鞏志金,劉勝格,梁鑫鑫,魏貝貝,梁光杰,楊 革,劉金鋒,車程川*
(曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山東 曲阜 273100)
響應(yīng)面法優(yōu)化銅綠假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂發(fā)酵培養(yǎng)基的研究
鞏志金,劉勝格,梁鑫鑫,魏貝貝,梁光杰,楊 革,劉金鋒,車程川*
(曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山東 曲阜 273100)
該研究對銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)SKY01產(chǎn)鼠李糖脂的發(fā)酵培養(yǎng)基組分進(jìn)行了優(yōu)化。采用單因素試驗確定豆油、硝酸鈉及微量元素的添加量。在單因素試驗的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面試驗設(shè)計進(jìn)行培養(yǎng)基組分優(yōu)化。結(jié)果表明,最佳發(fā)酵培養(yǎng)基配方為豆油80 g/L、硝酸鈉4 g/L、微量元素8.5‰。在此最佳培養(yǎng)基組分條件下,鼠李糖脂的產(chǎn)量達(dá)到45.34 g/L,比優(yōu)化前的產(chǎn)量39.62 g/L提高了14.43%。
銅綠假單胞菌;鼠李糖脂;響應(yīng)面法;培養(yǎng)基組分優(yōu)化
鼠李糖脂(rhamnolipid)主要是由微生物次級代謝產(chǎn)生的一種陰離子生物表面活性劑(biosurfactants),其親水基團(tuán)一般由1~2分子的鼠李糖環(huán)構(gòu)成,疏水基團(tuán)由不同碳鏈長度的脂肪酸構(gòu)成[1]。與傳統(tǒng)化學(xué)合成的表面活性劑相比,鼠李糖脂生物表面活性劑具有無毒、可再生、易生物降解等優(yōu)良性能,具有十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。如在石油化工領(lǐng)域,鼠李糖脂可參與形成新的驅(qū)油復(fù)配體系,提高原油的采收率。樂建君等[3]用鼠李糖脂復(fù)配體系在大慶油田進(jìn)行生物表面活性劑驅(qū)油技術(shù)實驗,發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂復(fù)配驅(qū)油體系采收率比水驅(qū)體系提高7.9%~9.3%,投入產(chǎn)出比高達(dá)1∶2.4。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,鼠李糖脂是一種可用于處理皮膚灼傷及部分皮膚病的潛在藥物。TAMARA S等[4]已經(jīng)比較全面的闡述了鼠李糖脂在治療皮膚燒傷的作用,并取得了寶貴的臨床應(yīng)用經(jīng)驗。另外在食品工業(yè)領(lǐng)域,鼠李糖脂可作為增大烘焙體積的膨大劑和水果保鮮劑,其食用安全性已通過了美國環(huán)保署(environmentalprotectionagency,EPA)的食用安全認(rèn)證。
目前,鼠李糖脂主要通過銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生。發(fā)酵過程易受培養(yǎng)基組分變化的影響,特別是受用于維持菌體生長和產(chǎn)物生成所必需的碳源、氮源等的影響尤為突出。經(jīng)過幾十年的研究,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)疏水性的植物油和可被快速利用的硝酸鈉是銅綠假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂的最佳碳源和氮源,并且通過合理的控制培養(yǎng)基中硝酸鈉的含量可有效的提高發(fā)酵產(chǎn)量[5-6]。如GIANI C等[7]以豆油為碳源、硝酸鈉為氮源,采用氮源限制的分批發(fā)酵方式生產(chǎn)鼠李糖脂,產(chǎn)量達(dá)到了112 g/L。另外除碳源和氮源外,微量元素也一類影響鼠李糖脂發(fā)酵的重要物質(zhì)。GUERRA-SANTOS L等[8]研究發(fā)現(xiàn),鐵離子在微量元素中對銅綠假單胞菌發(fā)酵產(chǎn)鼠李糖脂的影響最大并進(jìn)一步通過優(yōu)化培養(yǎng)基中碳與鐵的比例,獲得了最高鼠李糖脂產(chǎn)量。響應(yīng)面分析法則是一種常用的發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化方法,主要原理是利用合理的試驗組合設(shè)計,采用多元二次回歸方程擬合各影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,并通過對回歸方程的分析確定最佳工藝參數(shù)[9-11]。利用響應(yīng)面分析法進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化,既可以有效地減少試驗次數(shù),縮短試驗時間,避免盲目性,又能得到合理有效的試驗結(jié)果[12-13]。
