杉靈芝()兩個種。楊曉彤等對5個種的20多個菌株的液體發酵研究發現,除藥典批準的和2個種外,其余3個種也可在發酵過程中產生含量與之接近并有抑瘤活性的靈芝三萜[8~10]。研究還發現,就同一種而言,菌株差異也顯著影響三萜的產量。在發酵中選用經過篩選的特定菌株是提高三萜產量的有效途徑之一。如余素萍等已在種內篩選出三萜高產菌株31[11]。

在菌株誘變選育方面,李剛等通過原生質體紫外誘變,成功獲得了2株代謝產物含量和產量明顯高于原始菌株的誘變株[12]。陸正清等采取原生質體融合等方法打破靈芝菌絲體的正常代謝,使之失去自我保守性的調節控制,從而得以快速生長并大量積累目標代謝產物靈芝酸等[13]。

迄今,靈芝菌株的研究仍停留在傳統的菌株篩選,采用基因工程手段改良菌株的相關研究尚未見報道。

2 靈芝三萜液體深層發酵工藝

2.1 培養基及其優化

目前,已有許多學者對靈芝液體發酵培養基成分進行了優化研究,但是由于研究的供試菌株及原材料不同,培養基優化的結果也不盡相同,難以相互比較。

(1)碳源。劉冬等對15種常用碳源進行篩選研究,發現最適碳源為葡萄糖[14]。Fang Q.H.等研究表明,靈芝以葡萄糖為碳源時,其最適濃度為2%~5%[15]。白芳靜等的試驗結果與其一致,葡萄糖濃度過高(如8%),不利于菌絲生長和產物形成[16]。Xu Peng等研究碳源對靈芝菌絲體生物量和三萜酸產量的影響,結果發現葡萄糖有利于菌絲體生長,而玉米粉則有利于三萜酸的積累,當以兩者作為復合碳源時菌絲體生物量和三萜酸產量均可顯著提高,分別比對照組提高了18%和64%[17]。以上研究均表明靈芝菌株較適宜的碳源多為葡萄糖。葡萄糖的成本較高,Zapata P.等為降低培養基成本,試驗以大麥粉和NH4Cl為主要基質同時發酵生產靈芝菌絲體、多糖和靈芝酸(靈芝三萜),結果表明,靈芝菌絲體可達23.49 g/L,靈芝酸的產量也達到較高水平,為299.67±11.63 mg/L[18]。

(2)氮源。靈芝的較適宜的氮源多為有機氮源,如蛋白胨或酵母浸粉[7,15,17,19]。Fang Q.H.研究表明當碳源不變,以酵母浸粉和蛋白胨混合作為復合氮源發酵培養,添加量各為5 g/L時靈芝酸產量最高[19]。此外,碳氮比對菌絲生長和三萜產物的形成具有重要影響。楊焱等研究發現靈芝發酵過程的C/N比值在18~25之間對多糖的生成最為有利。根據C源的合適濃度,N源在培養基中的比例應為0.1%~0.2%[20]。

(3)無機鹽離子。靈芝在液體發酵過程中添加少量的無機鹽有利于目標產物的產生。分析已有文獻發現,通常Mg2+、K+和P5+是靈芝菌絲體正常生長的必要條件[15,17,19]。劉東等研究表明K+、Mg2+、P5+的缺乏尤其是K+的缺乏對菌絲體生長影響較大[14]。胡志斌等探討不同水平的亞硒酸鈉對靈芝菌絲體生長的影響,發現硒對靈芝菌絲生長有促進作用,在濃度為250 μg/mL時其生物量最大[21]。姚強等試驗發現,適當質量濃度的稀土元素可以顯著提高靈芝多糖和三萜的產量,其中鐠元素對多糖和胞內三萜的合成效果較明顯,而鑭元素對胞外三萜合成的誘導效果較好[22]。

2.2 發酵條件

(1)pH。pH對菌絲體生長影響極大,過酸過堿都不利于其生長。靈芝菌絲體在偏酸性條件下生長較好,一般培養靈芝的適宜pH范圍為5.0~6.5。但針對生產不同產物的最適初始pH并不相同。Fang Q.H.等研究表明以菌絲體生物量和靈芝酸為目標時,初始pH最佳為6.5左右,即為培養基的自然pH[23]。Leandro P.等發現pH為3.5時胞外多糖產量高[24]。衛軍等研究發現pH為6.5時其菌絲體生物量大[25]。pH梯度或階段控制有利于重要產物如靈芝酸的形成。Tang Y.J.等在靈芝液體發酵過程中,通過兩階段pH控制技術,即發酵的前4天控制pH 3.0,后6天控制pH 4.5時,靈芝酸的產量提高到321.6mg/L,效果顯著[26]。

