響應面分析結冷膠發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化研究

周龍海

（華東理工大學生物工程學院，上海 200237）

結冷膠是用微生物發(fā)酵方法生產(chǎn)的胞外多糖膠質膠凝劑，具有增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定等優(yōu)點，是性能優(yōu)越的食品膠之一，廣泛應用于制藥、食品、化妝品和化工等行業(yè)中。而發(fā)酵培養(yǎng)基是結冷膠生產(chǎn)的重要前提，結冷膠培養(yǎng)基的主要成分包括碳源、氮源、無機鹽和其他營養(yǎng)物質[1-2]。其中，碳源可使用葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖、可溶性淀粉等，氮源可使用蛋白胨、玉米粉、大豆油胨、酵母粉、硝酸銨等，無機鹽包括磷酸二氫鉀、硫酸鎂、硫酸亞鐵、氯化鉀，其他營養(yǎng)物質為表面活性劑吐溫等。研究表明，篩選出的不同菌株對最佳的碳源、氮源均不同，楊冬月，吳軍林等人[3-4]研究發(fā)現(xiàn)結冷膠培養(yǎng)基的最佳碳源是蔗糖，而胡桂萍等人[5]發(fā)現(xiàn)結冷膠培養(yǎng)基最佳碳源為葡萄糖，牛永利等人[6]發(fā)現(xiàn)最佳碳源為可行性淀粉，李海軍等人[2]發(fā)現(xiàn)結冷膠培養(yǎng)基最佳氮源為大豆油胨，而文春溪等人[7]發(fā)現(xiàn)最佳氮源為酵母粉。試驗篩選出1株產(chǎn)量較高的菌株，為了更好地提高其生產(chǎn)強度，以結冷膠發(fā)酵液的黏度和產(chǎn)膠率為指標，通過單因素試驗選擇最佳的碳源、氮源和無機鹽，并確定添加量，選擇合適的水平和因素；通過響應面優(yōu)化試驗，確定培養(yǎng)基的最佳添加量，建立發(fā)酵培養(yǎng)基模型，并對模型進行驗證，最后得到最佳培養(yǎng)基成分，對結冷膠的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 菌株

菌株為實驗室保藏菌株，編號為Sphingomonas paucimobilis NK2000。

1.2 材料

培養(yǎng)基中碳源、氮源和無機鹽均為市售產(chǎn)品，分析純。

1.3 測定方法

（1）表觀黏度。發(fā)酵液直接測定，采用NDJ21型，轉子黏度計，溫度28℃，3號轉子，轉速60 r/min。

（2）粗多糖轉化率及粗多糖含量測定。20～50 g發(fā)酵液加1倍體積95%乙醇沉淀產(chǎn)物，收集沉淀，加同體積95%乙醇洗滌沉淀2次，再收集沉淀，于70℃條件下烘干2 h，稱質量（粗多糖質量），再按下式計算：

1.4 試驗方法

1.4.1 碳源的選擇

選擇最有可能是最佳碳源的試驗用糖（葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、可溶性淀粉、乳糖）按3%的添加量，氮源和無機鹽不變進行發(fā)酵培養(yǎng)，得出最后發(fā)酵液的黏度和產(chǎn)膠率，每個試驗做3個平行樣。

1.4.2 碳源添加量的優(yōu)化

選擇葡萄糖作為碳源，添加量分別設定為2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%，其他成分不變，進行單因素試驗，60 h后測得發(fā)酵液黏度和產(chǎn)膠率。

1.4.3 氮源的選擇

選擇最有可能是最佳氮源的試驗用氮（牛肉膏、蛋白胨、酵母粉、豆餅粉、硝酸銨）按0.5%的添加量，碳源和無機鹽不變，進行發(fā)酵培養(yǎng)，得出最后發(fā)酵液的黏度和產(chǎn)膠率，每個試驗做3個平行樣。

