紅曲霉洛伐他汀的液態發酵及其分離純化研究

陳景智，王力超，李亮，葉秀云，林娟

(福州大學，福建省海洋酶工程重點實驗室，福建 福州，350116)

紅曲，在我國已有1000多年歷史，是古代食療兩用的中藥材[1]，紅曲中含有多種功能性成分，如紅曲色素、氨基丁酸、洛伐他汀、麥角甾醇等[2]，還含有淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、酯化酶等多種酶類物質[3-5]，具有很好的研究意義。

洛伐他汀為日本學者遠藤章于1979年從紅色紅曲霉菌(Monascusrubber)的發酵液中分離出來，發現其具有強烈抑制膽固醇合成的作用，命名為Monacolin K[6]。之后，遠藤章又相繼分離出Monacolin J、Monacolin L[7]、Monacolin X[8]和Monacolin M[9]，將這些物質統稱為Monacolins，但Monacolin K還是主要作用物質。

隨著人們生活水平的日益提高，患有心血管疾病的人越來越多，洛伐他汀作為治療心血管疾病的理想藥劑[10-11]，需求量日益增大，但生產過程中的產量低、周期長、成本高等問題限制了紅曲洛伐他汀的實際應用。因此，本文對實驗室選育得到的高產洛伐他汀紅曲霉突變株R”-30進行液態發酵和分離純化工藝研究，為工業化生產和應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 菌種與試劑

紅曲霉突變株R”-30(MonascusR”-30)，由福建省海洋酶工程重點實驗室利用基因組重排技術選育得到。

蛋白胨購于Oxiod公司；柱層析用硅膠：80～120目，購自青島海洋化工有限公司； Sephadex LH20，購自西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；酵母膏、甘油、葡萄糖、乙酸乙酯、MgSO4·7H2O、NaNO3、ZnSO4·7H2O、KH2PO4等均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

T6新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；SW-CJ-2F潔凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司；HWS24電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科技有限公司；SHP-250生化培養箱，上海精宏實驗設備有限公司；ZWYR-2102C恒溫振蕩培養箱，上海智城分析儀器制造有限公司)；CF16RXⅡ高速冷凍離心機，日本HITACHI公司； D-2000 Elite型高壓液相色譜儀，日本HITACHI。

1.1.3 培養基

PDA培養基：配制方法參照文獻[12]。

種子培養基(g/L)：葡萄糖30，蛋白胨20，酵母膏20，黃豆粉10，甘油(分析純)50，MgSO4·7H2O 1，NaNO32，ZnSO4·7H2O 2，KH2PO41。

液體發酵培養基(g/L)：葡萄糖20，甘油(分析純)50，蛋白胨10，酵母膏10，NaNO32，MgSO4·7H2O 1，ZnSO4·7H2O 2，KH2PO41。

無碳源發酵培養基(g/L)：蛋白胨10，酵母膏10，MgSO4·7H2O 1，NaNO32，ZnSO4·7H2O 2，KH2PO41。

無氮源發酵培養基(g/L)：葡萄糖20，甘油50，MgSO4·7H2O 1，ZnSO4·7H2O 2，KH2PO41。

缺無機鹽發酵培養基(g/L)：葡萄糖20，甘油50，蛋白胨10，酵母膏10，NaNO32。

1.2 實驗方法

1.2.1 洛伐他汀測定方法

1.2.1.1 紫外分光光度法

洛伐他汀在229、237和246 nm處有最大紫外吸收，其中以237 nm處吸光值最大，可通過測量OD237來初步判定洛伐他汀含量的高低[13]。取1 mL發酵液，加入9 mL乙醇(70%)振蕩混勻，55 ℃，130 r/min 振蕩提取1 h；4 200 r/min離心5 min，取上清，適當稀釋后測量OD237。

1.2.1.2 高效液相色譜法(HPLC)

(1)HPLC檢測條件[14]

色譜柱：HITACHI LaChromUltra C18(5 μm)；流動相：乙腈∶0.01%磷酸=60∶40；檢測波長：238 nm；進樣體積：10 μL；流速：1 mL/min；柱溫：28 ℃。

