吳軍林,柏建玲,莫樹平,張菊梅
(1.廣東環(huán)凱微生物科技有限公司,廣東廣州 510663)(2.廣東省微生物研究所,廣東廣州 510070)
傳統(tǒng)的菌體培養(yǎng)方式僅能解決菌體生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求而無(wú)法解除代謝產(chǎn)物的抑制,很難從跟不上解決菌體的高密度培養(yǎng)核心技術(shù)問題。高密度培養(yǎng)是近幾年來發(fā)酵工藝的重要目標(biāo)與方向之一。乳酸菌要通過高密度培養(yǎng)技術(shù)達(dá)到理想的高濃度產(chǎn)量,需要優(yōu)化一系列相關(guān)的工藝參數(shù)來對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。通過解決這些問題,設(shè)計(jì)出合適的培養(yǎng)途徑達(dá)到理想的菌體濃度[1]。
研究報(bào)道表明,影響乳酸菌增殖的因素有很多,如菌種的活力、培養(yǎng)代數(shù)、培養(yǎng)周期、培養(yǎng)液的初始pH值、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時(shí)間、接種量和增殖因子等,其中培養(yǎng)基的物理性質(zhì)及成分會(huì)嚴(yán)重影響到乳酸菌菌體的收集工作,所以培養(yǎng)基的選擇多選用粘度小、蛋白質(zhì)含量低的透明液。微生物需從外界吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以獲得能量完成自身代謝過程并合成新物質(zhì),培養(yǎng)基是試驗(yàn)室中用來培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)液,配制出能夠滿足菌體生長(zhǎng)所需各種營(yíng)養(yǎng)的培養(yǎng)基是研究菌體高密度培養(yǎng)的前提條件。高細(xì)胞密度發(fā)酵(High cell density fermentation,HCDF)是指在一定的培養(yǎng)條件和體系內(nèi),在不影響胞內(nèi)產(chǎn)物積累的基礎(chǔ)上,盡可能多的積累生物量[2]。
工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)就是要以最低的生產(chǎn)成本獲取最高的細(xì)胞或代謝產(chǎn)物收益,因此確定低成本、高效率的高密度培養(yǎng)工藝是本研究關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以一株已經(jīng)證實(shí)具有耐酸、耐膽汁的乳桿菌R8菌株為材料,對(duì)其高密度發(fā)酵培養(yǎng)工藝進(jìn)行了研究。以菌體密度(OD600)及碳源(葡萄糖)的利用情況為主要參考指標(biāo),研究了中和劑、pH、接種量、初始糖含量、通氣方式以及補(bǔ)料工藝等對(duì)菌體在7.5 L攪拌發(fā)酵罐內(nèi)生長(zhǎng)的影響,并經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)菌進(jìn)行250 L中試放大工藝的優(yōu)化。最終確定一條低成本、高效率的高密度培養(yǎng)工藝。
乳桿菌R8由本項(xiàng)目課題組廣東省微生物研究所篩選馴化提供[3]。
1.2.1 MRS培養(yǎng)基(g/L)
葡萄糖20.0 g,胰蛋白胨10.0 g,牛肉膏8.0 g,酵母粉 4.0 g,Tween80 1.0 mL,K2HPO42.0 g,MgSO4·7H2O 0.2 g,MnSO4·4H2O 0.05 g,檸檬酸銨 2.0 g,CH3COONa·3H2O 5.0 g,蒸餾水 1000 mL,pH 6.2。
1.2.2 液體種子及發(fā)酵培養(yǎng)基-改良MRS培養(yǎng)基(g/L)
葡萄糖 20.0 g,酵母粉 30.0 g,MgSO4·7H2O 2.0 g,KH2PO42.5 g,檸檬酸三銨 2.5 g,CH3COONa·3H2O 6.25 g,Tween80 1.0 mL,pH 6.2。