1.4.4 氮源添加量的優(yōu)化

選擇酵母粉作為氮源，添加量分別設定為0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，其他成分不變，進行單因素試驗，60 h后測得發(fā)酵液黏度和產(chǎn)膠率。

1.4.5 無機鹽的選擇

選擇最有可能是最佳無機鹽（硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈉、氯化鉀、氯化錳和硫酸亞鐵）按0.1%添加量，碳源和氮源不變，進行發(fā)酵培養(yǎng)，得出最后發(fā)酵液的黏度和產(chǎn)膠率，每個試驗做3個平行樣。

1.4.6 無機鹽添加量的優(yōu)化

選擇1.4.5產(chǎn)膠率最高的作為無機鹽，添加量分別設定為0.04%，0.06%，0.08%，0.10%，0.12%，0.14%，0.16%，其他成分不變，進行單因素試驗，60 h后測得發(fā)酵液黏度和產(chǎn)膠率。

1.4.7 響應面優(yōu)化試驗

采用響應面中心組合設計（Box-Behnken Design，BBD），對影響結冷膠發(fā)酵后產(chǎn)膠率的顯著影響因子（碳源、氮源、無機鹽）進一步優(yōu)化，結合因素的效應大小和試驗中的實際情況，選擇試驗水平的中心點，響應值為產(chǎn)膠率[8]。

BBD試驗設計因素及代碼水平見表1。

表1 BBD試驗設計因素及代碼水平

2 結果與分析

2.1 碳源對發(fā)酵的影響

不同碳源對發(fā)酵的影響見圖1。

圖1 不同碳源對發(fā)酵的影響

由圖1可知，當葡萄糖作為碳源時，結冷膠的黏度和產(chǎn)膠率都最高，分別為4 600 cp和1.79%，蔗糖和麥芽糖其次，可溶性淀粉最低，因此將選擇葡萄糖作為最佳碳源。

選擇葡萄糖為碳源，以添加量為變量，設置1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%共6個梯度值，其他成分不變，進行發(fā)酵試驗。

葡萄糖添加量對發(fā)酵的影響見圖2。

圖2 葡萄糖添加量對發(fā)酵的影響

由圖2可知，結冷膠的產(chǎn)膠率和黏度隨著葡萄糖量的增加而增加，當葡萄糖添加量為3%時，結冷膠的黏度和產(chǎn)膠率達到最高，分別為4 800 cp和1.81%，之后隨著葡萄糖添加量增加，結冷膠的產(chǎn)膠率和黏度逐漸減少，這是因為葡萄糖比例過大，導致菌種生產(chǎn)迅速，反而抑制了次級代謝產(chǎn)物的生成。因此，最終確定最佳的葡萄糖添加量為3%。

2.2 氮源對發(fā)酵的影響

不同氮源對發(fā)酵的影響見圖3。

圖3 不同氮源對發(fā)酵的影響

由圖3可知，當?shù)鞍纂俗鳛榈磿r，結冷膠的黏度和產(chǎn)膠率都最高，分別為4 700 cp和1.75%，酵母粉其次，硝酸銨最低，因此將選擇蛋白胨作為最佳氮源。

選擇蛋白胨為氮源，以添加量為變量，設置0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%共5個梯度值，其他成分不變，進行發(fā)酵試驗。

蛋白胨添加量對發(fā)酵的影響見圖4。

圖4 蛋白胨添加量對發(fā)酵的影響

由圖4可知，結冷膠的產(chǎn)膠率和黏度隨著蛋白胨添加量的增加而增加，當?shù)鞍纂颂砑恿繛?.6%時，結冷膠的黏度和產(chǎn)膠率達到最高，分別為4 800 cp和1.72%，之后隨著蛋白胨添加量增加，結冷膠的產(chǎn)膠率和黏度逐漸減少，這是因為蛋白胨添加比例過大，導致菌種生產(chǎn)迅速，反而抑制了次級代謝產(chǎn)物的生成。因此，最終確定最佳的蛋白胨添加量為0.6%。

