伍健萍, 王昌祿, 陳勉華, 王玉榮, 李風(fēng)娟
(天津科技大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)
紅曲霉液態(tài)發(fā)酵多糖工藝條件的優(yōu)化
伍健萍, 王昌祿, 陳勉華, 王玉榮, 李風(fēng)娟
(天津科技大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)
研究了紅曲霉產(chǎn)多糖的液態(tài)發(fā)酵條件,得出優(yōu)化后的培養(yǎng)基組成為:蔗糖45 g/L,酵母粉4.5 g/L,KH2PO4·3H2O 3.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.85 g/L.通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn),得到紅曲霉N產(chǎn)多糖的優(yōu)化發(fā)酵工藝條件為:種齡30 h,接種量7.5%,發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH 5.75,裝液量162.5 mL/1 000 mL三角瓶,發(fā)酵時(shí)間84 h.在此條件下,紅曲霉液態(tài)發(fā)酵的多糖質(zhì)量濃度達(dá)999.8 mg/L,比優(yōu)化前的684.2 mg/L提高46.1%.
紅曲霉;多糖;液態(tài)發(fā)酵;條件優(yōu)化
紅曲霉(Monascus sp.)是我國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品——紅曲的生產(chǎn)菌種.紅曲霉接種于米飯培養(yǎng)基經(jīng)發(fā)酵后的產(chǎn)物稱為紅曲,也稱為神曲或丹曲,在我國(guó)有上千年的應(yīng)用歷史,主要用作食品發(fā)酵劑、著色劑、防腐劑、增香劑及中藥配伍.
多糖是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物,通常是細(xì)胞表面信號(hào)識(shí)別、抗原抗體反應(yīng)、細(xì)胞間信息傳遞和感受的關(guān)鍵因子[1],具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗癌、抗氧化、抗病毒、降血糖、降血脂等藥理作用[2-10].紅曲霉能產(chǎn)Monacolin K、GABA等多種生物活性物質(zhì),Tian Jun等[11]于1998年發(fā)現(xiàn)了紅曲的另一種生物活性成分——紅曲多糖,對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究,結(jié)果表明,紅曲多糖具有抗腫瘤、提高免疫力等多種功效[12-14].目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于紅曲霉產(chǎn)多糖的研究較少,目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).針對(duì)紅曲多糖液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)量不高的現(xiàn)狀,本文利用已篩選的1株高產(chǎn)紅曲多糖菌種,對(duì)紅曲霉搖瓶發(fā)酵產(chǎn)多糖進(jìn)行了條件優(yōu)化研究,以期為紅曲多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ).
紅曲霉N(Monascus sp.N),由天津科技大學(xué)食品生物技術(shù)研究室保存.
葡萄糖、蔗糖、蛋白胨、酵母粉、瓊脂粉、NaNO3、MgSO4·7H2O、KH2PO4·3H2O、鉬 酸 銨、NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2SO4,均為分析純,天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;麥芽糖、木糖、糊精,均為分析純,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;濃硫酸(分析純),天津市化學(xué)試劑三廠;苯酚(分析純),天津市永大化學(xué)試劑有限公司;甘油(分析純),天津市化學(xué)試劑一廠.
T1000型電子天平,常熟雙杰測(cè)試儀器廠;LSB50L型立式壓力蒸氣滅菌鍋,上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司;VS-840-2型潔凈工作臺(tái),上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;HH.BII.600型電熱恒溫培養(yǎng)箱,天津試驗(yàn)儀器廠;MP-220型酸度計(jì),梅特勒托利多儀器公司;ZHWY-100C型恒溫培養(yǎng)振蕩器,上海保興生物設(shè)備工程有限公司;TDL-5-A型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;DK-S26型電熱恒溫水浴鍋,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;Aglient 8453型紫外可見分光光度計(jì),Aglient公司.
斜面培養(yǎng)基:麥芽汁(10°Bé),瓊脂 2%,pH 自然,121℃滅菌20 min,制備斜面.
