孫蕊 蘇丹 張文浩 呂國(guó)忠
摘要 [目的]優(yōu)化地生彎頸霉C41-3產(chǎn)低溫脂肪酶發(fā)酵條件,為擴(kuò)大低溫脂肪酶的應(yīng)用提供理論依據(jù)。[方法]使用棕櫚酸對(duì)硝基苯酯(p-NPP)比色法測(cè)定脂肪酶的活性。[結(jié)果]最佳發(fā)酵培養(yǎng)基為胰蛋白胨40 g/L、α-乳糖20 g/L、MnSO·HO 1 g/L、NHNO 1 g/L、乳化芥花油20 mL;最佳發(fā)酵條件為pH 5、發(fā)酵溫度15 ℃、培養(yǎng)時(shí)間4 d。優(yōu)化后,地生彎頸霉C41-3的脂肪酶活性從199.40 U/mL增加至5 700.72 U/mL,脂肪酶活性增加了約27.6倍。[結(jié)論]該新型脂肪酶具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 低溫脂肪酶;地生彎頸霉C41-3;發(fā)酵條件優(yōu)化
中圖分類(lèi)號(hào) Q949.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
文章編號(hào) 0517-6611(2024)02-0001-04
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.001
開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
Optimization of Fermentation Condition of Cold-activer Lipase Producing by Tolypocladium geodes C41-3
SUN Rui,SU Dan,ZHANG Wen-hao et al
(College of Life Science and Engineering,Shenyang University,Shenyang,Liaoning 110044)
Abstract [Objective]To optimize the fermentation conditions for low-activer lipase production by Tolypocladium geodes C41-3 and provide theoretical basis for expanding the application of low-activer lipase.[Method]The lipase activity was measured by the p-nitrophenyl palmitate (p-NPP) colorimetric method.[Result]Best fermentation medium was tryptone 40 g/L,α-lactose 20 g/L,MnSO·HO 1 g/L,NHNO 1 g/L,emulsion canola oil 20 mL.Best fermentation condition was pH 5,fermentation temperature of 15 ℃,culture time of 4 days.After optimization,the lipase activity of T.geodes C41-3 could be increased from 199.40 U/mL to 5 700.72 U/mL,and the lipase activity increased by about 28.5 times, [Conclusion]The novel lipase has potential industrial applications value.
Key words Cold-active lipase;Tolypocladium geodes C41-3;Optimization of fermentation conditions
基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31770025);遼寧省教育廳青年育苗項(xiàng)目(2020JYT02);遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(2019-ZD-0549);大連民族大學(xué)生物技術(shù)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KF2021002)。