1.2.3 平板計(jì)數(shù)用培養(yǎng)基
改良MRS液體培養(yǎng)基加1.5%~2%瓊脂。
臺(tái)式冷凍離心機(jī)SIGMA 3K15,德國(guó);生化培養(yǎng)箱LRH-250,上海;全波長(zhǎng)掃描分光光度計(jì),島津;UV-1800,日本;30 L發(fā)酵罐,鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司GUJS-30;250 L發(fā)酵罐,鎮(zhèn)江東方生物工程設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司GUJS-250。
1.4.1 培養(yǎng)方法
1.4.1.1 菌種保存
菌株R8于甘油管中-20 ℃保存。
1.4.1.2 液體種子培養(yǎng)
接種于改良MRS培養(yǎng)基,接種量2%,37 ℃培養(yǎng)16~18 h。
1.4.2 檢測(cè)方法
1.4.2.1 發(fā)酵液菌體干重測(cè)定
取一定體積的發(fā)酵液,離心后用無(wú)菌水洗滌兩次,再將菌體干燥后稱重即可算得菌體干重,以g/L表示。
1.4.2.2 發(fā)酵液濃度測(cè)定
取一定體積培養(yǎng)液8000 r/min離心10 min,棄上清液,用等體積的無(wú)菌生理鹽水洗滌兩次后將菌體懸浮,測(cè)定600 nm下的吸光度值。
1.4.2.3 菌液活菌數(shù)測(cè)定
菌液用梯度稀釋法稀釋到一定倍數(shù)后涂平板,37 ℃培養(yǎng)48 h后計(jì)數(shù),結(jié)果以CFU/mL表示[4]。
1.4.3 小試初始發(fā)酵工藝
用于小試工藝研究的是一臺(tái)攪拌型生物反應(yīng)器(瑞士INFORS LabforsⅢ),帶有基本的溫控、補(bǔ)料和通氣裝置,總?cè)莘e 7.5 L,溫度自控,可在線監(jiān)控pH值(梅特勒pH電極),并可根據(jù)需要自動(dòng)流加中和劑控制pH。與其它生物反應(yīng)器相比,攪拌型生物反應(yīng)器更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,也是迄今為止使用最為廣泛的生物反應(yīng)器。
小試初始發(fā)酵工藝:將種子液以2%(V/V)接種于裝液量為70%的7.5 L小罐,攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min,不通氣,恒定pH 6.2,37 ℃恒溫培養(yǎng)至發(fā)酵結(jié)束。
1.4.4 分批發(fā)酵條件優(yōu)化
在小試初始發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)上,分別研究以下各因素對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響,每一步優(yōu)化的結(jié)果都用于下一步的發(fā)酵過程中,根據(jù)不同條件下菌體的生長(zhǎng)情況逐步確定最佳的小試發(fā)酵工藝。
1.4.4.1 不同中和劑
12.5%氨水,6 mol/L NaOH。
1.4.4.2 不同pH
pH 5.4~6.6之間每0.4個(gè)pH單位為一個(gè)梯度的不同pH值。
1.4.4.3 不同接種量
2%,5%,8%。
1.4.4.4 不同初始碳源含量
初始葡萄糖濃度分別為20 g/L,30 g/L,40 g/L,50 g/L。
1.4.4.5 不同通氣方式
持續(xù)通氮?dú)?.02 vvm不保壓,間歇通氮?dú)獠槐海? h,以0.2 vvm的速率通氮?dú)? min),通氮?dú)獗?.02 Mpa。
1.4.5 補(bǔ)料分批發(fā)酵模式的研究
在分批培養(yǎng)最佳條件的基礎(chǔ)上,以初糖20 g/L開始發(fā)酵至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)(約4 h后)開始間歇流加葡萄糖液,使發(fā)酵液中的糖濃度維持在15 g/L左右,直至發(fā)酵結(jié)束,以分批培養(yǎng)作為對(duì)照,比較分析后確定合適的培養(yǎng)模式。