(2)洛伐他汀(內酯型)標準曲線的繪制

準確稱取洛伐他汀內酯型標準品5 mg，用甲醇定容至25 mL，得到200 mg/L的母液，系列稀釋得到5，10，50，100，150 mg/L的樣品。以洛伐他汀濃度為橫坐標，以峰面積值為縱坐標繪制洛伐他汀濃度-峰面積標準曲線，每組實驗重復3次。

由圖1可知，當洛伐他汀濃度在0～200 mg/L時，線性關系良好，R2=0.998 4，回歸方程為y=16 689x-1 202.6，內酯型洛伐他汀標準品的液相色譜圖如圖2所示。

圖1 洛伐他汀(內酯型)濃度與峰面積關系曲線Fig.1 Curve of lovastatin(lactone form) concentration and peak area

圖2 洛伐他汀(內酯型)標準品的液相色譜圖Fig.2 HPLC chromatogram of standard substance concentration and peak area of lovastatin(lactone form)

(3)洛伐他汀開環酸型溶液制備方法

準確稱取洛伐他汀內酯型標準品5 mg，加4 mL甲醇溶解，加20 mL 0.2 mol/L NaOH溶液混勻后采用超聲波處理30 min，取出冷卻，用3 mol/L H3PO4調pH至6左右，加甲醇定容至25 mL，然后進行液相色譜檢測，若洛伐他汀內酯型標準品全部轉化為開環酸型，則洛伐他汀開環酸型濃度約為200 mg/L。

(4)洛伐他汀(開環酸型)標準曲線的繪制

方法同內酯型標準曲線的繪制。由圖3可知洛伐他汀濃度在0～200 mg/L時，線性關系良好，R2=0.995 32，回歸方程：y=20 339x+21 205。開環酸型洛伐他汀標準品的液相色譜圖，如圖4所示。

圖3 洛伐他汀(開環酸型)濃度與峰面積關系曲線Fig.3 Curve of lovastatin(acid form) concentration and peak area

圖4 洛伐他汀(開環酸型)標準品的液相色譜圖Fig.4 HPLC chromatogram of standard concentration and peak area substance of lovastatin (acid form)

(5)發酵液中洛伐他汀的檢測

取1 mL發酵液，加入70%乙醇9 mL振蕩混勻， 55 ℃，130 r/min振蕩提取1 h，4 200 r/min離心5 min，取上清液用0.22 μm的有機微孔濾膜過濾，取濾液采用HPLC檢測洛伐他汀含量，如方程(1)所示。

ρ(內酯型洛伐他汀)/mg·L-1)=(y+1 202.6)/16 689×稀釋倍數

(1)

式中：y—內酯型洛伐他汀峰面積。

ρ(開環酸型洛伐他汀)/(mg·L-1)=(y-21 205)/20 339×稀釋倍數

(2)

式中：y—酸型洛伐他汀峰面積。

1.2.2 紅曲霉發酵培養基的優化

(1)碳源對洛伐他汀產量的影響：分別選取葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、甘油、半乳糖、麥芽糖6種碳源添加到缺碳發酵培養基中(添加量均為2%表示100 mL 發酵液添加2 g碳源)，考察不同碳源對洛伐他汀產量的影響；確定最適碳源后，進一步研究不同添加量(1%、2%、3%、4%、5%、6%)的影響。

(2)氮源對產洛伐他汀的影響：分別取有機氮源—蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、玉米漿、黃豆粉等(添加量1%)；無機氮源—NaNO3、NH4NO3、(NH4)2SO4(添加量0.2%)添加到缺氮培養基中，考察不同氮源對洛伐他汀產量的影響。確定最佳氮源后，進一步研究不同添加量(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%)的影響。

(3)無機鹽對產洛伐他汀的影響：選擇KH2PO4、MgSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、FeSO4(添加量0.1%)添加到缺無機鹽培養基中，考察不同無機鹽對洛伐他汀產量的影響。確定最佳無機鹽后，進一步研究不同添加量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%)的影響。