本研究在單因素試驗[14-15]的基礎(chǔ)上,根據(jù)響應(yīng)面分析法中Box-Benhnken Desgin(BBD)試驗設(shè)計原理[16-17],利用Design-Expert 8.0.6軟件對鼠李糖脂發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行組分優(yōu)化,以期得到培養(yǎng)基組分的最優(yōu)配比提高鼠李糖脂的產(chǎn)量,并為鼠李糖脂發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化提供技術(shù)參考。
1.1 材料與試劑
1.1.1 菌種
銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)SKY01:由本實驗室保藏。
1.1.2 主要試劑
苔黑酚、硝酸鈉、七水硫酸鐵、七水硫酸鎂、七水硫酸鋅、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、五水硫酸銅、一水硫酸錳、四水氯化鈣、L-鼠李糖一水合物(均為分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胰蛋白酶蛋白胨、酵母提取物(均為生化試劑):英國Oxoid公司。
1.1.3 微量元素溶液及培養(yǎng)基
微量元素溶液:ZnSO4·7H2O0.29g/L,CaCl2·4H2O0.24g/L,CuSO4·5H2O 0.25 g/L,MnSO4·H2O 0.17 g/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.000 28 g/L,0.22 μm濾膜過濾除菌。
種子培養(yǎng)基:葡萄糖10 g/L,胰蛋白胨5 g/L,酵母提取物1 g/L,氯化鈉0.5 g/L,115℃條件下滅菌20 min。
發(fā)酵培養(yǎng)基:KCl1.1g/L,NaCl1.1g/L,KH2PO43.4g/L,K2HPO44.4 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,NaNO37 g/L,豆油70 g/L,酵母提取物0.5 g/L,并加入5‰的微量元素溶液,121℃條件下滅菌20 min。
1.2 儀器與設(shè)備
TU-19紫外可見分光光度計:北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;SIGMA 2-16PK通用型離心機(jī):德國Sigma公司;SW-CJ-1D超凈工作臺:蘇州凈化設(shè)備有限公司;HH-4D恒溫水浴鍋恒康儀器設(shè)備有限公司;TS-1102立式搖床:上海天呈試驗儀器制造有限公司。
1.3 方法
1.3.1 菌種培養(yǎng)
種子活化:將銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)SKY01在無菌條件下用滅菌竹簽挑取少許,在固體種子培養(yǎng)基上劃線,30℃培養(yǎng)至出現(xiàn)單菌落。挑取單菌落接種至裝液量為3 mL/15 mL的試管中,30℃、200 r/min培養(yǎng)8 h。
種子培養(yǎng):將活化好的種子按10%的接種量轉(zhuǎn)接至搖瓶種子培養(yǎng)基中,30℃、200 r/min培養(yǎng)8 h,準(zhǔn)備接種。
1.3.2 鼠李糖脂的發(fā)酵
發(fā)酵培養(yǎng):按10%接種量將種子液轉(zhuǎn)接到裝液量為25 mL/250 mL搖瓶中,30℃、200 r/min振蕩培養(yǎng)144 h。
1.3.3 培養(yǎng)基組分優(yōu)化
單因素試驗:設(shè)計單因素試驗考察發(fā)酵培養(yǎng)基中不同濃度的豆油、硝酸鈉及微量元素對鼠李糖脂產(chǎn)量的影響,確定各因素的中心值及水平。
響應(yīng)面試驗:利用響應(yīng)面分析法中Box-BehnkenDesign(BBD)試驗設(shè)計原理,采用單因素試驗確定的中心值(用“0”表示)、低水平(用“-1”表示)和高水平(用“+1”表示),以鼠李糖脂的產(chǎn)量(Y)為響應(yīng)值,對發(fā)酵培養(yǎng)基中豆油(A)、硝酸鈉(B)及微量元素(C)含量進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳發(fā)酵培養(yǎng)基配方,試驗因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surfer experiments
1.3.4 鼠李糖脂檢測
稱取0.19 g苔黑酚,加入100 mL 53%的硫酸溶液溶解,待冷卻后避光保存?zhèn)溆谩E渲瀑|(zhì)量濃度為0、10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L的L-鼠李糖一水合物溶液,按照苔黑酚-濃硫酸比色法制得鼠李糖標(biāo)準(zhǔn)曲線[18]。
將發(fā)酵液(萃取劑為氯仿∶乙醇=2∶1)萃取、吹干后加入蒸餾水稀釋至相應(yīng)濃度。取0.3 mL上述稀釋液于具塞比色管中,加入2.7 mL苔黑酚-濃硫酸溶液,混勻,于80℃恒溫水浴反應(yīng)30 min。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,在421 nm波長處測定吸光度值,并根據(jù)鼠李糖標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計算得到鼠李糖的含量,然后乘以鼠李糖脂與鼠李糖的質(zhì)量比例系數(shù)3.4,計算鼠李糖脂的含量[19]。
2.1 鼠李糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
