卡那鏈霉菌培養基碳源、氮源及微量元素優化研究

收稿日期：2023-06-08

作者簡介：馬繼花，助理工程師，主要從事抗生素發酵菌種生產、選育研究。

*通信作者：石彥鵬，檢驗師，主要從事微生物發酵菌種選育研究。

摘要：通過單因素及多因素實驗對卡那鏈霉菌生長繁殖的培養基進行了優化研究。結果表明：影響卡那鏈霉菌生長的固體培養基主要因素有碳源的選擇及培養基滅菌前pH值調節，實驗確定最佳的碳源為飴糖，培養基滅菌前pH：7.50左右；影響卡那鏈霉菌積累代謝產物的發酵培養基主要因素有碳源的選擇，微量元素的添加，實驗確定結果為：最佳碳源是乳糖，其次培養基中添加0.03%FeSO4后發酵液的濾速比對照提高了65.0%，搖瓶效價比對照提高了21.97%。

關鍵詞：卡那鏈霉菌；培養基；pH值；微量元素；濾速；搖瓶發酵

中圖分類號：R978.1" " " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：1001-8751（2024）02-0100-09

Optimization of Carbon and Nitrogen Sources and Trace Elements for

Streptomyces kanamyceticus Production

Ma Ji-hua，Zhang Ping，Niu Chun，Shi Yan-peng

（Ningxia Tairui Pharmaceutical Co.， Ltd.，" "Yinchuan" "750101）

Abstract： The growth and reproduction medium of Streptomyces kanamyceticus was optimized by a series of single-factor and multi-factor experiments. The results showed that the main factors affecting the growth of the solid medium of Streptomyces kanamyceticus were the choice of carbon source and the pH adjustment before the medium sterilization. The experiment found that caramel was the optimum carbon source， and that the pH of the medium was approximately 7.50 prior to medium sterilization. The choice of carbon source and the inclusion of trace elements are the primary factors determining the accumulation of metabolites in the Streptomyces kanamyceticus fermentation medium. The experimental results are as follows： the best carbon source is lactose， followed by the filtration of fermentation broth after adding 0.03% FeSO4 to the medium. The speed was increased by 65.0% compared with the control， and the potency of the shake flask was increased by 21.97% compared with the control.

Key words： Streptomyces kanamyceticus;" "medium;" "pH value;" "trace elements;" "filtration rate;" "shake flask fermentation

卡那霉素是由卡那鏈霉菌產生的氨基糖苷類抗生素，是合成地貝卡星和阿貝卡星的主要原料，臨床上多用于治療敗血癥和重癥感染等。卡那鏈霉菌產生卡那霉素的主要組分卡那霉素A，但制備半合成抗生素阿貝卡星和地貝卡星的關鍵原料是卡那霉素Ｂ，而卡那霉素Ｂ的主要來源是從生產卡那霉素Ａ的廢液中分離得到。目前，由于分離工藝復雜，含量少，得來不易，難以滿足工業化需求，從而大大制約了阿貝卡星與地貝卡星的開發與應用[1]。因此嘗試應用微生物轉化方法對卡那霉素進行結構改造，利用微生物中特定的酶將一種物質（底物）轉化成為另一種物質（產物），從而得到一個結構新穎的衍生物，有望達到工業化應用需求[2]。

本文主要是以優化驗證得到適合該菌種生長繁殖的固體培養基及液體培養基為目的，考察研究固體培養基的成分及菌種最適生長環境，進一步優化得到積累卡那霉素代謝產物的搖瓶發酵培養基成分及確定關鍵的影響因素，以搖瓶驗證結果為指導可以應用到發酵罐擴大生產中，提高發酵產量。

