李市場 劉紅霞 朱朝陽 王冬冬
(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,洛陽 471003)
低能離子注入油脂高產(chǎn)菌株黏紅酵母(RHODOTORULA GLUTINIS)的選育
李市場 劉紅霞 朱朝陽 王冬冬
(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,洛陽 471003)
本文對(duì)油脂高產(chǎn)菌株選育過程中的篩選方法進(jìn)行研究,采用蘇丹黑B染色作為定性分析、酸熱耦合超聲波作為定量分析高產(chǎn)油脂菌株的篩選方法,通過低能離子注入黏紅酵母(Rhodotorula glutinis)進(jìn)行誘變,篩選油脂高產(chǎn)菌株。結(jié)果表明:獲得了一株油脂高產(chǎn)菌株D30,產(chǎn)量比出發(fā)菌株提高33.05%,傳代試驗(yàn)表明了D30的遺傳穩(wěn)定性良好,當(dāng)發(fā)酵96 h,其油脂產(chǎn)量達(dá)3.10 g/L。另外,對(duì)D30發(fā)酵動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為10 d時(shí),其生物量為47.98 g/L(菌體濕重),油脂產(chǎn)量達(dá)到7.81 g/L。
黏紅酵母 油脂 蘇丹黑B染色 索氏抽提法 酸熱耦合超聲波
微生物油脂(microbial oil)又稱單細(xì)胞油脂(single cell oil.SCO),即微生物(酵母、霉菌、細(xì)菌等)在一定條件下,以碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭瑸樘?、氮源,輔以無機(jī)鹽生產(chǎn)的油脂和另一些有商品價(jià)值的脂質(zhì)[1]。微生物油脂的研究和開發(fā),不僅豐富了傳統(tǒng)的油脂工業(yè)技術(shù),而且是工業(yè)化生產(chǎn)油脂的一個(gè)重要途徑。尤其是目前人口的快速增長,使得油脂需求量與自然資源嚴(yán)重短缺的矛盾日益尖銳,在此情況下,開辟新油源——微生物油脂更具有重要的理論和實(shí)際意義。
目前對(duì)微生物油脂的研究和開發(fā)主要集中在利用微生物生產(chǎn)高附加值的特殊用途功能性油脂方面。利用微生物可生產(chǎn)含各種類型脂肪酸油脂,有單不飽和脂肪酸,如棕櫚油酸、油酸等;多不飽和脂肪酸,如亞油酸(LA)、亞麻酸(LNA)、花生四烯酸(AA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等;這些具有特殊功能和用途的功能性油脂在促進(jìn)人類健康方面具有越來越重要的作用[2-3]。
微生物油脂具有很多優(yōu)點(diǎn),如微生物細(xì)胞增殖快,生產(chǎn)周期短,價(jià)值便宜,不受季節(jié)、氣候變化的限制等。但是,微生物油脂也有其局限性,最明顯的一點(diǎn)就是油脂的產(chǎn)量低。為了提高產(chǎn)量,本文利用低能離子注入選育高產(chǎn)油脂菌株。低能離子生物學(xué)是一門新興邊緣交叉學(xué)科,它集能量沉積、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量沉積及電荷交換等效應(yīng)[4],同時(shí)還具有高傳能線密度值、集束性好、射程可控、能量沉積和質(zhì)量沉積區(qū)域集中等特點(diǎn),因此可以在損傷輕的情況下,獲得更高的突變率和更寬的突變譜[5]。最近幾年,低能離子生物學(xué)研究在農(nóng)作物育種方面取得可喜的成果。陳宇等[6]用N+注入產(chǎn)紅霉素菌,使紅霉素的產(chǎn)量提高了20%以上。王紀(jì)等[7]用低能離子注入生產(chǎn)VD的麥角甾醇酵母,發(fā)酵水平提高了50%以上,而且遺傳穩(wěn)定。
1.1 試驗(yàn)儀器
LZD 900低能離子注入設(shè)備:中科院等離子物理研究所自主開發(fā);LDZX-50KB立式壓力蒸汽滅菌鍋:上海申安醫(yī)療器械廠;BS223S電子天平(Max=220 g,d=0.001 g):北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;HH-S恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市江通電子有限公司;TDL-50電動(dòng)離心機(jī):江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;SW-CJ-1F型單人雙面凈化工作臺(tái):蘇州凈化設(shè)備有限公司;HY-8數(shù)顯大容量振蕩器(搖床):江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;ECLIPSE TS100-F倒置顯微鏡:NIKON。