種子培養(yǎng)基:葡萄糖7%,蛋白胨3%,NaNO30.2%,MgSO4·7H2O 0.1%,pH 自然,121 ℃ 滅菌 20 min.
發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基:蔗糖4%,蛋白胨0.4%,KH2PO4·3H2O 0.3%,MgSO4·7H2O 0.08%,pH 5.0,121 ℃滅菌20 min.
發(fā)酵培養(yǎng)基:在發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,分別添加40 g/L的葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、木糖、甘油和糊精為碳源,作為碳源種類篩選培養(yǎng)基;對(duì)優(yōu)化后的蔗糖為碳源,以質(zhì)量濃度 20,25,30,35,40,45,50,55,60 g/L的培養(yǎng)基作為碳源質(zhì)量濃度優(yōu)化培養(yǎng)基.在發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,分別添加4 g/L的NaNO3、NH4Cl、蛋白胨、酵母粉、NH4NO3和(NH4)2SO4為氮源,作為氮源種類篩選培養(yǎng)基;對(duì)優(yōu)化后的酵母粉為氮源,以質(zhì)量濃度 2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6 g/L 的培養(yǎng)基作為氮源優(yōu)化培養(yǎng)基.
孢子懸浮液的制備:在紅曲霉N試管斜面中加入15 mL無菌水,用無菌小勺輕刮長(zhǎng)滿菌絲體的培養(yǎng)基斜面,得到孢子懸浮液.
種子的培養(yǎng):取紅曲霉N孢子懸浮液10 mL,接種到種子培養(yǎng)基中,1 000 mL三角瓶中裝200 mL種子培養(yǎng)基,在32℃往復(fù)式搖床中130 r/min培養(yǎng)24 h.
發(fā)酵條件優(yōu)化:按體積分?jǐn)?shù)為8%接種量,將紅曲霉N種子液接入到發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中(1 000 mL瓶中裝200 mL發(fā)酵培養(yǎng)基),180 r/min,33℃培養(yǎng)84 h.測(cè)定不同培養(yǎng)基組成及不同發(fā)酵條件下紅曲多糖的產(chǎn)量.
1)不同碳源發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化:在發(fā)酵基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,分別添加40 g/L的葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、木糖、甘油和糊精,考察碳源對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
2)不同蔗糖濃度發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化:在前期優(yōu)化的培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,分別添加 20,25,30,35,40,45,50,55,60 g/L質(zhì)量濃度的蔗糖,考察碳源質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
3)不同氮源發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化:在前期優(yōu)化的培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,分別添加4 g/L的NaNO3、NH4Cl、蛋白胨、酵母粉、NH4NO3和(NH4)2SO4,考察氮源對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
4)不同酵母粉濃度發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化:在前期優(yōu)化的培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,分別添加 2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6 g/L質(zhì)量濃度的酵母粉,考察氮源質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
5)不同碳氮摩爾比的優(yōu)化:培養(yǎng)基中蔗糖質(zhì)量濃度為45 g/L,含碳濃度為1.578 9 mol/L;酵母粉(ω(N)=9.0%)為4.5 g/L,含氮濃度為0.0289 mol/L,則每升培養(yǎng)基中n(C)∶n(N)為54.6∶1.在前期優(yōu)化的培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,分別選取 34.7∶1,43.7∶1,54.6∶1,68.3∶1,85.8∶1的碳氮摩爾比,考察碳氮摩爾比對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
6)不同礦質(zhì)元素的優(yōu)化:在前期優(yōu)化的培養(yǎng)基基礎(chǔ)上,KH2PO4·3H2O的質(zhì)量濃度分別選用1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 g/L,MgSO4·7H2O的質(zhì)量濃度分別選用 0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0.85,0.90,0,95,1.00 g/L,考察礦質(zhì)元素對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響.