1 材料與方法

1.1 菌種

卡那霉素鏈霉菌，編號CGMCC4.1441，為中國科學院普通微生物菌種保藏中心。

1.2 培養基

1.2.1 固體培養基

（1）酵母抽提物0.4 g，麥芽提取物0.4 g，葡萄糖0.4 g，燕麥片2.0 g，瓊脂2.0 g，定容至100 mL，pH7.0，28.0 ℃，培養8 d（該培養基為CGMCC提供菌種擴培培養基）。

（2）牛肉膏0.3 g，蛋白胨0.5 g，氯化鈉0.5 g，飴糖1.0～1.5 g，瓊脂2.0 g，定容至100 mL，pH7.5，26.8～27.0 ℃，培養8 d[3]。

（3）牛肉膏0.2 g，蛋白胨0.5 g，氯化鈉0.3 g，葡萄糖.5 g，瓊脂2.5 g，定容至100 mL，pH7.5，27 ℃，培養5 d[4]。

1.2.2 種子培養基

（1）可溶性淀粉2.0 g，葡萄糖0.5 g，氯化鈉0.4 g，豆餅粉2.5 g，硝酸鈉0.5 g，碳酸鈣0.1 g，定容至100 mL，pH自然[4]。

（2）可溶性淀粉1.5 g，葡萄糖0.5 g，蛋白胨0.5 g，酵母粉0.5 g，氯化鈉0.05 g，硫酸銨0.05 g，磷酸氫二鉀0.05 g，硫酸鎂0.05 g，碳酸鈣0.1 g，定容至100 mL，pH7.5，28 ℃，220 r/min，48 h[2]。

（3）可溶性淀粉2.0 g，葡萄糖0.5 g，酵母粉0.1 g，氯化鈉0.4 g，豆餅粉2.0 g，玉米粉1.0 g，硝酸鈉0.1 g，碳酸鈣0.5 g，定容至100 mL，pH7.2～7.5，27.0～28 ℃，220 r/min，46～50 h[5]。

1.2.3 發酵培養基

（1）可溶性淀粉2.5 g，黃豆餅粉3.0 g，麥芽糖2.5 g，硝酸鈉0.8 g，硫酸鋅0.01 g，定容至100 mL，pH7.2，27 ℃，230～240 r/min，接種量10%，144 h[6]。

（2）可溶性淀粉4.0 g，葡萄糖0.5 g，蛋白胨0.5 g，花生餅粉2.0 g，磷酸氫二鉀0.05 g，硫酸鎂0.05 g，碳酸鈣0.1 g，定容至100 mL，pH7.8，28 ℃，240 r/min，接種量8%，120 h[2]。

（3）可溶性淀粉6.0 g，黃豆餅粉5.0 g，硝酸鈉0.8 g，硫酸鋅0.02 g，葡萄糖0.5 g，麥芽粉4.0 g，定容至100 mL，pH7.2～7.5，27.0～28.0 ℃，接種量10%，120～130 h[5]。

1.3 主要儀器及試劑

電子天平（賽多利斯科學儀器北京有限公司）、酸度計（上海精密科學儀器有限公司）、離心機（上海安享科學儀器廠）、生化培養箱（上海申光儀器儀表有限公司）、搖瓶機（樂山長征制藥機械有限公司）、凈化工作臺（無錫市百凈凈化科技有限公司）、紫外風光光度計（日本島津有限公司）。試劑均為分析純。

1.4 試驗方法

1.4.1 固體培養基篩選及優化方法

通過文獻查閱得到上述固體培養基配方，按照三種配方制備空白平板，用培養成熟的新鮮斜面按照10倍稀釋分離法分離，觀察平板上菌落生長情況，初步篩選出卡那鏈霉菌菌落生長較好的固體培養基配方，然后用單因素試驗對培養基配方中的碳源葡萄糖、麥芽糖、乳糖、飴糖和蔗糖進行篩選，觀察記錄平板上菌落生長情況。