(4)碳源、氮源、無機鹽配比的正交試驗：在上述實驗基礎上，對碳源、氮源、無機鹽進行正交試驗研究各自適宜的添加量。利用L9(34)正交表進行實驗設計確定這些因素的最優配比。因素水平編碼如表1所示。

表1 正交實驗設計因素水平編碼表 單位：%Table 1 Factors and levels of orthogonal experimental design

1.2.3 紅曲霉發酵條件的優化

(1)培養基初始pH的影響：調節發酵培養基pH分別為4、5、6、7、8，研究不同初始pH對菌株產洛伐他汀的影響，確定最適初始pH。

(2)種齡的影響：分別將不同菌齡(48、56、64、72、80 h)的種子液接種到發酵液中培養，確定最佳菌齡。

(3)接種量的影響：分別控制接種量為4%、8%、12%、16%、20%，研究最適接種量。

(4)發酵溫度的影響：將搖瓶分別置于25、30、35 ℃和變溫(28 ℃，2 d；26 ℃，2 d；25 ℃，2 d；23 ℃，數天)的搖床中進行發酵培養，確定適宜的發酵溫度。

(5)搖床轉速的影響：將搖瓶分別置于轉速為100、150、200、230 r/min的搖床中進行發酵培養，確定適宜的轉速。

(6)搖瓶裝液量的影響：在250 mL錐形瓶中分別裝25、50、75、100、125 mL發酵培養基，研究不同裝液量對洛伐他汀產量的影響。

1.2.4 洛伐他汀的分離純化

1.2.4.1 紅曲中洛伐他汀提取分離路線

液態發酵液→洛伐他汀提取→離心→上清液濃縮→硅膠柱層析→洛伐他汀粗品→濃縮→LH20柱層析→收集→檢測純度[15-17]。

1.2.4.2 洛伐他汀提取

調節發酵液pH至堿性，于30 ℃、180 r/min的水浴搖床中提取1 h后，4 200 r/min離心5 min，取上清液。

2 結果與分析

2.1 紅曲霉液態發酵產物中洛伐他汀類型的判定

采用HPLC檢測發酵液中的洛伐他汀，色譜圖見圖5。

圖5 發酵液中洛伐他汀的HPLC檢測色譜圖Fig.5 HPLC detection chromatogram of fermentation broth for the content of lovastatin

由圖5可知，紅曲霉液態發酵所產的洛伐他汀主要為開環酸型。據文獻報道，天然紅曲產的洛伐他汀多為酸型，其藥效約為內酯型的2倍[18]，因此紅曲霉洛伐他汀具有很好的藥用功效。

2.2 洛伐他汀液態發酵工藝研究

2.2.1 發酵培養基優化

2.2.1.1 碳源對洛伐他汀產量的影響

不同碳源對洛伐他汀產量的影響如圖6所示，碳源為甘油時洛伐他汀產量最高(定義為100%)，確定最佳碳源為甘油。進一步研究其不同添加量甘油對洛伐他汀產量的影響，從圖7可以看出，在3%時達到最大值(定義為100%)。

圖6 碳源對洛伐他汀產量的影響Fig.6 Effect of carbon sources on lovastatin yield

圖7 甘油添加量對洛伐他汀產量的影響Fig.7 Effect of glycerol content on lovastatin yield

2.2.1.2 氮源對洛伐他汀產量的影響

不同氮源對洛伐他汀產量的影響如圖8所示，黃豆粉效果最好(定義為100%)，確定為最佳氮源。進一步對黃豆粉的最佳添加量進行研究，實驗結果見圖9，添加量為2.5%時，洛伐他汀產量達到最大(定義為100%)，所以確定黃豆粉的最適添加量為2.5%。