作者簡(jiǎn)介 孫蕊(1995—),女,甘肅慶陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向:微生物。*通信作者,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,從事微生物資源與利用研究。
收稿日期 2022-10-04
脂肪酶是僅次于淀粉酶和蛋白酶的第三大類(lèi)工業(yè)酶,它可以分別在脂質(zhì)-水界面和非水溶性底物界面催化脂質(zhì)水解和酯的合成。脂肪酶可以逐步將甘油三酯水解成脂肪酸和甘油,這些脂肪酶廣泛存在于各種植物、動(dòng)物和微生物組織中。與動(dòng)物、植物脂肪酶相比,微生物脂肪酶具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。微生物脂肪酶的酶學(xué)特性和底物特異性普遍多樣,在未來(lái)洗滌劑、化妝品等商業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展中具有很大的吸引力。
大多數(shù)低溫脂肪酶來(lái)自低溫微生物。低溫脂肪酶的最佳活性一般在30~40 ℃,在0~20 ℃仍具有較高的酶活性。低溫脂肪酶具有生產(chǎn)成本低、品種多、有機(jī)溶劑穩(wěn)定性好、作用特異性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此,低溫脂肪酶比在高溫下工作的酶具有更經(jīng)濟(jì)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)。它們?cè)诟鞣N工業(yè)應(yīng)用如皮革加工、醫(yī)藥制劑、精細(xì)化學(xué)合成、洗滌劑添加劑、食品加工、環(huán)境生物修復(fù)、生物轉(zhuǎn)化、化妝品制備和異源宿主中的基因表達(dá)等方面具有真正的酶潛力。低溫脂肪酶通常存在于5 ℃以下存活的耐冷和嗜冷微生物中。低溫微生物大多來(lái)自北極和南極冰川以及其他寒冷地區(qū),它們?cè)冢?±2)℃處表現(xiàn)出持續(xù)的寒冷棲息地。冷活性微生物可在0~5 ℃的溫度下生長(zhǎng)和繁殖,最適生長(zhǎng)溫度為25 ℃或以下,最高生長(zhǎng)溫度約為30 ℃。
地生彎頸霉C41-3是從我國(guó)長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)的苔原帶采集的土壤中分離得到的。地生彎頸霉(Tolypocladium geodes)是具有高海拔分布特征的耐冷真菌。地生彎頸霉屬于子囊菌門(mén)(Ascomycota)、糞殼菌綱(Sordariomycetes)、肉座菌目(Hypocreales)、線蟲(chóng)草科(Ophiocordycipitaceae)、彎頸霉屬(Tolypocladium)。彎頸霉屬是由Gams在1971年建立的新屬,國(guó)際真菌名錄數(shù)據(jù)庫(kù)里截至目前記載的彎頸霉屬有43個(gè)種。彎頸霉屬真菌是一類(lèi)非常重要的蟲(chóng)生真菌,其次級(jí)代謝產(chǎn)物也相當(dāng)豐富,主要有環(huán)孢菌素(cyclosporine)、大團(tuán)囊素(ophiocordin)、線肽素(efrapeptin)、四聚胺酸素(ophiosetin)等,這些代謝產(chǎn)物都具有抗菌殺蟲(chóng)、抗氧化的作用。環(huán)孢菌素作為新型免疫抑制劑,在器官移植術(shù)后抗排斥反應(yīng)、自身免疫性疾病、預(yù)防農(nóng)作物病蟲(chóng)害、皮膚病、眼病以及牙槽炎癥等臨床上的應(yīng)用逐漸普及。截至目前,國(guó)際上不僅只對(duì)彎頸霉屬真菌次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行報(bào)道,也對(duì)彎頸霉產(chǎn)生的胞外酶進(jìn)行研究。 研究表明雪白彎頸霉(Tolypocladium inflatum)、株孢彎頸霉(Tolypocladium cylindrosporum)都是生產(chǎn)脂肪酶的高產(chǎn)菌株,同時(shí)兩者還能產(chǎn)出幾丁質(zhì)酶。但鮮見(jiàn)地生彎頸霉生產(chǎn)脂肪酶的相關(guān)報(bào)道。