1.4.2 種子培養基篩選

對卡那鏈霉菌生長的不同種子培養基配方進行初步篩選，得到較適合菌絲體生長繁殖的培養基配方。

1.4.3 發酵培養基篩選及優化方法

通過對文獻[2，5-6]進行檢索，對產卡那霉素的不同發酵培養基配方進行初步篩選，得到較適合該菌種生長繁殖的發酵培養基配方，然后利用正交試驗對初選發酵培養基配方中的物料可溶性淀粉、黃豆餅粉、麥芽糖、硝酸鈉和硫酸鋅進行優化，每個因素設計3個水平，按照正交試驗設計選擇正交表L18（37）進行試驗。

1.4.4 培養方法

斜面培養：用75%的酒精脫脂棉對凍干管外表面進行消毒后，用火焰加熱其頂端，滴少量無菌水至加熱的凍干管頂端使之破裂，用鑷子敲下破裂的頂端玻璃，加1 mL滅菌純化水完全溶解，取適量菌懸液加到斜面培養基上均勻劃線，放于26.8～27.0 ℃，培養8 d[3]。

種瓶培養：取活化的新鮮斜面挖塊0.5 cm2接到裝有30 mL種子培養基的300 mL三角瓶中培養，27.0～28 ℃，220 r/min，46～50 h[5]。

發酵瓶培養：按照10%的接種量（V/V）將種子液接入“1.2.3”三種不同發酵培養基中，培養基裝量為300 mL三角瓶中，裝培養基40 mL，27.0～28.0 ℃，接種量10%，120～130 h[5]。

1.4.5 菌體濃度測定

取10 mL發酵液，以3000 r/min，離心10 min，測量上清液體積，計算得出菌體濃度（%）=（10－上清液體積）/10×l00%。

1.4.6 效價檢測方法配制

（1）卡那霉素試劑溶液配制" "1.86 g/L，稱取卡那霉素0.186 g，用水溶解后，定容于100 mL容量瓶中，備用。茚三酮溶液：10.00 g/L，稱取茚三酮 1.00 g，用無水乙醇溶解后，定容于100 mL容量瓶中，備用。乙酸—乙酸鈉緩沖溶液：分別配制0.1 mol/L 的乙酸和乙酸鈉溶液，在pH計調控下，配制不同pH的緩沖溶液，備用。 卡那霉素、茚三酮、氫氧化鈉、冰乙酸和無水乙醇均為分析純，試驗用水為純化水[7]。

（2）標準曲線繪制" "取10 mL燒杯8個，分別加入卡那霉素標準溶液0.40 mL，0.70 mL，1.00 mL，1.30 mL，1.60 mL，1.90 mL，2.20 mL和2.50 mL，然后依次加入乙酸一乙酸鈉溶液1.00 mL，茚三酮溶液1.00 mL，按試驗方法處理，以試劑空白為參比，測量其在563 nm處的吸光度[7]。

（3）搖瓶發酵液處理" "取發酵液用鹽酸調節pH為5.0～6.0，過濾，取稀釋倍數適量的樣品1.00 mL+乙酸—乙酸鈉緩沖溶液1.00 mL+茚三酮溶液1.00 mL，然后沸水浴20 min，純化水定容至25 mL，在563 nm處測量其吸光度[7]。

2 結果與分析

2.1 固體培養基初選實驗

2.1.1 不同固體培養基對卡那鏈霉菌菌落生長的影響

選用新鮮斜面刮取0.5～1.0 cm2斜面孢子制成適宜濃度的菌懸液，按照10倍稀釋分離法取10-6和10-7各0.1 mL菌懸液加入到三種分離平板上，用刮棒涂布均勻，按照相應的培養條件進行培養并觀察記錄。

卡那鏈霉菌為放線菌，菌體生長較快，孢子豐富，呈白色，因此由表1可知，固體培養基配方編號2的配方較好。但是該平板在2～8 ℃冰箱保存過程中發現隨著保藏時間延長，菌落上的孢子會減少，出現自溶現象，這可能是培養基中采用葡萄糖做碳源受到影響[3]。