采用苯酚-濃硫酸分光光度法[15-17].吸取0.1 mg/mL 的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液 0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 mL,分別置于 25 mL 比色管中,補(bǔ)蒸餾水至2.0 mL,各加入6%苯酚溶液1.0 mL,搖勻后加入濃硫酸5 mL,立即搖勻,置沸水浴中煮沸15 min,冷卻,以試劑空白溶液為參比,1 cm比色皿,用分光光度計(jì)在490 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光值.以O(shè)D490為橫坐標(biāo)、葡萄糖濃度為縱坐標(biāo)繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,線性回歸求得總糖的曲線方程.將待測(cè)液的OD490對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線方程,計(jì)算紅曲霉發(fā)酵液的多糖含量.
紅曲霉發(fā)酵液中總糖濃度的測(cè)定:苯酚-濃硫酸分光光度法.
紅曲霉發(fā)酵液中殘余蔗糖的測(cè)定:鉬藍(lán)光度法[18].
具體測(cè)定過程:每12 h從搖床中取出一瓶紅曲霉N發(fā)酵液,取10 mL發(fā)酵液進(jìn)行抽濾.濾液加蒸餾水定容至10 mL,轉(zhuǎn)至容積為50 mL的離心管,加
4倍體積95%的工業(yè)酒精,搖勻后放冰箱中靜置12 h.4 000 r/min離心10 min,棄上清液后加10 mL蒸餾水溶解沉淀,加0.2 g活性炭,搖勻后靜置6 h去色素.4 000 r/min離心10 min,棄活性炭后得上清液,取0.1~0.5 mL上清液于比色管中(使最終稀釋液吸光值落在0.1~0.9),以蒸餾水定容至2 mL,加入1 mL 6%的苯酚溶液搖勻后延管壁緩慢注入濃硫酸5 mL,立即搖勻,置于沸水浴中保溫15 min,冷卻至室溫后于490 nm測(cè)OD值,以標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總糖含量.樣品中總糖含量計(jì)算公式為:
式(1)中:X1為發(fā)酵液中總糖含量,單位為mg/L;A1為苯酚-硫酸法測(cè)樣品所得OD值;V1為吸取去色素后的上清液的體積,單位為mL.
鉬藍(lán)光度法所測(cè)殘余蔗糖濃度為X0.
紅曲霉發(fā)酵液中積累多糖的濃度計(jì)算公式為:
紅曲霉液態(tài)發(fā)酵菌體量的測(cè)定:將測(cè)多糖時(shí)剩余的發(fā)酵液抽濾,得菌體,合并測(cè)多糖時(shí)抽濾所得菌體,置60℃恒溫烘箱里直至重量不再變化,稱重.
回歸得到測(cè)總糖的曲線方程(見圖1)為:y=0.0856x+0.0013,R2=0.999 2.說明方程在糖質(zhì)量濃度為0.01~0.07 g/mL之間的線性關(guān)系良好,可根據(jù)該公式計(jì)算得到紅曲霉N發(fā)酵液中的總糖含量.
圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose solution
紅曲霉能夠利用單糖、雙糖、多糖等多種碳源進(jìn)行生長(zhǎng)代謝.按1.4(1)方法,考察不同碳源對(duì)總糖及紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響,考慮到不同碳源定量測(cè)定的復(fù)雜性,以總糖量作為碳源篩選的指標(biāo),結(jié)果見圖2.
圖2 碳源對(duì)紅曲霉N總糖產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of carbon sources on total sugar yield of Monascus sp.N
由圖2可知,以蔗糖為碳源時(shí),紅曲霉N的總糖產(chǎn)量最高,達(dá)830.6 mg/L,同時(shí)蔗糖來源廣泛,且價(jià)格便宜,可作為較理想的生產(chǎn)用碳源.以下實(shí)驗(yàn)選用蔗糖為分批發(fā)酵時(shí)的最佳碳源.
碳源質(zhì)量濃度對(duì)產(chǎn)物的產(chǎn)量也有較大的影響.按1.4(2)方法,考察蔗糖不同質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響,分批發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3.