圖8 氮源對洛伐他汀產量的影響Fig.8 Effect of nitrogen sources on lovastatin yield

圖9 黃豆粉添加量對洛伐他汀產量的影響Fig.9 Effect of soybean powder content on lovastatin yield

2.2.1.3 無機鹽對洛伐他汀產量的影響

無機鹽對洛伐他汀產量的影響如圖10所示，其中ZnSO4·7H2O最高(定義為100%)，ZnSO4·7H2O和KH2PO4的洛伐他汀產量比較接近，所以選擇KH2PO4和ZnSO4·7H2O兩種無機鹽進行后續實驗。在后續實驗中，無機鹽添加量為兩種無機鹽添加量的總和，其中ZnSO4·7H2O和KH2PO4的添加量按照2∶1的配比來添加。不同無機鹽添加量時洛伐他汀產量如圖11所示，當添加量為0.05%時，洛伐他汀產量達到最高(定義為100%)，可推測少量的無機鹽可對洛伐他汀的產量造成顯著影響，量太多反而抑制洛伐他汀的合成。確定最佳無機鹽添加量為0.05%。

圖10 無機鹽對洛伐他汀產量的影響Fig.10 Effect of inorganic salts on lovastatin yield

圖11 無機鹽添加量對洛伐他汀產量的影響Fig.11 Effect of inorganic salt content on lovastatin yield

2.2.1.4 碳源、氮源、無機鹽最佳配比的正交試驗

選擇甘油、黃豆粉、KH2PO4和ZnSO4·7H2O四個 因素進行L9(34)正交試驗，實驗結果見表2。

表2 L9(34)正交試驗結果Table 2 Results of L9(34) orthogonal expertments

根據上表極差R可知，影響洛伐他汀產量的因素主次順序為B>C>A>D，最優組合為B1C3A2D2，即甘油3%、黃豆粉2%、ZnSO4·7H2O 0.47%、KH2PO40.017%。

驗證實驗在最優組合中A、D因素添加量不變的基礎上，降低因素B兩個水平，升高因素C兩個水平，得到4個實驗組，再取最優組合B1C3A2D2和正交試驗中產量最高的第7組(見表2)為參考組，組成6組組合進行驗證實驗。驗證實驗結果見表3。

表3 驗證實驗結果分析表 單位：%Table 3 Analysis of test results

實驗組3的洛伐他汀產量最高，但因硫酸鎂對洛伐他汀合成也有一定的促進作用(見圖10)，故在實驗組3的基礎上添加不同量的硫酸鎂，進一步研究其對洛伐他汀產量的影響。結果見圖12。

圖12 硫酸鎂添加量對洛伐他汀產量的影響Fig.12 Effect of MgSO4·7H2O content on lovastatin yield

由圖12可知，當MgSO4·7H2O添加量為0.15%時，洛伐他汀產量最高(定義為100%)，所以確定紅曲霉R”-30液態發酵最佳培養基配方為：甘油3%，黃豆粉1.5%，ZnSO4·7H2O 0.66%，KH2PO40.017%，MgSO4·7H2O 0.15%。

2.2.2 液態發酵條件優化

本實驗對幾個主要發酵條件進行了研究。實驗結果(圖13)表明，發酵液最佳初始pH為5，最適接種齡為64 h，最佳接種量為8%；恒溫培養的效果優于變溫培養，且發現30～35 ℃洛伐他汀產量相對較高，故選擇30 ℃恒溫培養的方式取代變溫培養；最適轉速為150 r/min，最佳裝液量為50 mL/250 mL。

a-培養基初始pH值的影響; b-菌齡的影響; c-接種量的影響;d-溫度的影響，V-T:變溫; e-搖床轉速的影響; f-裝液量的影響圖13 搖瓶發酵條件的優化Fig.13 Optimization of fermentation conditions in shake flask

2.3 紅曲菌株R”-30液態發酵洛伐他汀產量測定

將菌株R”-30接種于優化后的發酵培養基中，在優化條件下培養，從第4天開始，每隔24 h取樣測定發酵液中洛伐他汀產量，繪制洛伐他汀產量隨發酵周期的變化曲線(圖14)。

圖14 菌株R”-30洛伐他汀產量與發酵周期的關系曲線Fig.14 The relationship curve of R”-30 lovastatin production and fermentation period

洛伐他汀產量于第10天開始趨于平穩，第12天達到最大值，此時洛伐他汀產量達到615.3 mg/L；與優化前相比，洛伐他汀產量由312 mg/L提高到615.3 mg/L，提高了97.2%。發酵周期沒有改變，還是于第12天達到最大值。

