利用響應面分析法優化深綠木霉Tr16液體發酵產孢培養基研究

陳晨 錢林 于穩欠

摘要 采用響應面分析法（RSAM）對深綠木霉（Trichoderma atroviride）菌株Tr16液體發酵產孢培養基進行優化。通過Plackett-Burman（PB）方法，先篩選出培養基中影響產孢量的3個主要因素：MgSO4、H8MoN2O4和酵母提取物，再運用“最陡爬坡路徑法”和RSAM，確定主要因子之間的交互影響并篩選出最佳液體發酵培養基配方。結果表明，最佳培養基配方：葡萄糖5 g/L、KH2PO4 ?8 g/L、MgSO4 ?1.29 g/L、丙三醇10 mL/L、蔗糖10 g/L、H8MoN2O4 ?0.99 mL/L、酵母提取物4.83 g/L、可溶性淀粉5 g/L。經過3次平行測試，Tr16的平均孢子產量為6.19×108 CFU/mL，與預測最大孢子產量接近，比未優化的培養基孢子產量提高了70.8%。

關鍵詞 響應面法;深綠木霉;產孢;優化

中圖分類號 S476.1 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）10-0117-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.10.031

Abstract Response surface analysis method （RSAM） was used to optimize the liquid fermentation culture medium for spore production of Trichoderma atroviride strain Tr16. Through PlackettBurman method （PB）， three main factors （MgSO4， H8MoN2O4 and yeast extract） affecting sporulation quantity in the medium were firstly screened out. Then， the steepest climbing path method （SCPM） and RSAM were used to determine the interaction among the main factors and the best formula of liquid fermentation medium was screened and determined. The results showed that the optimal formula of the medium was glucose 5 g/L， KH2PO4 8 g/L， MgSO4 1.29 g/L， glycerol 10 mL/L， sucrose 10 g/L， H8MoN2O4 0.99 mL/L， yeast extract 4.83 g/L， soluble starch 5 g/L. After three parallel tests， the average spore yield of Tr16 was 6.19×108CFU/mL， which was close to the predicted maximum spore yield and was 70.8% higher than that of the unoptimized medium.

Key words Response surface method （RSM）;Trichoderma atroviride;Spore production;Optimization

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早在20世紀30年代科研工作者就發現，木霉菌（Trichoderma spp.）對多種植物病原菌有拮抗作用[1]。作為一種生防菌，木霉菌的抗菌機制有占位競爭、產生抗生素、重寄生、誘導抗性等[2]。目前在世界范圍內，商業化生產和應用的各種活體木霉菌生物農藥已有300多種，在綠色、有機農業生產和現代農業可持續發展中，對多種植物病害的綠色防控起到了良好的助推作用[3]。隨著現代生物技術的不斷發展，在發酵設備和工藝上為生產優質的木霉菌孢子提供了一定的支撐[4]，但如何通過液體發酵獲得大量的木霉菌孢子，仍是制約木霉菌產業化生產的關鍵因素之一。

微生物發酵過程機理復雜，影響因素眾多，對微生物發酵工藝進行優化顯得尤為重要，已成為發酵水平的決定因素，其相關的研究也越來越多[5]。同時，許多試驗技術和設計方法在微生物發酵工藝優化中得到應用。傳統的優化試驗方法有單因素法、正交設計法等，當考察的因子較多以及因素之間存在交互作用時，試驗次數會大增，甚至試驗結果不準確[6]。而很多其他方法即使減少了試驗次數，卻未能給出直觀的圖形，不能憑直覺觀察其最優點。有的雖能找出最優值，但又難以直觀地判別優化區域。由Bxo 和 Willsno 最早提出，后經 Hill 和 Htlnetr 進一步完善的響應曲面法（response surface method，RSM）在微生物發酵工藝優化研究中成功克服了傳統方法的缺點，取得了良好效果[7]。然而我國在木霉菌發酵培養基優化的研究方面，目前主要采用單因素法和正交法。對深綠木霉液體發酵，以及利用RSAM優化深綠木霉液體發酵產孢培養基的研究目前鮮有報道。筆者采用RSAM，對深綠木霉產孢培養基進行了優化，使菌株Tr16在發酵液中的孢子產量提高了70.8%，為產業化生產深綠木霉提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試菌株。