在酸性條件下鼠李糖脂中的2'-脫氧胸苷-5'-二磷酸-L-鼠李糖(deoxy-thymidine-diphospho-L-rhamnose,dTDP-L-rhamnose)與β-羥基烷酸(β-hydroxyalkanoate,β-HAA)之間的糖苷鍵會發(fā)生水解,生成鼠李糖和相應(yīng)的羥基烷酸,通過測定鼠李糖的含量,計算得到鼠李糖脂的含量[20]。以鼠李糖質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo),吸光度值(y)為縱坐標(biāo),繪制鼠李糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見圖1。
由圖1可知,標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程為y=0.020 5x+0.016,相關(guān)系數(shù)為R2=0.997,說明二者線性關(guān)系良好,可用于鼠李糖脂的檢測。
2.2 接種時間的確定
選擇適當(dāng)種齡的菌種接種十分重要,通常選擇生長旺盛的對數(shù)期末期的種子進(jìn)行接種。由圖2可知,0~2 h為菌株生長的遲緩期,菌株逐漸適應(yīng)培養(yǎng)環(huán)境并緩慢生長。2~10 h為菌株的對數(shù)生長期,菌體開始快速生長,并在8~10 h的對數(shù)期末期逐漸達(dá)到峰值。此時,比生長速率開始明顯下降。10~14 h為菌株生長的穩(wěn)定期,此時菌體濃度已達(dá)到最大并保持不變。14~18 h時菌株開始大量死亡,菌體濃度逐漸下降,菌株進(jìn)入衰亡期。因此,本實驗選擇培養(yǎng)時間為8 h種子進(jìn)行接種為宜。

圖2 銅綠假單胞菌SKY01的生長曲線Fig.2 Growth curve ofP.aeruginosaSKY01
2.3 單因素試驗結(jié)果
分別對發(fā)酵培養(yǎng)基中影響鼠李糖脂發(fā)酵的豆油、硝酸鈉及微量元素添加量進(jìn)行單因素試驗設(shè)計,結(jié)果如圖3所示。

圖3 豆油(a)、硝酸鈉(b)及微量元素(c)添加量對鼠李糖脂產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of soybean oil(a),NaNO3(b)and trace elements(c)additions on rhamnolipid yield
由圖3a可知,隨著豆油添加量的增加,鼠李糖脂產(chǎn)量呈現(xiàn)先升后降的趨勢,當(dāng)豆油添加量為80 g/L時,鼠李糖脂達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)量42.38 g/L,故將80 g/L作為響應(yīng)面設(shè)計中豆油含量的中心點,中心點左、右兩側(cè)等距離的因變量70 g/L和90 g/L作為低水平和高水平。由圖3b可知,硝酸鈉添加量的中心點為4 g/L,低水平和高水平分別為3 g/L和5 g/L;由圖3c可知,微量元素添加量的中心點為8‰,低水平和高水平分別為6‰和10‰。
2.4 Box-Behnken Design試驗結(jié)果
根據(jù)單因素確定的中心點和因素水平,運用Design Expert 8.0.5b中BBD試驗設(shè)計原理進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計,試驗設(shè)計方案和結(jié)果如表2所示。對表2中進(jìn)行多元回歸擬合,建立二階回歸模型,找到最優(yōu)響應(yīng)因子水平,多元二次回歸方程如下所示:


表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments
由模型的回歸結(jié)果分析(表2)和方程方差分析(表3)可知,該二次模型顯著(P=0.000 9<0.05),失擬項不顯著(P=0.189 0>0.05),決定系數(shù)R2=0.949 8,說明有94.98%的變差能夠由該模型解釋;變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)為2.39%,說明變異(偏離)程度較小。由圖4可知,兩兩因素間有一定的交互作用,最佳預(yù)測點在試驗考查范圍內(nèi)。因此,該二階歸模型具有良好的擬合度,能真實地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系,可對Pseudomonas aeruginosa SKY01發(fā)酵產(chǎn)鼠李糖脂進(jìn)行預(yù)測和分析。
由回歸方程預(yù)測得到各組分含量為豆油78.5 g/L,硝酸鈉3.87 g/L,微量元素8.5‰,預(yù)測鼠李糖脂產(chǎn)量為45.070 3 g/L。為方便實際培養(yǎng)基配制,選取豆油80 g/L,硝酸鈉4 g/L,微量元素8.5‰。因此,通過響應(yīng)面優(yōu)化后得到的最佳發(fā)酵培養(yǎng)基配方為KCl 1.1 g/L,NaCl 1.1 g/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.000 28 g/L,KH2PO43.4 g/L,K2HPO44.4 g/L,MgSO4·7H2O 0.5 g/L,NaNO34 g/L,80 g/L豆油,0.5 g/L酵母提取物,并加入8.5‰微量元素溶液。