1.4.6 中試發(fā)酵工藝的確定
由30 L發(fā)酵罐到250 L發(fā)酵罐逐級(jí)擴(kuò)大中試規(guī)模。初始的發(fā)酵工藝條件參考小試發(fā)酵工藝,根據(jù)中試情況調(diào)整工藝條件,從而確定250 L中試規(guī)模的發(fā)酵工藝。初始發(fā)酵工藝:經(jīng)活化后的種子液以 8%接種于裝液量為70%的30 L發(fā)酵罐,攪拌轉(zhuǎn)速60 r/min,通過自動(dòng)流加氨水控制pH 5.8,間歇通氮?dú)獠槐海? h,以0.2 vvm的速率通氮?dú)? min),37 ℃恒溫發(fā)酵至結(jié)束。發(fā)酵液離心分離收集菌體,添加保護(hù)劑后冷凍干燥制成凍干菌粉。
本研究以菌體密度(OD600nm)及碳源(葡萄糖)的利用情況為主要參考指標(biāo),研究了中和劑、pH值、接種量、初始糖含量、通氣方式以及補(bǔ)料工藝等對(duì)菌體在7.5 L攪拌發(fā)酵罐內(nèi)生長(zhǎng)的影響,逐步優(yōu)化菌體的小試發(fā)酵工藝。
2.1.1 中和劑的選擇
菌體代謝產(chǎn)物(乳酸和乙酸等)對(duì)菌體生長(zhǎng)的反饋抑制是影響乳酸菌高密度培養(yǎng)的主要原因,通過流加中和劑使培養(yǎng)液的pH值維持在菌體最適生長(zhǎng)pH范圍內(nèi)可以有效緩解這種抑制作用,從而提高菌體的生長(zhǎng)密度。
NaOH、KOH、NH3·H2O 和 Na2CO3等都是發(fā)酵工業(yè)中常用的中和劑。針對(duì)不同的微生物或不同培養(yǎng)基質(zhì),不同的中和劑所能達(dá)到的效果也不盡相同,本試驗(yàn)主要比較NaOH和NH3·H2O這兩種中和劑對(duì)試驗(yàn)菌種生長(zhǎng)的影響,結(jié)果見圖1。
從圖1可看出,使用不同的中和劑,菌體的生長(zhǎng)過程相似,隨著菌體濃度升高,碳源(葡萄糖)逐漸被消耗。從菌體濃度看,以氨水為中和劑更利于菌體的生長(zhǎng),穩(wěn)定期時(shí)的OD值在5以上,碳源在發(fā)酵12 h時(shí)已基本耗盡;以NaOH為中和劑,穩(wěn)定期時(shí)菌體濃度稍遜于氨水,OD值約4.52左右,碳源在發(fā)酵12 h時(shí)仍有少量剩余。以氨水作為中和劑,既可以調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值,也可作為氮源被菌體利用,促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)。后續(xù)試驗(yàn)都采用12.5%的氨水作為中和劑。
圖1 不同中和劑對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響Fig.1 The effects of different neutralizers on bacterial growth
2.1.2 不同pH對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響
圖2 不同pH對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響Fig.2 The effects of different pH on the bacterial growth
微生物都有其最適生長(zhǎng)pH值,本試驗(yàn)研究了試驗(yàn)菌在pH 5.4~6.6范圍內(nèi)的生長(zhǎng)情況,結(jié)果見圖2。
如圖2所示,菌體在不同pH條件下的生長(zhǎng)過程相似,隨著碳源的消耗,菌體濃度不斷提高,pH維持5.8發(fā)酵12 h后的菌體濃度最大,OD值6.5左右,pH維持5.4發(fā)酵12 h后的菌體濃度最低,OD值不到5,pH值為6.2和6.6的情況基本相同,最終OD值都在5~6之間。從碳源利用情況來看,pH值在5.8~6.6之間時(shí),12 h內(nèi)糖基本耗盡,在較低pH值(5.4)發(fā)酵時(shí),12 h后仍有少量糖剩余,說明微酸性的環(huán)境較適合菌體生長(zhǎng)。后續(xù)試驗(yàn)中pH均控制在5.8。