2.3 無機鹽對發(fā)酵的影響

不同無機鹽對發(fā)酵的影響見圖5。

由圖5可知，當無機鹽為硫酸鎂或者磷酸二氫鉀時結冷膠的產(chǎn)膠率和黏度都相對較高，產(chǎn)膠率分別達到1.76%和1.75%，黏度分別達到4 750 cp和4 700 cp。然后分別選擇硫酸鎂和磷酸二氫鉀作為無機鹽，以添加量為變量，其他成分不變，得到2條結冷膠產(chǎn)膠率曲線。

圖5 不同無機鹽對發(fā)酵的影響

無機鹽添加量對發(fā)酵的影響見圖6。

圖6 無機鹽添加量對發(fā)酵的影響

由圖6可知，硫酸鎂和磷酸二氫鉀的最佳添加量分別為0.06%和0.14%，產(chǎn)膠率分別為1.74%和1.76%。

2.4 響應面優(yōu)化試驗結果

根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，選取X1，X2，X3，X4進行四因素三水平的響應面分析方法，以產(chǎn)膠率為響應值。

BBD試驗設計與結果見表2。

采用Design Expert 10軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，由此可求出影響因素的一次效應、二次效應及其交互效應的關聯(lián)式，得到回歸方程式：

回歸模型方差分析見表3。

由表3可知，模型Pr＞F=0.000 1，說明響應面回歸模型達到了極顯著水平，模型的校正系數(shù)R=0.984 3，表明該方程擬合程度良好。模型的修正系數(shù)R2Adj=0.932 2，表明該模型較好地反映了各因素之間的關系。通過對回歸方程的方差分析得出，一次項X1，X2，X3，X4；二 次 項X12，X22，X32，X42和 交 互 項X1X2，X1X4，X2X4對產(chǎn)膠率的影響是顯著的，各試驗因子對產(chǎn)膠率的影響為非線性關系。

試驗因子交互作用對產(chǎn)膠率的影響見圖7。

由圖7可知，兩因素之間的影響呈拋物線型關系，且均有一個極大值點，變化趨勢為先增大后減小。通過求解回歸方程得到結冷膠培養(yǎng)基的最佳工藝是葡萄糖添加量3.235%，蛋白胨添加量0.5246%，硫酸鎂添加量0.06374%，磷酸二氫鉀添加量0.1463%，產(chǎn)膠率的預測值是1.781 3%。考慮到實際操作，將試驗的條件修改為葡萄糖添加量3.2%，蛋白胨添加量0.52%，硫酸鎂添加量0.064%，磷酸二氫鉀添加量0.15%。

表2 BBD試驗設計與結果

表3 回歸模型方差分析

圖7 試驗因子交互作用對產(chǎn)膠率的影響

在最佳組合條件下重復試驗3次，測定實際產(chǎn)膠率含量為1.74%，與預測值1.78%基本吻合，偏差較小，說明得到的回歸模型和實際情況擬合較好，進一步驗證了該模型的可行性。

3 結論

首先，通過對結冷膠培養(yǎng)基中碳源、氮源和無機鹽進行單因素優(yōu)化，最終確定最佳碳源為葡萄糖、氮源為蛋白胨、無機鹽為硫酸鎂和磷酸氫二鉀。其次，通過采用響應面Box-Behnken Design中心組合設計優(yōu)化試驗，確定了以葡萄糖添加量3.2%，蛋白胨添加量0.52%，硫酸鎂添加量0.064%，磷酸二氫鉀添加量0.15%的最優(yōu)培養(yǎng)基成分，并建立了結冷膠發(fā)酵培養(yǎng)基模型。最后，對模型進行了驗證，獲得產(chǎn)膠率為1.74%，說明模型能較好地預測產(chǎn)膠率的實際情況，具有較好的生產(chǎn)指導意義。