表3 響應(yīng)面試驗回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis on of response surface experiments regression mode

圖4 硝酸鈉、豆油和微量元素添加量交互作用對鼠李糖脂產(chǎn)量影響的響應(yīng)面及等高線Fig.4 Response surface plots and contour line of effects of interaction between NaNO3,soybean oil and trace elements addition on rhamnolipid yield
2.5 模型驗證及分析

圖5 培養(yǎng)基優(yōu)化前后鼠李糖脂的產(chǎn)量變化Fig.5 Changes of rhamnolipid yield of before and after culture medium optimization
為檢驗?zāi)P涂煽啃院陀行裕謩e用模型預(yù)測的最優(yōu)培養(yǎng)基配方和原始培養(yǎng)基配方進(jìn)行搖瓶發(fā)酵,每組實驗設(shè)置3個平行,檢測不同取樣時間時的發(fā)酵產(chǎn)量,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,鼠李糖脂最高產(chǎn)量為45.34 g/L,比未優(yōu)化前的產(chǎn)量39.62 g/L提高14.43%,優(yōu)于大部分已報道的搖瓶發(fā)酵結(jié)果[21-22]。與初始發(fā)酵條件相比,豆油與硝酸鈉的質(zhì)量比值由10∶1增加至20∶1,這與控制氮源濃度可提高銅綠假單胞菌發(fā)酵產(chǎn)量的報道相一致[5];微量元素的濃度增加了近1倍,說明初始培養(yǎng)基中微量元素濃度偏低,從而影響發(fā)酵。模型的預(yù)測值與實際發(fā)酵結(jié)果十分接近說明模型能較好的反映豆油、硝酸鈉和微量元素添加量對鼠李糖脂發(fā)酵的影響,預(yù)測性良好。
本試驗首先通過單因素試驗確定了豆油、硝酸鈉及微量元素的中心點和水平范圍。進(jìn)一步在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面分析法中BBD試驗設(shè)計方法進(jìn)行培養(yǎng)基組分優(yōu)化,得到培養(yǎng)基中相應(yīng)組分的最佳含量為豆油80 g/L、硝酸鈉4 g/L和微量元素8.5‰。在最佳濃度條件下通過發(fā)酵得到鼠李糖脂的產(chǎn)量為45.34 g/L,優(yōu)于大部分已報道的搖瓶發(fā)酵結(jié)果,達(dá)到優(yōu)化目的。另外本試驗也獲得了一個能較好反映豆油、硝酸鈉和微量元素對鼠李糖脂發(fā)酵影響的模型,為鼠李糖脂發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化提供了技術(shù)參考。
[1]ABDEL-MAWGOUD A M,LéPINE F,DéZIEL E.Rhamnolipids:diversity of structures,microbial origins and roles[J].Appl Microbiol Biotechnol,2010,86(5):1323-1336.
[2]劉 綸.生物表面活性劑的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].口腔護(hù)理用品工業(yè),2009,19(5):35-38.
[3]樂建君,伍曉林,馬亮亮,等.鼠李糖脂的復(fù)配驅(qū)油體系及現(xiàn)場實驗[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,36(2):168-171.
[4]TAMARA S,ANTE P,GORAN P.Enhanced healing of full-thickness burn wounds using di-rhamnolipid[J].Burns,2006,32(1):24-34.
[5]MARKUS M M,KüGLER J H,HENKEL M,et al.Rhamnolipids-Next generation surfactants?[J].J Biotechnol,2012,162(5):366-380.
[6]ARINO S,MARCHAL R,VANDECASTEELE J P,et al.Identification and production of a rhamnolipidic biosurfactant by aPseudomonas species[J].Appl Microbiol Biotechnol,1996,45(1):162-168.
[7]GIANI C,WULLBRANDT D,ROTHERT R,et al.Pseudomonas aeruginosaand its use in a process for the biotechnological preparation of L-rhamnose:United States patet,US005658793A[P].1997-8-19.
[8]GUERRA-SANTOS L,K?PPELI O,FIECHTER A,et al.Pseudomonas aeruginosabiosurfactant production in continuous culture with glucose as carbon source[J].Appl Environm Microbiol,1984,48(2):301-305.