2.4 發酵液中洛伐他汀的分離純化

2.4.1 洛伐他汀提取工藝優化

洛伐他汀在發酵液中以洛伐他汀羧酸的形式存在，主要存在于菌絲體內。以NaOH(6 mol/L)調節發酵液的pH至堿性，將洛伐他汀轉化為洛伐他汀酸鈉并溶于發酵液中[19]。測定不同pH(9～12.5)對洛伐他汀溶出率的影響，以加70%乙醇，料液比1∶9，55 ℃，130 r/min萃取1 h的溶出率作對照，結果如圖15所示。

圖15 不同pH下洛伐他汀的溶出率Fig.15 The dissolved quantity of lovastatin at different pH

當調發酵液pH為11時，洛伐他汀的溶出率相對較高，而pH超過12.5時，溶出率急劇下降，可能是強堿條件破壞了洛伐他汀的結構，從而檢測不出。故確定pH 11為最佳溶出pH。

2.4.2 硅膠柱洗脫

取適量硅膠(200目)用A溶劑浸泡后濕法裝柱，柱子直徑9 mm，裝柱高度約12～13 cm。上樣量0.5 mL，上樣后先加14～15 mL A溶劑進行洗脫，再加20 mL B溶劑洗脫，最后加8 mL C溶劑洗脫，控制流速在1～2滴/s。收集各洗脫液，檢測洛伐他汀主要分布在哪種溶劑及其純度。

選擇不同極性的有機溶劑，按極性從小到大列出3種洗脫方式，結果見表4。

表4 不同洗脫方式及結果Table 4 Different elution methods and results

由上表可知方式2得到的洛伐他汀粗品純度較高，故選擇方式2作為硅膠柱層析的洗脫方式，收集B洗脫液濃縮。

2.4.3 LH20柱層析

取Sephadex LH20用60%乙醇浸泡后濕法裝柱，柱子直徑9 mm，裝柱高度4～5 cm，取洛伐他汀粗品濃縮液0.5 mL上樣。上樣后，先加5 mL超純水進行洗脫，再加5 mL 20%甲醇洗脫，最后加5 mL 50% 甲醇洗脫，控制流速在1～2滴/s。收集各個洗脫液，檢測洛伐他汀在各個溶劑中的含量及其純度，結果見表5。

表5 不同洗脫液中洛伐他汀含量及純度Table 5 Lovastatin content and purity in different elution liquid

洛伐他汀主要集中在20%甲醇洗脫液中，采用HPLC檢測純度，純度達93%，色譜圖見圖16。收集5 mL 20%甲醇洗脫液，適當濃縮后得到純化的洛伐他汀溶解液。

a-發酵液中洛伐他汀色譜圖； b-分離純化后洛伐他汀色譜圖圖16 洛伐他汀HPLC圖譜Fig.16 HPLC chromatogram of lovastatin

實驗結果表明，經LH20柱層析分離后，洛伐他汀純度可達93%，得率45%；可見硅膠柱和LH20柱層析可有效去除雜質，獲得高純度的洛伐他汀。

3 結論

對紅曲霉R”-30液態發酵產洛伐他汀的培養基組分和培養條件進行優化，得到最適培養基配方和發酵條件為：甘油30 g/L，黃豆粉15 g/L，ZnSO4·7H2O 6.6 g/L，KH2PO40.17 g/L，MgSO4·7H2O 1.5 g/L，pH 5.0，裝液量50 mL/250 mL，搖床轉速150 r/min，30 ℃恒溫培養，種子液培養64 h，接種量8%(體積分數)。

對紅曲霉R”-30液態發酵過程洛伐他汀產量進行測定，洛伐他汀產量于第12天達到最大值，為615.3 mg/L，比優化前(312 mg/L)，提高了97.2%。紅曲霉液態發酵所產的洛伐他汀主要為開環酸型。

對紅曲霉R”-30液態發酵液中洛伐他汀進行分離純化。發酵液先用6 mol/L NaOH溶液堿提，離心取上清；再通過硅膠柱和Sephadex LH20柱層析，經HPLC檢測，洛伐他汀純度達93%，得率為45%。