第3O卷第5期 食品与生物技术学报 V0L 3O NO.5 2011年9月 Journal of Food Science and Bi0technol0gy Sept 2011 文章编号:1673—1689(2011)05—0773—06 竹黄菌液态发酵产漆酶培养条件的优化 胡艳 , 蔡宇杰¨ , 廖祥儒 , 马文寅 , 李枝玲。, 张大兵。 (1.江南大学工业生物技术教育部重点实验室,江苏无锡214122;2. 江南大学生物工程学院,江 苏无锡214122;3.江苏汉邦科技有限公司,江苏淮安223001) 摘 要:分离筛选到一株产漆酶的竹黄菌,采用单因子相互比较法,研究了该菌株的最适发酵产酶 条件。确定了最适的碳源为2 g/dL可溶性淀粉、最适的氮源为0.8 g/dL的酵母膏,以及最适铜离 子浓度为2.4 mmol/L,在自然PH 5.0,装液量为50 mL,30℃、200 r/min摇瓶振荡培养64 h下, 产漆酶酶活水平达120 000 U/L,比优化前提高近17倍。该竹黄菌株与已报道的白腐真菌相比, 具有发酵周期短且产漆酶酶活较高的优点。 关键词:竹黄菌;漆酶;发酵 中图分类号:Q 55 文献标识码:A Optimization of Shiraia bambusicola Liquid—State Fermentation fOr Laccase Production HU Yan ,CAI Yu-jie 。LIAO Xiang—ru ~. MA Wen—yin .LI Zhi—ling。. ZHANG Da—bing。 (1.Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China: 2.School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;3.Hanbon Science and Technology Co. Ltd。Huaian 223001。China) Abstract:A new laccase producing strain,Shiraia bambusicola,was isolated from the naturaI screening.In this study,the optimum nutrition and environmental conditions were investigated and listed as follows:f soluble starch 2 ,yeast extract 0.8%,and copper ion 2.4 mmol/L。pH 5.0,liquid volume 50/250 mL,30℃,200 r/min.With the optimum conditions,the activitv of laccase was achieved at 120 000 U/L after 64 h,was higher 17 times than that of the contro1. Compared with the reported white—rot,Shiraia bambusicola has the advantages of short fermentation period and higher laccase activity. Key WOrds:Shiraia bambusicola,laccase,fermentation 漆酶(Laccase,EC 1.10.3.2)是一种含铜的多 酚氧化酶Ⅲ,该酶最早是在漆树的汁液中发现的, 收稿日期:2010-11-30 基金项目:江苏省科技创新与成果转化(重大科技支撑与自主创新)专项引导资金项 目(BY2010117);科技部科技 人员服务企业项目(2009GJ10038);国家自然科学基金项目(21045007)。 *通信作者:蔡宇杰(1973一),男,江苏无锡人,工学博士,副教授,硕士研究生导师, 主要从事生物工程方面的研 究。Email:yu_Jie—cai@yahoo.corn.cn 774 食 品 与 生 物 技 术 学 报 第30卷 故将其命名为漆酶;此后在多种植物、真菌[2j、少数 细菌和昆虫体内均有发现 。。 漆酶属于蓝一铜族氧化酶,其活性中心由4个铜 原子组成.在氧化还原反应中起着决定作用。漆酶 的l型铜原子和氨基酸残基结合成为单核中心,使 酶表现为明显的蓝色。另外,它还包含Ⅱ型和Ⅲ型 铜原子,构成三核中心。I型铜原子作为初级电子 的接受者,参与分子内的电子传递,把电子从底物 传递到其他铜原子上,然后电子结合于三核位点。 该位点进一步把电子传递给结合活性中心的第二 底物氧分子,使之还原为水,而铜的存在是形成复 合体所必需的¨l1一。它们催化的反应是利用分子氧, 产生的副产物只有水,所以又称漆酶为“生态友善 酶”。 由于漆酶具有特殊的催化性能和宽泛的作用 底物,在生物制浆、生物漂白、以及有毒化合物的降 解等方面具有潜在应用价值,因而引起人们越来越 多的研究兴趣,成为环境保护用酶研究的热点[5。 