脂肪酶的高產(chǎn)率對(duì)于低溫脂肪酶的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。脂肪酶的產(chǎn)生會(huì)受到幾個(gè)因素的影響,包括培養(yǎng)時(shí)間、溫度、pH、培養(yǎng)基成分和誘導(dǎo)物的存在,這些因素會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)和脂肪酶的產(chǎn)生。因此該試驗(yàn)通過(guò)對(duì)地生彎頸霉生產(chǎn)低溫脂肪酶的影響因素進(jìn)行優(yōu)化,為今后更好地利用地生彎頸霉生產(chǎn)低溫脂肪酶奠定了基礎(chǔ),也更加證明了彎頸霉屬真菌在臨床和工業(yè)生產(chǎn)方面都有重大的應(yīng)用前景。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 試驗(yàn)菌株來(lái)源。菌株C41-3是從我國(guó)長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)的苔原帶采集的土壤中分離得到的。
1.1.2 培養(yǎng)基。PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g/L、葡萄糖20 g/L、瓊脂20 g/L,水1 000 mL,pH自然。種子培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g/L,葡萄糖20 g/L,水1 000 mL,pH自然。脂肪酶篩選培養(yǎng)基(甘油三丁酸酯培養(yǎng)基):甘油三丁酸酯乳化液10 mL/L,蛋白胨10 g/L,NaCl 0.5 g/L,MgSO·HO 0.5 g/L,瓊脂18 g/L,pH 自然。初始發(fā)酵培養(yǎng)基:動(dòng)物蛋白胨40 g/L,蔗糖20 g/L,橄欖油乳化液20 mL/L, MgSO·7HO 1 g/L,KHPO 1 g/L,pH自然。所有培養(yǎng)基在使用前必須在121 ℃下滅菌30 min。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 產(chǎn)脂肪酶菌株的篩選。將保藏在-20 ℃的供試菌株挑取少量菌絲,接種在PDA培養(yǎng)基平板上并置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d。將甘油三丁酸酯培養(yǎng)基配制好后,于121 ℃下滅菌。然后,將培養(yǎng)基倒入90 mm培養(yǎng)皿中,冷卻后,用無(wú)菌打孔器從活化菌株的平板中取直徑約為7 mm的菌塊,用無(wú)菌的鑷子挑取菌塊倒扣于甘油三丁酸酯培養(yǎng)基上。共進(jìn)行3次平行試驗(yàn),培養(yǎng)10~15 d后,觀察菌落周?chē)星逦膮^(qū)域表明脂肪酶的產(chǎn)生。
1.2.2 菌株鑒定。將低溫脂肪酶產(chǎn)生菌株C41-3在 PDA 培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng),獲取菌絲體采用CTAB法提取真菌基因組 DNA,使用通用引物 ITS1 /ITS4 進(jìn)行 rDNA-ITS 區(qū)段擴(kuò)增。 PCR反應(yīng)體系為50 μL,包括10×Buffer 5.0 μL,dNTP 4.0 μL,Taq DNA酶 0.5 μL,ITS 1.0 μL,ITS4 1.0 μL,DNA樣品2.0 μL,超純水36.5 μL。擴(kuò)增條件:94 ℃ 預(yù)變性 10 min;94 ℃ 變性 30 s,54 ℃退火 30 s,72 ℃延伸 30 s,35 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸 10 min。PCR 產(chǎn)物用 1.5% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),擴(kuò)增序列送至上海生工生物工程有限公司進(jìn)行測(cè)序。將菌株C41-3的 rDNA-ITS 序列與GenBank 中相關(guān)序列進(jìn)行相似度比較,并用MEGA 6.0軟件基于鄰接法( neighbor-joining)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