1.2 菌種
黏紅酵母(Rhodotorula glutinis)31596:中國工業(yè)微生物菌種保藏中心(CICC)。
1.3 培養(yǎng)基
斜面培養(yǎng)基:加入2%瓊脂和2%蛋白胨的10%麥芽汁,pH:5.8 ~ 6.2。
種子培養(yǎng)基:加入2%蛋白胨的10%麥芽汁,pH:5.8 ~ 6.2。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖:80;蛋白胨:1.8;(NH4)2SO4:1.11;KH2PO4:2.5;pH:5.8 ~ 6.2。
每個(gè)三角瓶加CaCO30.5 g單獨(dú)滅菌,采用濕熱滅菌法:115 ℃保溫30 min,pH:5.8 ~ 6.2。
1.4 培養(yǎng)工藝
斜面培養(yǎng):轉(zhuǎn)接斜面后置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)48 h,4℃保藏;
種子培養(yǎng):從斜面刮取3環(huán)菌體,接種于種子培養(yǎng)基中(250 mL三角燒瓶裝液30 mL),28℃搖床轉(zhuǎn)速為190 r/min培養(yǎng)20 h。
發(fā)酵培養(yǎng):按10%(體積比)的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中(裝液量為250 mL三角瓶裝液30 mL),28℃搖床轉(zhuǎn)速為190 r/min培養(yǎng)96 h。
1.5 離子注入
1.5.1 菌懸液的制備
用適量的無菌水洗脫純種黏紅酵母斜面,利用梯度稀釋法,稀釋至一定的倍數(shù),制成106cfu/mL的菌懸液。
1.5.2 離子束輻照設(shè)備
離子注入機(jī)是由中國科學(xué)院離子束生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究制備的LZD 900多功能離子注入機(jī)。本試驗(yàn)用10 keV的氮離子(N+)進(jìn)行不同劑量的離子注入。靶室真空度為10-3Pa,以5 s脈沖式注入,間隔15 s。
1.5.3 離子注入處理
取0.1 mL已稀釋到合適濃度的菌懸液均勻涂布于無菌平皿上,無菌風(fēng)干后進(jìn)行注入。在注入機(jī)上,能量選用 10 keV,以不同的劑量(20、40、60、80、100、120)×2.6×1013ions/cm2對(duì)黏紅酵母單菌落進(jìn)行注入;注入靶室的真空密度為10-3Pa。該試驗(yàn)把真空未接受離子注入的處理作為真空對(duì)照(設(shè)置放入真空靶室,以不經(jīng)離子注入的樣品為真空對(duì)照,以同樣方法涂平皿,風(fēng)干后不置于真空下的樣品為基本對(duì)照)。
1.5.4 離子注入后的培養(yǎng)
離子注入后立即在超凈工作臺(tái)上用新鮮無菌水洗脫,進(jìn)行適當(dāng)?shù)南♂?,并涂布于分離平皿上,在28℃培養(yǎng)數(shù)小時(shí),長出單菌落,計(jì)數(shù)并計(jì)算出相對(duì)存活率和突變率。
1.5.5 存活率的計(jì)算
在不同的誘變劑量下,接受離子注入誘變的菌株的存活單菌落數(shù)與不接受注入的對(duì)照菌株的存活單菌落數(shù),兩者的比值即為存活率。存活率=各處理計(jì)量的單菌落數(shù)/真空對(duì)照單菌落數(shù)×100%。
1.5.6 突變率的計(jì)算
挑選單菌落轉(zhuǎn)接斜面,根據(jù)上述培養(yǎng)條件,進(jìn)行搖瓶培養(yǎng),同時(shí)以出發(fā)菌作為對(duì)照,考察菌株的產(chǎn)油脂能力。在誘變選育研究中,負(fù)突變率是指負(fù)突變菌株占全部被考察的菌株的比率,正突變率指正突變菌株占全部被考察菌株的比率。
1.5.7 篩選方法
1.5.7.1 蘇丹黑 B 染色
蘇丹黑B(蘇丹黑B:0.3 g,70%乙醇100 mL)是一種能溶于脂肪的色素,而微生物油脂不被一般染料著色,但可被脂溶性染料如蘇丹黑B著色,使脂肪粒呈現(xiàn)藍(lán)黑色,從而可以定性判斷油脂的含量[8]。