近年来,人们对漆酶的研究越来越深入,其应用的 泛围也越来越广泛。 尽管漆酶在自然界中广泛分布,但真正具有较 高漆酶产量的菌株并不多,分泌漆酶的真菌主要分 布于担子菌(Basidiomycotina)、多孔菌(Pol— yporus)、子囊菌(Aseomycotina)、脉孢菌(Neuros— pra)、柄孢壳菌(Podospora)和曲霉菌(Aspergil— lus)等属种,其中最主要的是担子菌亚门的白腐真 菌,研究也较多 。但是大部分真菌发酵周期较 长,使得工业化生产具有一定的局限性。 本研究室前期分离筛选得到的一株竹黄菌 J, 目前还未见关于竹黄菌产漆酶的相关报道。通过 对其产酶培养条件的初步探究,我们发现培养基组 分对其产漆酶能力具有较大的影响,在优化后的培 养基组分下发酵,漆酶酶活由优化前的7 000 U/I 提高到120 000 U/I ,提高了近17倍,且发酵周期 短(64 h),具有工业化生产的潜力。 l 材料与方法 1.1 菌种 竹黄菌种(Shiraia bambusicola):作者所在实 验室保藏。 1.2培养基 1.2.1 斜面PDA培养基(组分g/I ) 马铃薯 200,葡萄糖1O,琼脂2O;pH值自然,120℃灭菌20 mln。 1.2.2 种子培养基 即为PDA液态培养基。 1.2.3发酵培养基(组分g/I ) 马铃薯200,葡萄 糖20;pH值自然,120℃灭菌20 min。 1.3 方法 1.3.1种子制备 将菌株接种到斜面PDA培养 基上,3O℃恒温培养5~7 d后,观察试管壁上有黑 色孢子生成。取lO mL无菌水冲洗种子试管壁 卜 的孢子,取1 mL孢子菌悬液接种到种子培养基5() mL(250 mI 三角瓶),30℃、200 r/min摇床恒温培 养16 h。 1.3.2液态发酵 取菌悬液接入液态发酵培养基 50 mI (250 mI 三角瓶),接种体积分数10 ,30 ℃、200 r/min摇床恒温培养64 h。培养条件的优 化按单因子顺次进行,每次优化结果用于后续实 验。 1.3.3粗酶液的制备 发酵液经10 000 r/min、4 C离心15 min,取得的上清液即为粗酶液,适当稀 释后用于酶活测定。 1.4漆酶酶活的测定 漆酶酶活测定以DMP为底物,参考Litthauer 等人的测定方法稍做调整[1 。每3 mI 反应体系 含:0.1 tool/L柠檬酸一磷酸氢二钠缓冲液(pH 3.5) 2.4 mL,0.0l mol/I DMP 0.5 mI ,60 C保温10 min后加入0.1 mI 酶液,在470 nm处测吸光值。 以每分钟氧化1肚mol DMP所需要的酶量定义为1 个酶活力单位(e一49.6 L (mmol・cm),酶活以U L表示)。 1.5生物量测定 发酵培养物经过滤脱水后,用蒸馏水洗涤2 次,于干燥箱中80 C恒温干燥48 h,用分析天平测 定菌丝体干重。 1.6 pH值测定 使用精密酸度计(SART()RIUS AG PB l0)洲 定。 2结果与讨论 2.1优化前产漆酶情况 将培养7 d的孢子接种至液态发酵培养基中, 200 r/min、30℃恒温培养,每8小时取样测定漆酶 活力,结果见图1。菌株在液态发酵条件下,第l天 之后开始慢慢产酶,同时观察到发酵液的颜色逐渐 变红,在第48小时漆酶酶活有很大的提高,第64小 时漆酶活力达到最高,因此选择64 h作为后续发酵 研究的培养时间。 2.2碳源对产漆酶的影响 碳氮源的种类和浓度不仅是菌体生长的必要 第5期 胡艳等:竹黄菌液态发酵产漆酶培养条件的优化 775 因素,而且对产酶也有重要的影响。分别用等质量 的乳糖、麦芽糖、果糖、可溶性淀粉、柠檬酸、甘露醇 和蔗糖替代基础液态发酵培养基中的葡萄糖,3O ℃、200 r/min摇床恒温培养64 h后,测定不同碳源 对漆酶产量的影响,结果见图2。以可溶性淀粉促 进发酵产酶效果最好,柠檬酸严重抑制了漆酶的产 生。因此确定可溶性淀粉为液态发酵产漆酶培养 基的碳源。 7 000 6 000 5 000 烬 4000 避 溢 3 000 燎 2 000 1 000 O 0 8 l6 24 32 40 48 56 64 72 8O 培养时间/h 图1优化前产漆酶曲线 Fig.1 Curves of the laccase production before optimiza— tion 蜒 罐 霞 碳源 图2碳源对产漆酶的影响 Fig.2 Effect of carbon sources on laccase production 2.3 可溶性淀粉质量浓度对产漆酶的影响 将发酵培养基中的可溶性淀粉分别调至不同 的浓度,200 r/rain、30℃恒温培养64 h后,测定可 溶性淀粉质量浓度对产漆酶的影响,结果见图3。 在可溶性淀粉质量浓度达到2O g/I 之前,漆酶活力 随着质量浓度的增加而升高,说明培养基中添加一 定量的可溶性淀粉有利于菌体生长,对漆酶的产生 有促进作用,但可溶性淀粉超过20 g/L时,可溶性 淀粉溶解性能不佳,漆酶活力则开始下降。所以, 确定产漆酶的最佳可溶性淀粉质量浓度为20 g/L。 