2.1.2 固體培養基中碳源對菌落與斜面生長的影響

固體培養基是供菌種繁殖大量孢子的培養基，對這種培養基的要求是能使菌體生長快，產孢子數最多且質量好并且不會引起菌種變異，能保持菌種優良特性，因而選擇一個適合的產孢子培養基非常關鍵，下面對葡萄糖、麥芽糖、蔗糖、飴糖和D-半乳糖進行單因素實驗。

從表2中觀察記錄的菌落形態與斜面外觀看，培養卡那鏈霉菌的固體培養基中比較適合的碳源依次是飴糖、麥芽糖和葡萄糖。從菌落生長外觀描述看，飴糖培養基上長出的菌落菌層厚，飽滿結構緊密而堅硬，呈褶皺狀，能產豐富的白色孢子，麥芽糖略差一些；而葡萄糖培養基上長出的菌落菌層厚、軟，有少量的白色孢子，由此可確定飴糖是較適合的碳源。但是不同批號的飴糖質量不同，對斜面產孢子的影響很大。陳舊的飴糖和酸度高的飴糖效果不佳，表現為斜面氣生菌絲短，不產孢子或產孢子量少，因而斜面呈灰白色，菌落光禿，結構致密，前期生長過快，后期生長緩慢，發酵單位偏低。其影響因素估計與飴糖制備工藝中微量元素以及其他維生素含量有關，陳舊飴糖由于儲存時間過長，儲存條件不好，溫度過高引起發酵變酸，產生少量乙醇從而大大影響飴糖的質量。

2.1.3 葡萄糖、麥芽糖和飴糖斜面生產力驗證

通過在固體培養基上菌落的外觀觀察得出飴糖營養成分更適合該菌種的生長，將三種不同碳源培養基上的菌體接搖瓶培養驗證，確定最佳碳源。

如表3所示，通過搖瓶驗證得出三種碳源搖瓶效價接近，結合表2中菌體外觀觀察結果，以葡萄糖作碳源的培養基，pH值降低速度較其他兩種較快，導致卡那霉素產量低，飴糖性能不穩定，因此可用麥芽糖來替代飴糖。

2.1.4 斜面培養周期對產孢情況的影響

從表4對不同培養周期的斜面外觀及斜面菌體壓片觀察記錄的結果看，斜面培養9～10 d可得到白色、孢子量豐富的菌體斜面，因此該斜面培養周期至少培養9 d。

2.1.5 固體培養基pH對單菌落生長的影響

由于在實驗過程中發現平板培養基pH不同，導致分離平板上菌落生長有較大的差異性，因此將培養基的pH按照自然pH（5.04）、5.50、6.00、6.50、7.00、7.50進行梯度驗證。

由表5可知不同pH的平板培養基上菌落生長相差很大，因此可確定固體培養基pH值在7.50左右較好。

2.2 種子培養基初選實驗

2.2.1 不同種子培養基對菌絲體生長的影響

種子培養基就是為了擴大菌絲體繁殖，能在短時間內獲得數量多質量高的菌種，以滿足發酵生產的需要，對“1.2.2”中三種不同種子培養基配方進行驗證，在相同培養條件下，篩選出菌體濃度高，菌絲形態好的培養基配方即可作為卡那鏈霉菌生長繁殖菌絲體的配方。

由表6記錄的各參數值及菌絲形態看，種子培養基配方1比較適合該菌種菌絲體擴大培養。

2.2.2 種子培養周期對生產能力的影響

用篩選得到的種子培養基配方1配制種子培養基，用發酵培養基初選得到的發酵培養基配方1作為搖瓶配方，驗證最佳的種子培養周期對生產能力的影響。

由表7和圖1所示，隨著種子培養周期的增加種子pH和菌體濃度逐漸上升，培養48 h菌體菌濃呈下降趨勢，其對應的生產能力達到最高，經驗證數據分析得種子培養周期48 h最佳。