染色方法:
在潔凈無油的載玻片中央加1滴培養(yǎng)好的發(fā)酵液,熱固定,用蘇丹黑B染色染色10 ~15 min,傾去染料,用濾紙吸干后用二甲苯清洗涂片,直至洗脫液無色為止。用0.5%番紅水溶液復(fù)染1~2 min,水洗后吸干、鏡檢,細(xì)胞和菌絲呈紅色,菌體內(nèi)的脂肪顆粒呈藍(lán)黑色[9]。
1.5.7.2 索氏抽提法
微生物油脂是脂類物質(zhì),能溶于乙醚等有機(jī)溶劑。利用微生物油脂能溶于脂溶性溶劑這一特性,用脂溶性溶劑將其提取出來。整個(gè)提取過程均在索氏提取器中進(jìn)行,使用的脂溶性溶劑為乙醚[10]。
樣品的準(zhǔn)備:將誘變后的菌株按上述培養(yǎng)條件搖瓶培養(yǎng)96 h后,離心收集菌體,濕菌體在80~100℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重,取1張濾紙,做成濾紙斗,烘干后在電子天平上稱重,然后將碾碎干菌體裝在濾紙斗里稱重,兩質(zhì)量之差即為干菌體的質(zhì)量。
油脂的提取:把裝有樣品的濾紙斗放入提取管內(nèi),向提取管中緩緩倒入乙醚直至液面達(dá)到虹吸管上彎頭部,正好虹吸1次;再向提取管中倒入乙醚,使其液面達(dá)到第1次液面的一半。將索氏提取儀整個(gè)裝置放入恒溫水浴鍋中加熱提取(水溫65℃左右),提取24 h以上。
提取終點(diǎn)的判斷:可將被回流的乙醚滴在濾紙上乙醚揮干后有無油跡來判斷,無油跡證明脂肪已被抽提完全。
油重的確定:稱取一個(gè)烘干至恒重的三角瓶,記做W1,將接收瓶中的液體轉(zhuǎn)移至三角瓶中,乙醚完全揮凈后,將三角瓶瓶放入烘箱中(100±5)℃烘干至恒重。烘干后易吸濕,因此稱量要迅速,記做W2,油重W=W2-W1
1.5.7.3 酸熱耦合超聲波法
由于黏紅酵母所產(chǎn)生的油脂屬于胞內(nèi)物質(zhì),要提取出油脂必須要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎。酸熱耦合超聲波法的原理是:主要是利用鹽酸對(duì)細(xì)胞壁中糖及蛋白質(zhì)等成分的作用,對(duì)菌體細(xì)胞壁進(jìn)行破壁處理,使原來結(jié)構(gòu)緊密的細(xì)胞壁變得疏松,再經(jīng)沸水浴及速凍處理使細(xì)胞壁進(jìn)一步被破壞,然后用有機(jī)溶劑浸提細(xì)胞中的油脂[11-12]。
菌體的收集:將發(fā)酵液倒入50 mL的離心管中,4 000 r/min離心20 min,棄上清液,加入蒸餾水10 mL,攪拌均勻,4 000 r/min離心20 min,重復(fù)2次。
細(xì)胞破碎:向收集好的菌體加入10 mL 4 mol/L鹽酸,振蕩混勻,室溫放置30 min后,沸水浴5 min,-20℃速冷10 min;然后使用超聲波細(xì)胞破碎儀進(jìn)一步破碎細(xì)胞,超聲功率200 W,全程時(shí)間5 min,超聲時(shí)間3 s,間歇時(shí)間4 s。
油脂的提取:破碎后的菌體懸液,加入2倍體積氯仿:甲醇(2∶1)提取液,充分振蕩后,4 000 r/min離心25 min,取氯仿層,加等體積0.1%氯化鈉溶液,混勻,4 000 r/min離心25 min,取氯仿層,揮發(fā)除去氯仿即得油脂。
2.1 離子注入
黏紅酵母經(jīng)過離子注入后,存活率和突變率如圖1、圖2所示。結(jié)果表明,存活曲線呈現(xiàn)先降后升的“波浪型”曲線。首先,存活率大幅度下降;在(20~60)×2.6×1013ions/cm2之間,存活率的下降趨于緩慢;在(60~80)×2.6×1013ions/cm2之間,存活率又有了小幅度的上升;當(dāng)劑量大于80×2.6×1013ions/cm2時(shí),存活率又開始下降。這種特異的存活曲線與傳統(tǒng)的物理誘變或者化學(xué)誘變所呈現(xiàn)“肩型”或“直線型”的存活曲線相比有明顯不同[13],其原因?yàn)殡x子注入除了具有能量沉積效應(yīng)外,還有動(dòng)量傳遞、質(zhì)量沉積和電荷中和與交換等效應(yīng)存在[14]。