深綠木霉（Trichoderma atroviride）菌株Tr16，由上海萬力華生物科技有限公司從西瓜根際土壤中分離獲得，并保藏。

1.1.2 供試培養基。

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基（PDA）：200 g 去皮馬鈴薯開水煮沸 20 min，過濾，濾液中加入20 g葡萄糖，20 g瓊脂粉，定容1 L，充分混勻，用1 L三角瓶分裝，每瓶裝500 mL，121 ℃滅菌20 min，冷卻至50 ℃，無菌條件下倒入培養皿，凝固備用[8]。

液體發酵培養基：葡萄糖5 g/L、KH2PO42 g/L、MgSO4 1 g/L、丙三醇10 mL/L、蔗糖1 g/L、H8MoN2O4 0.5 mL/L、酵母提取物41 g/L、可溶性淀粉5 g/L。

H8MoN2O4母液配制：0.1 g/L H8MoN2O4·2H2O 的母液，4 ℃冰箱保存，使用時按照要求用量添加到培養基中。

1.1.3 供試試劑。

葡萄糖、KH2PO4、MgSO4、丙三醇、蔗糖、H8MoN2O4、酵母提取物、可溶性淀粉等試劑均為分析純（上海潤捷化學試劑有限公司）。

1.1.4 供試設備。

顯微鏡（Olympus BX51），搖床（SY2020天呈設備有限公司），天平（OHAUS CP64）。

1.2 試驗方法

（1）Tr16 種子發酵液制備。將純化的 Tr16 菌塊轉移至 PDA 平板上培養72 h（28 ℃），在無菌條件下刮取長在平板上的分生孢子，用無菌水配成含5×107CFU/mL分生孢子懸浮液備用。

（2）搖瓶測試培養條件。設定搖床的溫度為30 ℃，轉速為200 r/min，裝液量為110 mL/500 mL搖瓶，接種量為2%（V/V），每個處理3個重復，培養144 h。

（3）發酵液孢子含量測定。用血球計數板法。

木霉菌孢子個數（CFU/mL）=80個小方格細胞總數/80×400×10 000×稀釋倍數

1.3 試驗設計

（1）根據 Plackett- Burman（PB）的設計原理，選取11個變量因素，分別為A（葡萄糖）、B（KH2PO4）、D（MgSO4）、E（丙三醇）、G（蔗糖）、H（H8MoN2O4）、J（酵母提取物）、K（可溶性淀粉），以及3個虛擬變量：C、F、I（以便估算誤差），共進行12次發酵測試，響應值為發酵液體的產孢量。PB 測試設計見表1。采用 Design- Expert 8.0.6 軟件，對表2中12次發酵測試的孢子產量進行回歸分析，得到各因子對孢子產量的影響偏差回歸系數，以及各因子對孢子產量影響的顯著差異性。

? （2）最陡爬坡法（SCPM）試驗。根據 PB 試驗得到的 3個正或負顯著影響因素效應值，設定 SCPM 試驗的正負步長、爬坡方向，確定3個顯著影響因素的最佳值區。

（3）Box- Behnken（BB）設計。依據 PB 試驗原理和最陡爬坡試驗結果，設計一個對菌株Tr16發酵培養基3因素3水平的 RSAM試驗。使用軟件Design-Expert 8.0.6 構建試驗設計并對試驗結果進行分析。

（4）驗證試驗。用所得到的最佳培養條件進行3次平行發酵試驗，得到平均值后與理論值進行比較，以驗證測試的模型是否可靠，進而得出最終優化結果[9]。

2 結果與分析

2.1 PB 設計測試結果

通過 PB 設計，其測試結果（表2、3）表明，酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4 對孢子產量的影響最大，葡萄糖、KH2PO4、丙三醇、蔗糖、可溶性淀粉對孢子產量無顯著影響，其中酵母提取物的影響為正效應，MgSO4、H8MoN2O4的影響為負效應。