1.2.3 脂肪酶生產(chǎn)。將配制好的種子培養(yǎng)基分裝于若干個(gè)250 mL的錐形瓶中,每個(gè)錐形瓶裝種子培養(yǎng)基100 mL,121 ℃滅菌30 min,然后冷卻。將3個(gè)7 mm直徑的菌塊放入含有100 mL種子培養(yǎng)基的錐形瓶中,并放于搖床培養(yǎng)。溫度為25 ℃,轉(zhuǎn)速150 r/min,培養(yǎng)4 d后獲得發(fā)酵種子液。
取配制好的30%的初始發(fā)酵培養(yǎng)基加至250 mL錐形瓶中,121 ℃滅菌30 min,冷卻到室溫;在10%的接種量下,將7.5 mL發(fā)酵種子液體加入含有產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基的錐形瓶中。發(fā)酵溫度為25 ℃,pH自然,轉(zhuǎn)速150 r/min,發(fā)酵培養(yǎng)4 d。取出發(fā)酵液,用高速冷凍離心機(jī)在4 ℃下以10 000 r/min離心發(fā)酵液10 min,收集上清液獲得粗酶液。
1.2.4 脂肪酶活性測(cè)定。根據(jù)Alami等的研究,用棕櫚酸對(duì)硝基苯酯(p-nitrophenyl palmitate,p-NPP)作為底物,測(cè)定其低溫脂肪酶活性。溶液A:0.015 g p-NPP溶于5 mL異丙醇中; 溶液B:在45 mL的0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液(pH 8.0)中加入0.05 g阿拉伯樹(shù)膠和0.2 mL Triton X-100。使用p-NPP為底物,將5 mL溶液A與45 mL溶液B均勻混合,將一種酶樣品分成4個(gè)試管,每個(gè)試管加入1.8 mL的混合液,并在37 ℃預(yù)熱5 min。其中3個(gè)試管加入200 μL酶樣品溶液,另外1個(gè)試管加入200 μL經(jīng)煮沸變性(100 ℃,10 min)的酶樣品溶液作為對(duì)照,混合均勻。試管在37 ℃水浴反應(yīng)15 min,取出后于波長(zhǎng)410 nm的分光光度計(jì)下測(cè)定吸光度。脂肪酶活性單位定義為在測(cè)量條件下釋放1.0 μmol/min對(duì)硝基苯酚( p-NP)所需的酶量。
1.2.5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)脂肪酶生產(chǎn)的影響。優(yōu)化脂肪酶生產(chǎn)中的培養(yǎng)時(shí)間并確定最高脂肪酶活性的最佳時(shí)間。將發(fā)酵的種子液接種到初始發(fā)酵培養(yǎng)基中,并在25 ℃和150 r/min的搖床中發(fā)酵。從發(fā)酵的第2天開(kāi)始,每天采取發(fā)酵液并測(cè)定脂肪酶活性以確定最佳的發(fā)酵時(shí)間。
1.2.6 培養(yǎng)基成分對(duì)脂肪酶生產(chǎn)的影響。改變發(fā)酵培養(yǎng)基的組成成分,在不同的培養(yǎng)條件下進(jìn)行脂肪酶的優(yōu)化生產(chǎn)。培養(yǎng)基成分優(yōu)化試驗(yàn),在初始發(fā)酵培養(yǎng)基中加入等量的葡萄糖、蔗糖、D-果糖、可溶性淀粉、糊精、α-乳糖和D(+)-麥芽糖進(jìn)行發(fā)酵,然后測(cè)定酶活性,確定最佳的碳源。根據(jù)確定的最佳碳源,向發(fā)酵培養(yǎng)基中加入等量的有機(jī)氮源(動(dòng)物蛋白胨、酵母浸粉、牛肉膏、胰蛋白胨、大豆蛋白胨)和無(wú)機(jī)氮源[(NH)SO、NHCl、NHNO和尿素]。然后將等量的Fe、Cu、Zn、Ca、Mg、Mn的硫酸鹽以及無(wú)任何金屬離子加入最佳碳源和氮源的發(fā)酵培養(yǎng)基中;最后向最佳碳源、氮源和金屬離子的發(fā)酵培養(yǎng)基中加入20 mL的大豆油、芝麻油、橄欖油、芥花油、花生油的乳化液,發(fā)酵培養(yǎng)后測(cè)定酶活以確定最佳的油脂。
1.2.7 發(fā)酵溫度對(duì)脂肪酶生產(chǎn)的影響。研究培養(yǎng)基發(fā)酵溫度與脂肪酶產(chǎn)量的關(guān)系。根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳組分和初始pH,為脂肪酶生產(chǎn)設(shè)置了6個(gè)發(fā)酵溫度梯度,分別為5、10、15、20、25、30 ℃。