2.1.3 接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響
接種量一般可以影響到菌體的增值速度,縮短延滯期,本試驗(yàn)比較了2%~8%不同的接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響,結(jié)果見圖3。
圖3 不同接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響Fig.3 the effects of different inoculum concentration on bacterial growth
如圖3所示,5%與8%接種量的發(fā)酵過程相近,10 h時(shí)碳源均已耗盡,菌體達(dá)最大濃度,最終菌濃與2%接種量發(fā)酵12 h時(shí)基本相同,說明提高接種量的確加快了菌體的生長(zhǎng)速度。
菌體濃度沒有明顯提高,很可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)基中的碳源較早耗盡,使得菌體不能充分生長(zhǎng),因此將接種量定為8%,繼續(xù)培養(yǎng)基初糖濃度的優(yōu)化試驗(yàn)。
2.1.4 初始糖濃度對(duì)菌體小試發(fā)酵的影響
在2.1.3接種量的研究中發(fā)現(xiàn)初始糖含量20 g/L很可能無(wú)法滿足菌體生長(zhǎng)的實(shí)際需要,因此在小試條件下對(duì)培養(yǎng)基的初始糖濃度做進(jìn)一步的優(yōu)化,以確定適宜的初始糖濃度。
試驗(yàn)中將初始糖濃度從20 g/L逐漸增至50 g/L,發(fā)酵結(jié)果見圖4。
圖4 不同初始糖濃度對(duì)小試條件下菌體生長(zhǎng)的影響Fig.4 The effects of different initial glucose concentrations on the bacterial growth in the bench-scale test
結(jié)果表明原優(yōu)化培養(yǎng)基中的葡萄糖濃度確實(shí)無(wú)法滿足菌體在小試管培養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)需求,提高初始葡萄糖濃度后,菌體的終濃度有顯著提升,當(dāng)初始葡萄糖濃度為40 g/L,菌體的終濃度最高,OD值為11.5左右,糖在12 h的發(fā)酵過程中也基本耗盡,當(dāng)初始糖濃度提高到50 g/L時(shí),菌體終濃度OD值在10以上,但發(fā)酵至穩(wěn)定期時(shí)殘?zhí)菨舛热源笥?0 g/L,說明50 g/L的初糖濃度并不能更好的促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)。因此后續(xù)試驗(yàn)中將培養(yǎng)基初始葡萄糖濃度調(diào)為40 g/L。
2.1.5 不同通氣方式對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響
大多數(shù)乳酸菌都為厭氧或兼性厭氧菌,在發(fā)酵過程中為菌體提供適宜的厭氧環(huán)境很可能會(huì)促進(jìn)菌體生長(zhǎng),因此本試驗(yàn)研究不同的通氣條件[a.持續(xù)通氮?dú)?.02 vvm不保壓,b.間歇通氮?dú)獠槐海? h,以0.2 vvm的速率通氮?dú)? min),c.氮?dú)獗海?.02 Mpa)]對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響,不通氣作對(duì)照,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。
圖5 不同的通氣方式對(duì)小試條件下菌體生長(zhǎng)的影響Fig.5 The effects of different ventilation conditions on the bacterial growth in the bench-scale test