突變株油脂產(chǎn)量相比出發(fā)菌株,產(chǎn)量低于出發(fā)菌株5%的視為負(fù)突變菌株;產(chǎn)量高于出發(fā)菌株5%的視為正突變菌株,在正負(fù)5%之間的為未突變。各劑量處理下的存活率和突變率為3次以上重復(fù)的平均值。由圖 2可知,在(20、40、60)×2.6×1013ions/cm2的注入劑量下,負(fù)突變率要高于正突變率;在(80、100、120)×2.6 ×1013ions/cm2,正突變率要遠(yuǎn)比負(fù)突變率高,尤其是(80、100)×2.6 ×1013ions/cm2。因此,當(dāng)注入能量為10 keV時(shí),在既考慮到致死率,又考慮到正突變率情況下,注入劑量選擇(80、100)×2.6×1013ions/cm2作為該菌株常用的離子注入?yún)?shù)。
2.2 篩選方法的比較。
經(jīng)蘇丹黑B染色法染色后,菌體內(nèi)的脂肪粒呈現(xiàn)黑色,而菌體為紅色,根據(jù)脂肪粒的大小可初步判斷油脂含量的多少。通過蘇丹黑B染色,經(jīng)顯微鏡觀察,定性篩選出5株較高產(chǎn)菌株,分別為:D30、B23、B13、C53、C32 如圖3 所示。
圖3 蘇丹黑B染色法得到的5株油脂高產(chǎn)菌株
由圖3可以看出,脂肪粒的大小順序排列為:D30>B23>B13>C53>C32,根據(jù)蘇丹黑B染色的原理,產(chǎn)油脂能力和脂肪粒的大小正相關(guān),這5株黏紅酵母產(chǎn)油脂的能力大小也應(yīng)該為:D30>B23>B13>C53>C32。為了驗(yàn)證初篩過程的準(zhǔn)確性,分別用索氏抽提法和酸熱耦合超聲波法對(duì)這5株高產(chǎn)菌株進(jìn)行定量分析,結(jié)果見表1。
表1 酸熱耦合超聲波提取法和索氏抽提法對(duì)油重的影響 /g/L
由表1可以看出,兩種定量分析均驗(yàn)證了所得油脂得率的高低與初篩中脂肪粒的大小相對(duì)應(yīng),油脂含量最高菌株為D30,這說明初篩方法準(zhǔn)確而有效。
蘇丹黑B染色對(duì)黏紅酵母油脂進(jìn)行定性觀察簡單快捷,不需要通過物理或者化學(xué)方法破碎細(xì)胞壁和進(jìn)行常規(guī)的有機(jī)溶劑對(duì)油脂提取,能在短時(shí)間內(nèi)從大量的誘變菌株中快速定性的篩選出高產(chǎn)菌株。
蘇丹黑B染色法只能定性地觀察菌株的產(chǎn)油脂能力,不能定量地檢測油脂的含量。酸熱耦合超聲波法與索氏抽提法[15]相比,其操作簡便、快速,樣品需要量小并且不需任何處理,可作為定量檢測的方法用于復(fù)篩。
因此,在后續(xù)的研究中,選用蘇丹黑B染色法作為定性分析方法、酸熱耦合超聲波法作為定量檢測方法,篩選出一株高產(chǎn)油脂黏紅酵母(Rhodotorula glutinis)D30,發(fā)酵 96 h,產(chǎn)量高達(dá) 3.10 g/L,比出發(fā)菌株提高了33.05%(出發(fā)菌株為2.33 g/L)
2.3 菌種D30遺傳穩(wěn)定性試驗(yàn)。
為了確保篩選到的高產(chǎn)突變菌株的遺產(chǎn)穩(wěn)定性,對(duì)誘變選育菌株D30進(jìn)行傳代試驗(yàn),每代試驗(yàn)過程為:高產(chǎn)菌株自然分離→單菌落→斜面→種子瓶→搖瓶發(fā)酵,提取油脂產(chǎn)量。共傳6代,每代均做3個(gè)平行樣,結(jié)果見表2。由表2可以看出,從F1~F6代,油脂產(chǎn)量基本上維持在3.20 g/L左右,最高可達(dá)3.55 g/L,說明該菌株遺產(chǎn)穩(wěn)定性較好。
表2 高產(chǎn)突變株遺傳穩(wěn)定性試驗(yàn)
2.4 高產(chǎn)突變株D30的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)分析
將經(jīng)過誘變選育出的高產(chǎn)油脂菌株D30在上述培養(yǎng)條件下進(jìn)行搖瓶發(fā)酵培養(yǎng),每隔24 h觀察一次,并取樣檢測繪制發(fā)酵曲線(每次試驗(yàn)抽取3個(gè)平行樣品),結(jié)果見圖4。
圖4 D30的發(fā)酵曲線
由圖4可以看出,由于發(fā)酵液中加入了適量的CaCO3用來平衡pH,整個(gè)培養(yǎng)過程中pH值基本穩(wěn)定在5.8~6.2之間,而此pH正是黏紅酵母菌株生長及合成油脂的最佳范圍[16]。油脂的生產(chǎn)隨著菌體的生長不斷積累。1~2 d為其短暫的滯后期,很快進(jìn)入快速生長期,油脂的積累與葡萄糖的消耗呈負(fù)相關(guān)性,2~6 d時(shí),生物量快速的增加,此時(shí)為菌體生長階段,6 d后菌體的增長進(jìn)入穩(wěn)定期,油脂開始大量的積累,耗糖速度也明顯加速。在10 d時(shí),菌體量和油脂產(chǎn)量達(dá)到最高,糖濃度已經(jīng)降到最低,此時(shí)達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn),生物量為47.98 g/L(菌體濕重),油脂產(chǎn)量達(dá)到7.81 g/L。在發(fā)酵到10~11 d的時(shí)候,pH開始下降,油脂的產(chǎn)量和菌體生物量也開始下降,推測其原因可能為菌體開始自溶,葡萄糖即將耗盡,油脂被當(dāng)做碳源重新利用。