1.2.8 初始pH對(duì)脂肪酶生產(chǎn)的影響。研究培養(yǎng)基的初始pH與脂肪酶產(chǎn)量之間的關(guān)系。根據(jù)最佳發(fā)酵培養(yǎng)基成分,為脂肪酶生產(chǎn)培養(yǎng)基設(shè)置了7個(gè)pH梯度,分別為4、5、6、7、8、9、10。
2 結(jié)果與分析
2.1 菌株C41-3的鑒定 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖1)顯示,菌株C41-3與地生彎頸霉的序列具有極高相似性,與地生彎頸霉的相似度為100%。因此,菌株C41-3可鑒定為地生彎頸霉的一員。
2.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)脂肪酶活性的影響 從圖2可以看出,隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,脂肪酶活性也會(huì)增加,在第4天觀察到活性最高(199.40 U/mL)。
2.3 碳源對(duì)脂肪酶活性的影響 碳源是提供能量和維持細(xì)胞正常生活活動(dòng)和代謝的重要因素之一。從圖3可以看出,當(dāng)以葡萄糖、α-乳糖作為脂肪酶發(fā)酵培養(yǎng)基的碳源時(shí),脂肪酶活性相對(duì)較高,而α-乳糖作為碳源時(shí)的脂肪酶活性最高(1 268.66 U/mL)。
2.4 氮源對(duì)脂肪酶活性的影響 氮源是微生物生長(zhǎng)和酶生產(chǎn)的基本物質(zhì),也是助于微生物細(xì)胞代謝和原生質(zhì)組成的關(guān)鍵。從圖4可以看出,當(dāng)在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加有機(jī)氮源作為氮源時(shí),使用胰蛋白胨作為氮源可以提高脂肪酶活性(1 860.25 U/mL)。當(dāng)以無(wú)機(jī)氮源作為氮源時(shí),以(NH)SO、NHCl、NHNO作為氮源,地生彎頸霉C41-3的脂肪酶活性均相對(duì)較高,其中,NHNO作為氮源脂肪酶活性最高(5 052.35 U/mL)。
2.5 金屬離子對(duì)脂肪酶活性的影響 向脂肪酶培養(yǎng)基中添加0.1%不同的金屬離子,以不添加金屬離子作為對(duì)照,比較不同金屬離子對(duì)脂肪酶活性的影響。結(jié)果如圖5所示,與對(duì)照組相比,Ca、Cu、Mn和Fe對(duì)脂肪酶的生成具有顯著的催化作用,Mn對(duì)脂肪酶活性的影響最大,達(dá)到5 455.05 U/mL。
2.6 誘導(dǎo)劑對(duì)脂肪酶活性的影響 從圖6可以看出,地生彎頸霉C41-3在使用的所有油脂中都能使脂肪酶活性升高。使用芥花油作為油脂誘導(dǎo)劑時(shí),脂肪酶活性最高,達(dá)到4 839.33 U/mL。
2.7 發(fā)酵溫度對(duì)脂肪酶活性的影響 從圖7可以看出,地生彎頸霉C41-3發(fā)酵4 d,在發(fā)酵溫度為15、20和25 ℃時(shí),脂肪酶活性均較高,15 ℃時(shí)脂肪酶活性最高(4 648.09 U/mL)。
2.8 初始pH對(duì)脂肪酶活性的影響 從圖8可以看出,地生彎頸霉C41-3在所有pH下均能促進(jìn)脂肪酶活性升高。其中,脂肪酶活性在pH為5時(shí)最高(5 700.72 U/mL),在pH為6~10時(shí)脂肪酶活性降低,但仍保持較高的脂肪酶活性。
3 結(jié)論
該研究對(duì)地生彎頸霉C41-3產(chǎn)脂肪酶的試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。最佳發(fā)酵培養(yǎng)基和條件:胰蛋白胨40 g/L、乳糖20 g/L、MnSO·HO 1 g/L、NHNO 1 g/L、乳化芥花油20 mL,初始pH 5,發(fā)酵溫度15 ℃,發(fā)酵時(shí)間4 d。該培養(yǎng)基將脂肪酶活性從199.40 U/mL提高至5 700.72 U/mL,脂肪酶活性提高了約27.6倍。與2 171 U/mL的黑曲霉脂肪酶活性相比,地生彎頸霉C41-3的脂肪酶活性提高了3 529.72 U/mL;與念珠菌W 3.8脂肪酶活性(2357.3U/mL)相比,地生彎頸霉C41-3的脂肪酶活性提高了3 343.42 U/mL。因此,地生彎頸霉C41-3具有巨大的工業(yè)潛力,可以為生產(chǎn)冷活性脂肪酶提供新的真菌來(lái)源。
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