結(jié)果表明不同的通氣條件對(duì)菌體的生長(zhǎng)確有影響,從圖5可看出,與不通氣相比,間歇通氮?dú)獾臈l件下,菌體的終濃度最高,OD值達(dá)到12以上,在持續(xù)通氮?dú)饣蛴玫獨(dú)獗旱臈l件下,菌體終濃度比不通氣時(shí)還低,說明充足的氮?dú)猸h(huán)境或有壓力的環(huán)境均不適合菌體的生長(zhǎng)。因此確定采用間歇通氮?dú)獠槐旱姆绞竭M(jìn)行發(fā)酵。
圖6 補(bǔ)料發(fā)酵模式對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響Fig.6 The effects of fed batch fermentation modes on the bacterial growth
本研究目的是確定補(bǔ)料發(fā)酵模式是否更適于菌體的高密度培養(yǎng),試驗(yàn)中補(bǔ)料采用的是一種低糖流加的方式,即在低初糖濃度的條件下開始發(fā)酵,在菌體進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí),通過間歇流加新鮮糖液使發(fā)酵液內(nèi)葡萄糖濃度維持在一個(gè)較低的水平,這種發(fā)酵方式既可以減少高濃度底物對(duì)菌體生長(zhǎng)產(chǎn)生的抑制效應(yīng),也可在發(fā)酵過程中對(duì)發(fā)酵液產(chǎn)生一定的稀釋效應(yīng)以減少某些代謝產(chǎn)物對(duì)菌體生長(zhǎng)的抑制作用。
試驗(yàn)方法見1.3,以不補(bǔ)料的前期優(yōu)化后的小試工藝作對(duì)照(前期優(yōu)化后的小試工藝為:將種子液以8%(V/V)的接種量接種于裝液量70%的小罐,初糖濃度40 g/L,攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min,間歇通氮?dú)饩S持一定的厭氧環(huán)境,自動(dòng)流加12.5%的氨水控制pH值恒定在5.8,37 ℃恒溫發(fā)酵),試驗(yàn)結(jié)果見圖6。
從圖6可看出,補(bǔ)料發(fā)酵的條件下,菌體的快速增殖期延長(zhǎng)至16 h,菌體最終濃度的OD值在12以上,這與無(wú)補(bǔ)料批式發(fā)酵12 h所達(dá)到的最終菌濃相當(dāng),說明低糖流加的補(bǔ)料發(fā)酵方式并不比批發(fā)酵方式更優(yōu),反而在工藝上更加復(fù)雜。因此采用簡(jiǎn)單易控的批發(fā)酵方式進(jìn)行菌體的高密度培養(yǎng)更為合適。
為實(shí)現(xiàn)菌體的規(guī)?;a(chǎn),經(jīng)過試驗(yàn)室小試研究后,采用30 L和250 L的發(fā)酵罐進(jìn)行逐級(jí)放大的中試發(fā)酵工藝研究。
初始發(fā)酵工藝參數(shù)參考小試,因30 L及250 L罐采用的是一檔6斜葉,兩檔6平葉的三檔攪拌漿,相比小罐的兩檔6平葉攪拌槳混勻效果更好,所以攪拌轉(zhuǎn)速降為60 r/min。
30 L罐發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果見圖7,從菌體的生長(zhǎng)情況及碳源的利用情況看與小試培養(yǎng)基本一致,菌體的終濃度也與小試相當(dāng),OD值12左右。說明由小試到30 L罐的放大過程是可行的。
250 L罐的種子液需由30 L罐發(fā)酵制備,種子液的制備過程主要分為控制pH值與不控制pH值兩種情況,因此分別用兩種方式得到的對(duì)數(shù)期中期(發(fā)酵7 h)的種子液接種250 L發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵,發(fā)酵控制工藝同30 L罐,結(jié)果見圖7、8。
圖7 30 L罐發(fā)酵過程曲線Fig.7 The fermentation progress curve of 30 L tank
圖8 不同種子液對(duì)250 L中試發(fā)酵的影響Fig.8 The effects of different seed solutions on 250 L pilot-scale fermentation