采用低能離子注入技術(shù)誘變黏紅酵母,選育油脂高產(chǎn)菌株,篩選出一株高產(chǎn)突變株D30,其油脂產(chǎn)量達(dá)到3.10 g/L,比出發(fā)菌株提高了33.05%。確立了蘇丹黑B染色法作為快速定性、酸熱耦合超聲波法作為定量篩選高產(chǎn)油脂菌株的方法;D30的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究表明,到達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn)時(shí),其生物量為47.98 g/L(菌體濕重),油脂產(chǎn)量達(dá)到 7.81 g/L。
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Screening of Lipid-producing Strain Rhodotorula Glutinis by Low-energy Ion Implantation
Li Shichang Liu Hongxia Zhu Chaoyang Wang Dongdong
(Food and Bioengineering School,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003)
The paper studied the screening of strain with high - yield oil,and Sudan Black B staining and Acid-h(huán)eating+Ultrasonic extraction were respectively chosen in qualitative and quantitative analysis methods to screen the strain with high-yield oil.Screening of lipid-producing strain Rhodotorula glutinis by low -energy ion implantation was studied as well.As a result,a high - yield mutant strain D30 was obtained,and it's lipid yield was increased by 33.05%than that of original.And it was found that genetic characteristics of D30 was rather stable through successive transfer of cultures,when fermentation time was 96 h and it's lipid yield increased to 3.10 g/L.Additionally,the fermentation characteristic of high-yield mutation strain D30 was studied,it's lipid yield and biomass respectively increased to 7.81 g/L and 47.98 g/L(wet strain),when fermentation time reached 10 d.
Rhodotorula glutinis,lipid,Sudan Black B staining,Soxhlet extraction,Acid - heating+Ultrasonic extraction
Q939.97
A
1003-0174(2011)08-0031-05
中國科學(xué)院等離子體物理研究所暨安徽省離子束生物工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2008B004)
2010-10-28
李市場,男,1976年出生,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,微生物育種