2.2 SCPM 測試結果

根據PB測試結果，明確了酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4 是發酵培養基中對孢子產量影響最大的3個因素。再根據 SCPM 原理，設定這3個因素的爬坡方向及步長測試，其設計和測試結果見表4。由表4可知，測試2和測試3的孢子產量變化不大，說明此3個因素在這2個測試中的用量濃度值，已很接近最佳用量值。因此，該試驗選擇酵母提取物 5 g/L、MgSO4 1.3 g/L、H8MoN2O4 1 mL/L為中心點，展開響應面對發酵培養基的優化。

2.3 RSAM 對發酵培養基優化的測試結果

以酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4 3個因素為自變量，BB 試驗設計及結果見表5。

利用 Design-Expert 8.0.6 軟件對回歸模型進行響應面分析，得到各響應面三維圖和等高線圖（圖1～3）。

從圖1～3可以看出，隨著培養基中酵母提取物、MgSO4和H8MoN2O4濃度的增加，孢子含量先增加后下降，表明兩因素間交互作用明顯。根據回歸方程式的求解，得到響應面模型極值點，即酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4最佳使用濃度為4.83 g/L、1.29 g/L、0.99 mL/L時，按此用量配制的發酵液培養基，能使菌株Tr16的孢子產量達6.19× 108 CFU/mL最大值。

2.4 回歸模型結果試驗驗證?

根據響應面分析法得到的最優發酵培養基培養配方，進行了3次平行發酵測試，進一步對響應面模型進行驗證。3次測試的孢子產量分別為6.17×108、6.36×108、6.09×108 CFU/mL，平均孢子產量為6.21×108 CFU/mL。這個數值與理論值6.19×108 CFU/mL非常接近。2個數值的相對吻合，證明了響應面模型的可靠性。優化后的培養基：葡萄糖 5 g/L、KH2PO4 8 g/L、MgSO4 1.29 g/L、丙三醇 10 mL/L、蔗糖 10 g/L、H8MoN2O4 0.99 mL/L、酵母提取物 4.83 g/L、可溶性淀粉 5 g/L。

3 結論與討論

用 RSAM 法對發酵培養條件進行優化，能夠精準地判斷和評價各因素之間的交互作用，從而獲得一個最佳組合。袁輝林[10]對一株植物促生菌的培養基進行了優化，首先利用 PB 設計對影響 SZ7-1 生長的11 個營養因素進行評價，并篩選出顯著影響因子：玉米糖漿、酵母膏和 K2HPO4;其次用最陡爬坡試驗逼近以上 3 因素最優水平;最后采用RSM 法對 3 個顯著因素的最佳水平范圍進行研究，得到的最佳濃度分別為玉米漿28 g/L、酵母膏 14 g/L 和 K2HPO4 2.2 g/L。該測試結果與以上研究結果相似，通過PB 設計試驗篩選出酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4對孢子含量貢獻較大，其中酵母提取物對孢子含量的影響最為明顯，然后利用 BB 設計建立了3個主要因素與響應值之間的二次回歸模型，并由此確定了木霉菌Tr16產孢的最佳配方為酵母提取物、MgSO4、H8MoN2O4，最佳濃度為4.83 g/L、1.29 g/L、0.99 mL/L。

在優化過程中，RSAM 可以單獨針對微生物發酵的培養條件進行優化，也可綜合培養基組分和培養條件一起進行考察。 目前，利用該方法對不同微生物的發酵條件進行優化，均不同程度地提高目標產物的產量[11]。Lotfy等[12]采用 BB 設計，用一種新分離的黑曲霉進行發酵，生產檸檬酸。在對該黑曲霉培養基進行優化的同時，也對培養條件進行了優化。結果發現，當孢子濃度為 108 CFU/mL，pH為4.0，通氣量為 6 500 mL/min，溫度為 31.5 ℃時，檸檬酸的生產率可達 87.81%，是優化前的14倍。該測試結果與以上研究結果說明，在微生物培養基的優化工作中，PB 設計、最陡爬坡試驗和響應面分析法結合是一種邏輯性強、效果良好的過程優化過程。木霉菌 Tr16 經過 RSAM 測試，孢子含量明顯提高，達6.21×108 CFU/mL，與理論值相近，比未優化的培養基孢子產量提高了70.8%。該結果將為木霉菌 Tr16 液體發酵的放大和工業化生產提供了可參考數據。

參考文獻

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