2.3 卡那鏈霉菌生產發酵搖瓶培養基選擇

2.3.1 不同發酵培養基對卡那鏈霉菌搖瓶效價的影響

發酵培養基是發酵生產中最主要的培養基，由于發酵培養基的主要作用是為了最大限度地獲得目的產物，因此必須根據菌體自身生長規律及產物合成的特點來設計培養基。下面對查閱文獻[2，5-6]得到的發酵培養基配方進行搖瓶驗證，以搖瓶發酵液檢測的效價單位來判定比較適合卡那鏈霉菌菌種代謝產物積累的發酵培養基配方。

由表8可知發酵培養基配方1搖瓶驗證效價較高，重復性較好，但是發酵液過濾濾速較慢，因此對初選出的培養基配方采用正交試驗方法對培養基各種成分及配比進一步優化驗證。

2.3.2 初選搖瓶培養基配方正交試驗優化

采用正交試驗對可溶性淀粉、黃豆餅粉、麥芽糖、硝酸鈉和硫酸鋅的配比進一步優化，選用L18（37）正交表，其正交試驗設計見表9，試驗結果見表10。

采用SPSS 18.0軟件包對數據進行統計分析。由表10可知，雖每批試驗結果沒有完全重復，按照培養基中原材料成分占比綜合分析各因素對產卡那霉素效價的影響程度為：麥芽糖＞黃豆餅粉＞硫酸鋅＞硝酸鈉＞可溶性淀粉，試驗最優組合為可溶性淀粉4.0 g、黃豆餅粉4.0 g、麥芽糖2.5 g、硝酸鈉0.8 g和硫酸鋅0.05 g。

2.3.3 發酵培養基中添加FeSO4對搖瓶效價及發酵液濾速的影響

趙靜巖等[8]研究發現用發酵罐擴大生產，硫酸鋅加量為0.02%效價最好，另外提出鐵是菌體細胞、細胞色素氧化酶和過氧化酶的輔基，對菌絲體生長發育和形成卡那霉素來說是必需的微量元素。由于培養基組成和配比以及發酵條件不同，發酵罐和搖瓶利于提高效價的最適鐵離子濃度存在很大差異。生產罐卡那霉素發酵培養液鐵離子的適合濃度是50 μg/mL，下面需要對搖瓶培養基中硫酸亞鐵的加量進行單因素試驗。

由表11顯示的搖瓶效價得知，發酵培養基中添加不同量的FeSO4后搖瓶效價比不添加FeSO4的搖瓶效價均有不同程度的提高，其中添加量以0.03%較好；其次發現添加FeSO4后發酵液的濾速比對照提高了65.0%，發酵液搖瓶效價比對照提高了21.97%。

2.3.4 發酵培養基中添加不同碳源對產卡那霉素的影響

發酵培養基中選擇不同的碳源對積累代謝產物有一定的影響。選取葡萄糖、麥芽糖、可溶性淀粉、蔗糖、飴糖和乳糖進行優化實驗。葡萄糖幾乎是所有微生物都能利用的速效碳源。麥芽糖、可溶性淀粉、蔗糖和飴糖水解產物都可得到葡萄糖，乳糖是由葡萄糖和半乳糖組成的雙糖。當發酵進入生產后期，葡萄糖降解物具有抑制N-乙酰卡那霉素酰胺水解酶合成的作用，降低卡那霉素產量。因此，發酵碳源必須以多糖為主，既利于發酵前期菌體快速生長，又能確保生產期菌體緩慢利用，提高卡那霉素產量。