[9]趙 強(qiáng),余四九,王廷璞,等.響應(yīng)面法優(yōu)化禿瘡花中生物堿提取工藝及抑菌活性研究[J].草業(yè)學(xué)報,2012,21(4):208-214.
[10]DOUMIT C N,JOEL A M,JANETE M A,ET A L.Optimization of the productionofrhamnolipidsbyPseudomonasaeruginosaUFPEDA614 in solid-state culture[J].Appl Environ Microbiol,2008,81(3):441-448.
[11]NALINI S,PARTHASARATHI R.Production and characterization of rhamnolipids produced bySerratia rubidaeaSNAU02 under solid-state fermentation and its application as biocontrol agent[J].Bioresource Technol,2014,173(2):231-238.
[12]肖昌貴,劉志彬, 雯,等.響應(yīng)面法優(yōu)化紅曲酸奶的發(fā)酵工藝[J].中國釀造,2014,33(4):145-149.
[13]薛 芳,李紅梅,黃艷青,等.響應(yīng)面-滿意度函數(shù)優(yōu)化產(chǎn)羰基還原酶工程菌發(fā)酵條件[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2015,41(2):107-113.
[14]張傳志,康 振,堵國成,等.重組谷氨酸棒桿菌發(fā)酵L-苯丙氨酸培養(yǎng)基的優(yōu)化[J].微生物學(xué)通報,2015,42(1):74-84.
[15]張婧迪,蔡明美,劉志誠,等.響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化綠僵菌固體發(fā)酵條件[J].微生物學(xué)通報,2016,43(9):2072-2078.
[16]汪彬彬,車振明.Plackett-Burman和Box-Benhnken Design試驗設(shè)計法優(yōu)化華根霉產(chǎn)糖化酶發(fā)酵培養(yǎng)基的研究[J].食品科技,2011,36(5):41-45.
[17]張 鉑,王 兵,曹書華,等.Box-Benhnken響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助提取大黃鞣質(zhì)的工藝研究[J].中國中醫(yī)急癥,2015,23(4):579-582.
[18]張祥勝,張玉輝,戴翠娥,等.基于糖顯色法測定鼠李糖含量的方法研究[J].河南科技學(xué)院學(xué)報,2012,27(5):1-4.
[19]WANG Q,FANG X,BAI B,et al.Engineering bacteria for production of rhamnolipidas an agent for enhanced oil recovery[J].Biotechnol Bioeng,2007,98(4):842-853.
[20]DANIEIS L.Method for producing rhamnose:European patent,EP0282942A2[P].1988-3-14.
[21]WU J Y,YEH K L,LU W B,et al.Rhamnolipid production with indigenousPseudomonas aeruginosaEM1 isolated from oil-contaminated site[J].Bioresource Technol,2008,99(5):1157-1164.
[22]秦新政,楊新平,唐 嫻,等.產(chǎn)物誘變選育鼠李糖脂高產(chǎn)菌株的研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,45(6):1060-1063.
Optimization of fermentation medium components for rhamnolipid production by
Pseudomonas aeruginosawith response surface methodology
GONG Zhijin,LIU Shengge,LIANG Xinxin,WEI Beibei,LIANG Guangjie,YANG Ge,LIU Jinfeng,CHE Chengchuan*(College of Life Science,Qufu Normal University,Qufu 273100,China)
The fermentation medium components for rhamnolipid production byPseudomonas aeruginosaSKY01 were optimized in this paper.The additionsofsoybean oil,NaNO3and trace elementswere investigated bysingle factor experiments.Based on single factor experiments,response surface methodology were applied to optimize medium components.Results showed that the optimum fermentation medium formula were soybean oil 80 g/L,NaNO34 g/L and trace elements 8.5‰.Under these conditions,rhamnolipid yield was up to 45.34 g/L,which was 14.43%higher than that of before optimization(39.62 g/L).
Pseudomonas aeruginosa;rhamnolipid;response surface methodology;medium components optimization
TQ920.6
0254-5071(2017)09-0127-05
10.11882/j.issn.0254-5071.2017.09.028
2017-05-12
國家級“本科教學(xué)工程”專業(yè)綜合改革試點項目(ZG0293);高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)專業(yè)發(fā)展支持計劃(魯教高字[2015]5號);曲阜師范大學(xué)科技計劃(xkj201610)
鞏志金(1988-),男,助理實驗師,碩士,研究方向為代謝與發(fā)酵工程。
*通訊作者:車程川(1978-),男,講師,碩士,研究方向為發(fā)酵工程。