(2)溫度。靈芝發酵的生長溫度范圍較廣,考慮到菌株差異及其他發酵因素的影響,選擇合適的溫度極其重要。適合菌絲生長的溫度為25~28 ℃,而宋景平等研究表明,稍高于此范圍的溫度(27~30 ℃)能提高目的三萜的產量[27]。衛軍等研究表明菌絲體在28 ℃時生長迅速,生物量達到最大[25]。而Chang M.Y.等研究發現菌株生長最適溫度為34 ℃[28]。

(3)培養時間。靈芝搖瓶培養研究發現,發酵過程的產物形成時間的順序依次為:胞外多糖,三萜。選擇合適的培養時間是關鍵。余素萍等收取不同培養時間的菌絲,發現培養前期的三萜類成分少,含量低,活性低,只有在培養96 h時生物量最大,且到達培養后期各組分不再增加,只在含量上發生改變[11]。徐濟責等研究發現,最佳培養時間為5天,此時菌絲密度和生物轉化率最大[29]。而王曉玲等在研究靈芝三萜酸分批發酵的非結構動力模型時發現,培養到3~7天時胞內三萜酸大量合成,而胞外三萜則于4~7天時大量合成,并都在第7天時達到最大[30]。在實際生產中應當按照對不同產物的要求選擇恰當的培養時間。

(4)溶氧。靈芝是好氧性真菌,氧在靈芝三萜發酵過程中比較重要。李平作等發現,在25 L發酵罐內選擇1︰0.75 v/(v·m)的通風量和180 r/min的轉速效果較好。通風可增加最終生物量,較低的溶氧環境可促進靈芝酸的產量[31]。Xu J.W.等采用先通氣振蕩,后靜置培養的方法培養菌絲體,結果顯示靈芝酸產量明顯提升[32]。因此,控制好溶氧量是靈芝發酵的重要調控策略之一。

(5)添加外源物質對三萜發酵的影響。靈芝發酵過程參數的優化和調控是常用于提高三萜產量的方法,但有時在其發酵體系中加入一些外源物質干預其代謝途徑,也能獲得高產量的目標產物。

已有研究結果表明,不同種類真菌激發子的不同濃度及添加時間都會對三萜類的產生發生不同的影響:頂頭孢激發子在發酵初期以120 μg/mL的濃度加入培養物中,三萜類物質的積累提高了5.2倍;木霉木素激發子在后期(第5天)以80 μg/mL的濃度加入培養物中,三萜類物質的積累提高了4.0倍[33]。2012年畢澎洋考察了薏苡仁酯不同添加量及添加時間對靈芝深層發酵的影響,顯示在發酵24 h時添加0.2%薏苡仁酯對促進靈芝酸的產生效果顯著[34]。我們實驗室曾將蜣螂添加到靈芝發酵體系中,結果靈芝胞外三萜的總含量顯著增加,其產量從對照的220.2±9.7 mg/L提高到304.3±11.8 mg/L,且合成一個EGT-1新組分,鑒定為四環三萜化合物 lucitone C[35~37]。

3 靈芝三萜發酵動力學

王曉玲等利用Sigmoid函數構建靈芝細胞生長、底物消耗、胞內和胞外三萜酸的非結構動力學模型,通過Boltzmann擬合求解出各模型參數[38]。結果表明,各模型預測值較好地吻合實驗值。靈芝細胞生長速率在第2.5天達到最大值(max),為0.700 d?1;葡萄糖比消耗速率在第2.4天達到最大值(qS, max)為1.060 d?1;胞內三萜酸比合成速率在第4.7天達到最大值(qITA, max),為11.345 mg/(g·d);胞外三萜酸比合成速率在第5天達到最大值(qETA, max),為10.077 mg/(g·d)。這與徐鵬等的實驗結果基本一致:細胞最大比生長速率μ為4.63×10-2h-1,葡萄糖最大比消耗速率qS, max為6.70×10-2h-1,靈芝酸最大比合成速率qGA, max為9.09×10-4h-1;靈芝酸的合成與細胞的生長呈現偶聯關系,偶聯系數αGA為0.020 4 g g-1[39]。

以上研究結果表明,Sigmoid模型在靈芝真菌生長和胞內外三萜酸形成規律的擬合方面有較好的適應性,研究結果為分批發酵法生產靈芝三萜酸提供了理論依據。另據靈芝發酵動力學的規律,控制發酵過程中的一些重要影響因子,將會顯著改變發酵結果。靈芝三萜(靈芝酸)在發酵后期才迅速合成,根據這個特點,方慶華等[40]提出兩階段培養模式,即在4天搖床培養之后再接以12天的靜置培養,相對于連續搖瓶7天的培養結果,靈芝酸產量大為提高(3.19 mg /100 mg干菌絲)。