圖3 蔗糖的質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of the concentration of sucrose on polysaccharide yield of Monascus sp.N
由圖3可知,蔗糖質(zhì)量濃度的不同對(duì)紅曲多糖產(chǎn)量有較大影響,蔗糖質(zhì)量濃度低于45 g/L時(shí),紅曲多糖產(chǎn)量隨蔗糖質(zhì)量濃度的增加而增加,最高可達(dá)718.4 mg/L,而蔗糖質(zhì)量濃度高于45 g/L時(shí),不利于紅曲多糖的生產(chǎn).以下實(shí)驗(yàn)選用45 g/L的蔗糖為分批發(fā)酵時(shí)的較佳碳源質(zhì)量濃度.
氮源是影響紅曲霉生長(zhǎng)代謝的一個(gè)重要因素,按1.4(3)方法,考察不同氮源對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響,結(jié)果見圖4.
圖4 氮源對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of nitrogen sources on polysaccharide yield of Monascus sp.N
由圖4可知,在上述6種氮源中,酵母粉利于紅曲多糖的產(chǎn)生.因?yàn)楹线m的氮源濃度既可保證菌體的生長(zhǎng)代謝,又可避免菌體量過大或過小從而影響多糖的合成,因此有必要考察不同氮源質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響,按1.4(4)方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.
圖5 酵母粉的質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of concentration of yeast extract powder on polysaccharide yield of Monascus sp.N
由圖5可知,隨酵母粉質(zhì)量濃度的增加,紅曲多糖產(chǎn)量逐步上升,當(dāng)酵母粉質(zhì)量濃度為4.5 g/L時(shí),紅曲多糖產(chǎn)量達(dá)最高為793.6 mg/L.當(dāng)酵母粉濃度繼續(xù)增高,利于菌體的生長(zhǎng)但多糖產(chǎn)量卻下降.以下實(shí)驗(yàn)選用4.5 g/L的酵母粉為分批發(fā)酵時(shí)的較佳氮源質(zhì)量濃度.
碳氮摩爾比對(duì)微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成常有很大的影響,碳氮摩爾比不當(dāng)會(huì)妨礙菌絲對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收.碳氮摩爾比偏小,會(huì)導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)旺盛,造成菌體提前衰老自溶;碳氮摩爾比偏大,菌體則會(huì)生長(zhǎng)緩慢,產(chǎn)率下降.不同的真菌對(duì)碳源和氮源的要求不同,本實(shí)驗(yàn)在原有碳氮摩爾比基礎(chǔ)上研究碳氮的摩爾比對(duì)紅曲多糖發(fā)酵的影響.
按1.4(5)方法,考察不同碳氮摩爾比對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響,結(jié)果見表1.
表1 碳氮摩爾比對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Tab.1 Effects of ratio of n(C)∶n(N)on polysaccharide yield of Monascus sp.N
由表1 可知,n(C)∶n(N)為 54.6∶1時(shí),紅曲多糖的產(chǎn)量最高達(dá)793.5 mg/L.以下實(shí)驗(yàn)選用54.6∶1為分批發(fā)酵時(shí)的較佳碳氮物質(zhì)的量比.
菌體在生長(zhǎng)代謝時(shí)需一定量的礦質(zhì)元素,其中P、S、K、Mg 4種礦質(zhì)元素必須通過外界添加才可達(dá)到菌體生長(zhǎng)所需濃度.對(duì)于這幾種元素來源,首選KH2PO4·3H2O 和 MgSO4·7H2O,它們可以同時(shí)提供這4種元素.因此,有必要通過實(shí)驗(yàn)確定KH2PO4·3H2O和MgSO4·7H2O的最宜添加量,按1.4(6)方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7.
圖6 KH2PO4·3H2O的質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of concentration of KH2PO4·3H2O on polysaccharide yield of Monascus sp.N
由圖6可知,當(dāng)KH2PO4·3H2O為3.5 g/L時(shí),紅曲多糖產(chǎn)量達(dá)到最高,為 815.4mg/L.MgSO4·7H2O的優(yōu)化選用3.5 g/L為分批發(fā)酵時(shí)KH2PO4·3H2O的較佳質(zhì)量濃度.