由圖7,8可看出,不控制pH的種子液在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)的菌體濃度要比控制pH的種子液低,同時(shí)因發(fā)酵液的pH值不同,菌體的生理狀態(tài)也不同,作為種子接入250 L發(fā)酵罐后的生長(zhǎng)情況也會(huì)有所不同。通過比較a、b兩圖,可看出控制pH的種子液轉(zhuǎn)接發(fā)酵后生長(zhǎng)速度相對(duì)較快,發(fā)酵10 h菌體已經(jīng)達(dá)最大濃度,OD值12左右,與小試培養(yǎng)的結(jié)果無(wú)差異,說明30 L到250 L的中試放大過程可行。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)菌中試放大工藝的優(yōu)化,最終250 L規(guī)模所得發(fā)酵液的活菌濃度約為3.8×109CFU/mL,經(jīng)真空冷凍干燥所得的菌粉活菌濃度約為7.4×1010CFU/g。最后確定250 L中試發(fā)酵工藝為:將控制pH 5.8,37 ℃恒溫發(fā)酵7 h左右的種子液以 8%接種量接種于裝液量為 70%的250 L發(fā)酵罐,攪拌轉(zhuǎn)速60 r/min,自動(dòng)流加氨水控制pH 5.8,間歇通氮?dú)獠槐海? h以0.2 vvm的速率通氮?dú)? min),37 ℃恒溫發(fā)酵10 h左右結(jié)束。
3.1 乳酸菌在培養(yǎng)過程中能分解培養(yǎng)基中的糖類而產(chǎn)生以乳酸為主的有機(jī)酸。由于代謝產(chǎn)物的積累會(huì)抑制菌體的生長(zhǎng),采用常規(guī)方法培養(yǎng)時(shí),其培養(yǎng)液中的活菌數(shù)只能達(dá)到107~108CFU/mL?,F(xiàn)有的乳酸菌高密度培養(yǎng)方法主要有緩沖鹽法、化學(xué)中和法和滲析法[5],可以使培養(yǎng)液中活菌數(shù)達(dá)到109CFU/mL;另外還有細(xì)胞循環(huán)培養(yǎng)法、透析培養(yǎng)法、補(bǔ)料分批培養(yǎng)法和微囊化培養(yǎng)法等[6],可使培養(yǎng)液中活菌數(shù)最高達(dá)到 1011CFU/mL。但是細(xì)胞循環(huán)培養(yǎng)存在膜容易污染,不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)操作等問題;透析培養(yǎng)法存在設(shè)備投資大,對(duì)操作技術(shù)要求高等問題。本實(shí)驗(yàn)綜合化學(xué)中和法和補(bǔ)料分批培養(yǎng)法等方法以菌體密度(OD600)及碳源(葡萄糖)的利用情況為主要參考指標(biāo),研究了中和劑、pH值、接種量、初始糖含量、通氣方式以及補(bǔ)料工藝等對(duì)菌體在7.5 L攪拌發(fā)酵罐內(nèi)生長(zhǎng)的影響,逐步優(yōu)化菌體的小試發(fā)酵工藝為:將種子液以8%(V/V)的接種量接種于裝液量 70%的小罐,初糖濃度40 g/L,攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min,間歇通氮?dú)饩S持一定的厭氧環(huán)境,自動(dòng)流加12.5%的氨水控制pH值恒定在5.8,37 ℃恒溫發(fā)酵。
3.2 經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)菌中試放大工藝的優(yōu)化,最終250 L規(guī)模所得發(fā)酵液的活菌濃度約為 8×109CFU/mL,經(jīng)真空冷凍干燥所得的菌粉活菌濃度約為 1.2×1011CFU/g。最后確定250 L中試發(fā)酵工藝為:將控制pH 5.8,37 ℃恒溫發(fā)酵7 h左右的種子液以8%接種量接種于裝液量為 70%的 250 L發(fā)酵罐,攪拌轉(zhuǎn)速 60 r/min,自動(dòng)流加氨水控制pH 5.8,間歇通氮?dú)獠槐海? h以0.2 vvm的速率通氮?dú)? min),37 ℃恒溫發(fā)酵10 h左右結(jié)束。
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