4 靈芝三萜生物合成的相關酶和基因

三萜作為靈芝的重要藥效成分,其提取、分離和藥理作用方面已有大量研究,但靈芝三萜在靈芝細胞中是如何合成的,其合成途徑怎樣,涉及的相關合成酶和基因是什么等基礎科學問題至今仍不明晰。目前國內外三萜合成的研究大多集中在植物中三萜的合成,對植物三萜合成前體的途徑比較清楚,但最終三萜產物合成的具體途徑和相對應的復雜的酶系統尚不明了。靈芝三萜的前期合成與其他植物中三萜的合成類似,都是從甲羥戊酸(MVP)開始,三萜前體至羊毛甾醇階段的合成途徑也與其他植物中三萜的合成途徑類似。如Shang C.H.等經克隆其中3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)基因,表達分析表明,HMGR與靈芝重要三萜(靈芝酸)的生物合成呈正相關,且認為HMGR是甲羥戊酸(MVP)的限速酶[41]。對另外兩個靈芝合成前體的重要酶鯊烯合成酶(SQS)基因和2,3-環氧角鯊烯羊毛甾醇環化酶(OSC)基因的研究發現,這兩個基因可以在靈芝菌絲生長階段表達,但形成原基后的表達量顯著提高,靈芝三萜含量分析也表明,在原基階段的含量比菌絲體階段的含量高[42,43]。說明這兩個酶是靈芝三萜合成的關鍵酶。另據法呢基焦磷酸合酶(FPPS)基因表達的分析結果,FPPS基因也可以在靈芝菌絲生長階段表達,但形成原基后的表達量顯著提高。靈芝三萜含量分析還表明,在原基階段的含量比菌絲體階段的含量高[44]??梢奆PPS也是靈芝三萜合成的關鍵酶。

上述研究初步了解了靈芝三萜合成前期的相關酶和基因,但迄今對于靈芝三萜最終產物的合成途徑,即后期基因修飾和轉化途徑仍不清楚。近兩年,靈芝的全基因組測序已完成:靈芝基因組大小約43.3 Mb,由13條染色體組成,編碼16 113個預測基因。序列分析結果對靈芝三萜合成的有關基因有了初步了解,編碼細胞色素P450(CYPs)的基因中有78 個CYP基因與靈芝三萜重要前體羊毛甾醇的合成酶(LSS)共表達,提示這些CYP可能與靈芝三萜的合成有關[45]。進一步分析,有280個基因被成功注釋,其中包括3-羥基3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)基因和24個編碼細胞色素P450(CYPs)基因[46]。

5 展 望

目前,研究者們在優良菌株的選育、培養基的篩選、培養條件的優化、發酵工藝的改良等方面進行了大量的探索,提高了靈芝三萜發酵的技術水平。但在研究和生產中仍存在許多問題,如在工業化大規模生產中發酵培養基成本相對較高,需要不斷尋找較廉價的新的培養基質,在保持發酵產量不顯著降低的情況下,降低生產成本。在實驗室階段試驗成功的一些較復雜的過程控制策略和技術,如連續發、補料分批分階段發酵等技術在放大試驗或者在實際規?;a中會存在較大困難,一些技術環節很難實現,同時較復雜的技術過程還易染菌等問題均有待解決。因此,研究和開發適合規?;a的靈芝三萜發酵技術是十分必要的。

在基礎研究方面,國內外對靈芝三萜的研究主要集中在三萜組分的分離、結構鑒定、藥理作用及其作用機制等方面。但對靈芝三萜合成的途徑,以及合成途徑的調控方面的研究還十分薄弱。此外,適合絲狀真菌靈芝發酵生產三萜的相對柔和的生物反應器(發酵罐)的設計和試驗研究也有待加強。隨著靈芝三萜合成途徑及合成調控基礎研究的不斷深入,相應高效定向發酵技術的不斷成熟,以及各種相應大型生物反應器的研制成功,必將提高靈芝三萜的發酵水平和生產效率,推進靈芝三萜工業化生產的進程。

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Advances on triterpenes ofproduction by submerged fermentation

Li Liping Zhang Rongrong Lei Hanjun Wang Xiaoling*

(College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry & Technology, Changsha, Hunan 410004, China)

Triterpenes is the key pharmacologically active ingredient of. Submerged fermentation is viewed as a promising alternative for efficient production of triterpenes of. In this paper, the research progress on the strain screening, fermentation media, process technology, fermentation kinetics, the related key enzyme and genes of triterpenes biosynthesis were reviewed. In addition, the future relevant research on triterpenes oflingzhi produced by fermentation is prospected.

; triterpenes; submerged fermentation; fermentation kinetics

S646

A

2095-0934(2016)05-294-06

湖南省高校創新平臺開放基金項目(12K069)

黎李平(1991—),男,漢族,在讀碩士生,主要從事食用真菌發酵技術研究

王曉玲,E-mail:cathy8311@163.com

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