由圖7可知,當(dāng)MgSO4·7H2O為0.85 g/L時(shí),紅曲多糖產(chǎn)量達(dá)到最高為829.6 mg/L.以下實(shí)驗(yàn)選用0.85 g/L為分批發(fā)酵時(shí)MgSO4·7H2O的較佳質(zhì)量濃度.
圖7 MgSO4·7H2O的質(zhì)量濃度對(duì)紅曲霉N多糖產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of concentration of MgSO4·7H2O on polysaccharide yield of Monascus sp.N
采用正交試驗(yàn)方法.以上述優(yōu)化的培養(yǎng)基成分為基礎(chǔ),進(jìn)行了發(fā)酵工藝條件的單因素實(shí)驗(yàn),基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以種齡、接種量、培養(yǎng)基初始pH和裝液量進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì).
正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表2.
表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.2 Factors and levels of orthogonal design
正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表3.
由表3可知,較優(yōu)水平為5號(hào)組合,即A2B2C3D1;按照極差R的大小確定各因素的主次順序,為A>C>B>D,即種齡>培養(yǎng)基初始pH>接種量>裝液量,種齡對(duì)紅曲多糖的產(chǎn)量影響最大,然后是培養(yǎng)基初始pH,其次是接種量,最后是裝液量;根據(jù)k值分析得出的較佳組合為A2B2C3D3,未出現(xiàn)在9組試驗(yàn)中.經(jīng)驗(yàn)證,A2B2C3D1組合更優(yōu)于 A2B2C3D3組合.因此紅曲霉N液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)多糖的優(yōu)選工藝條件為:種齡30 h,接種量7.5%,發(fā)酵培養(yǎng)基初始 pH 5.75,1 000 mL三角瓶裝液量162.5 mL,發(fā)酵時(shí)間84 h.在此條件下,紅曲霉N搖瓶液態(tài)發(fā)酵的多糖質(zhì)量濃度達(dá)999.8 mg/L,比優(yōu)化前的684.2 mg/L高46.1%.
表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Experiment arranged by orthogonal design and results
根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出紅曲霉N優(yōu)化后的發(fā)酵培養(yǎng)基為:蔗糖 45 g/L、酵母粉 4.5 g/L、KH2PO4·3H2O 3.5 g/L、MgSO4·7H2O 0.85 g/L.優(yōu)化后的發(fā)酵工藝條件為:種齡30 h,接種量7.5%,發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH 5.75,1 000 mL三角瓶裝液量162.5 mL,發(fā)酵時(shí)間84 h.在此條件下,紅曲霉搖瓶液態(tài)發(fā)酵的多糖質(zhì)量濃度達(dá)999.8 mg/L,比優(yōu)化前的 684.2 mg/L高46.1%.
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(責(zé)任編輯:檀彩蓮)
Optimization of Liquid Fermentation Conditions of Polysaccharide by Monascus sp.
WU Jian-ping, WANG Chang-lu, CHEN Mian-hua, WANG Yu-rong, LI Feng-juan
(Key Laboratory of Food Nutrition and Safety,Ministry of Education/College of Food and Biology Engineering,Tianjin University of Science& Technology,Tianjin 300457,China)
The liquid state fermentation conditions of polysaccharide by Monascus sp.were investigated.The optimized culture medium was as follows,sucrose 45 g/L,yeast extract powder 4.5 g/L,KH2PO4·3H2O 3.5 g/L,MgSO4·7H2O 0.85 g/L.The fermentation conditions were optimized by single factor experiment and orthogonal test.The optimal fermentation conditions were as follows,seed culture age of 30 h,inoculation volume of 7.5%,initial pH of 5.75,liquid medium volume of 162.5 mL in 1 000 mL conical flask,and the fermentation lasted for 84 h.The highest yield of polysaccharide could be up to 999.8 mg/L,which was 46.1%higher than that of original yield of 684.2 mg/L.
Monascus sp.;polysaccharide;liquid state fermentation;conditional optimization
TS201.2;Q815
A
1671-1513(2012)06-0057-06
2012-02-27
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31171729).
伍健萍,男,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù);
王昌祿,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事食品生物技術(shù)方面的研究.通訊作者.