從表12中數據可知，經搖瓶驗證供卡那鏈霉菌菌種生長較好的碳源有飴糖、乳糖、麥芽糖+可溶性淀粉，其次是可溶性淀粉。經Umezawa氏證實發酵液pH值在8.00～8.60之間是較適合合成卡那霉素[9]。從發酵液pH值可知，飴糖與麥芽糖+可溶性淀粉為碳源的發酵液pH值不在合成卡那霉素最適的pH值范圍，并且搖瓶效價均低于乳糖，而乳糖在發酵5 d周期時搖瓶效價已達到最高，延長發酵周期搖瓶效價并沒有增長，因此確定最佳碳源是乳糖。

2.3.5 優化發酵培養基配方驗證

培養基最佳配方通過驗證可以確定。初選配方：可溶性淀粉2.5 g，黃豆餅粉3.0 g，麥芽糖2.5 g，硝酸鈉0.8 g，硫酸鋅0.01 g，定容至100 mL，pH7.2；優化配方：乳糖6.5 g、黃豆餅粉4.0 g、硝酸鈉0.8 g、硫酸鋅0.03 g、硫酸亞鐵0.03 g，定容至100" mL，pH7.2；按照上述配方做搖瓶驗證，搖瓶培養5" d放瓶測效價。

從表13結果分析可知，優化后發酵培養基更適合卡那鏈霉菌代謝產物的合成，優化后配方平均搖瓶效價比對照提高了50.32%。

3 結果與討論

通過對卡那鏈霉菌生長繁殖的固體培養基進行了優化試驗，以葡萄糖為原料的平板培養基上生長的菌落挑單轉接至斜面培養基上，菌體生長較快，但產孢子量很少，斜面不白；以飴糖為原料的平板培養基生長的菌落菌層厚硬色白，是卡那鏈霉菌生長的較優碳源；其次培養基pH值是影響菌體生長的關鍵因素，經過驗證確定固體培養基自然pH值（5.04），消前pH值在7.50左右較好。影響卡那鏈霉菌積累代謝產物的發酵培養基經過優化驗證后發現最佳的碳源是乳糖，其次搖瓶培養基中添加0.03%FeSO4后發酵液的濾速比對照提高了65.0%，搖瓶效價比對照提高了21.97%。通過對正交試驗優化配方進行驗證，優化后發酵培養基配方平均搖瓶效價比對照提高了50.32%。

本文通過對卡那鏈霉菌菌種生長的基礎培養基優化后，確定了最佳培養基成分，后期可將搖瓶驗證的相關物料試用于發酵罐中試驗驗證，有望提高產量，增加收益。

參 考 文 獻

陳暉， 溫淑平， 洪文榮. 卡那霉素B工程菌的構建及其發酵特性研究[J]. 寧夏大學學報（自然科學版）， 2017， 38（1）：83-89.

楊良. 氨基糖苷類抗生素卡那霉素B的微生物轉化[D]. 福州： 福建醫科大學， 2012.

于心若. 影響卡那霉素及紅霉素產生菌孢子質量諸因素的探討[J]. 中國現代應用藥學， 1988， 5：18-22.

王嶽五，賈新康，吳正愷.卡那霉素產生菌Kp958-4菌株中與抗菌素產生有關的質粒轉化[J].遺傳學報，1980（03）：276-280.

顧漱鋒， 吳家琳， 趙靜巖. 卡那霉素發酵研究[J]. 抗生素， 1980， 4：9-10+8.

趙靜巖， 李靜英， 陳岳花， 等. 卡那霉素鏈霉菌亞硝基胍誘變育種[J]. 遺傳， 1980， 2（3）：17-19.

張雪嬌， 劉春葉， 楊黎燕，等. 可見分光光度法測定卡那霉素的含量[J]. 期刊論文， 2016， 52（5）：510-513.

趙靜巖， 鐘秀寶. 微量元素鋅、鐵、對卡那霉素鏈霉菌生物合成卡那霉素的作用[J]. 抗生素， 1980， 4：6-8.

毛振瑪. 生產卡那霉素的卡那鏈霉菌對碳源及氮源的利用[J]. 中國抗生素雜志， 1976， 1：40-44.