淀粉质量浓度/(g/L) 图3可溶性淀粉浓度对产漆酶的影响 Fig.3 Effect of concentration of soluble starch on iacca— se production 2.4氮源对产漆酶的影响 氮源主要用于构成菌体细胞物质(氨基酸、蛋 白质、核酸等)和含氮代谢物。分别用等摩尔量(2 mmo1)的豆粕,玉米浆,酵母膏,牛肉膏,蛋白胨,尿 素,硝酸铵,硫酸铵,酒石酸铵,氯化铵,L一天冬氨 酸,硝酸钠作为氮源进行初步培养,发现与有机氮 源相比,无机氮源均不利于菌体产酶,尤其是尿素, 硫酸铵和氯化铵明显抑制了酶的产生。然后从中 选取产漆酶较高的6种氮源(豆粕,酵母膏,酒石酸 铵,牛肉膏,硝酸铵,玉米浆)重新发酵培养,结果见 图4。可以看出:酵母膏的作用最为显著,豆粕次 之。 120 1OO 摹80 蝗 避60 靛 qk-40 2O O 露多 移 穆移秽够莎 群 氮源 图4氮源对产漆酶的影响 Fig.4 Effect of nitrogen sources on laccase production 2.5酵母膏质量浓度对产漆酶的影响 在液态发酵培养基中加入不同质量浓度的酵 母膏,200 r/rain、30℃恒温培养64 h后,测定酵母 膏质量浓度对产漆酶的影响,结果见图5。加入酵 母膏可以明显促进漆酶的产生,当质量浓度为10 g/L时,漆酶酶活达到最高,之后随着酵母膏质量浓 度的增大,培养基溶氧下降,漆酶酶活开始降低,说 776 食 品 与 生 物 技 术 学 报 第30卷 明酵母膏过量对漆酶的产生有一定的抑制作用。 蜒 避 。露 酵母膏质量浓度/(g/L) 图5酵母膏质量浓度对产漆酶的影响 Fig.5 Effect of concentration of yeast extract on laccase production 2.6不同离子对产漆酶的影响 在液态发酵培养基中添加相同浓度的金属离 子,200 r/min、30 C恒温培养64 h后,测定不同的 金属离子对产漆酶的影响,结果见图6。可以观察 到,Cu: 可显著促进漆酶的增加;A1”、Fe抖、 Mg 、K 、Na 也能微弱地促进漆酶的产生,但促 进程度依次递减;Mn。 效果不明显;Zn。 具有明显 的抑制作用。 1O0 8O 蛭60 溢 罂40 2O O CK AI Cu。 Fe K Mg Mn Na—Zn 金属离子 图6 不I司金属离子对产漆酶的影响 Fig.6 Effect of metal ions on laccase production 2.7 Cu 浓度对产漆酶的影响 铜是生物体所必需的微量元素之一,同时在基 凶转录水平中作为辅助因子及调节物参与漆酶的 生物合成,这在糙皮侧耳(P.ostreatus),毛栓菌 (丁.pubes ̄ ens)和密孔菌(P.coccineus)等菌株的 漆酶转录上已经得到印证lljl 一。因此,铜离子作为 漆酶合成中一种不可缺少的物质,被认为是漆酶发 酵的有效诱导剂。 在本研究中,在液态发酵培养基中添加不同浓 度的Cu ,200 r/min、3O C恒温培养64 h后,测定 铜离子浓度对产漆酶的影响,结果见图7。添加不 同浓度的Cu。。。对漆酶酶活有一定的影响,不添加 Cu 时漆酶酶活较低,浓度为2.4 mmol/I 时漆酶 酶活达到最高,之后随着铜离子浓度的升高酶活开 始下降,可以看出高浓度的铜离子对漆酶的产生有 一定的抑制作用。 图7 Cu 浓度对产漆酶的影响 Fig.7 Effect of concentration of copper ion on laccase production 2.8正交试验 采用L9(33)正交试验因素水平表进行正交试 验。根据实验设计表1进行9组实验,正交试验结 果方差分析见表2。 表1正交试验设计 Tab.1 Analysis of the L9(3 )orthogonal array design 表2正交实验结果 Tab.2 Result of the L9(33)orthogonal array design 霉 A B C 酶活/ (×1O U/I ) l 1 9.O9 2 2 1O.94 3 3 8.93 1 2 12.O5 2 3 11.O8 3 1 1O.26 1 3 10.01 2 l 9.96 3 2 9.87 9.653 1O.383 9.77O l1.13O 10.66O 1O.953 9.947 9.687 1O.OO7 1.477 O.973 1.183 第5期 胡艳等:竹黄菌液态发酵产漆酶培养条件的优化 777 设计3个因素,3个水平,9组实验对发酵培养 优化后的产酶曲线见图8。第1天菌体处于延 基进一步优化。A。B C 为最优水平组合,即可溶 滞期,细胞处于适应环境状态,菌体生长缓慢,基本 性淀粉质量浓度为20 g/L,酵母膏质量浓度为8 g/ 不产漆酶,pH值变化不大;第2天菌体的生长进入 L,Cu抖浓度为2.4 mmol/L。极差分析比较RA> 对数生长期,第32天菌体的干重开始明显增加,说 R >R。,即可溶性淀粉质量浓度对产漆酶的影响最 明32~4O h是菌体的快速生长繁殖阶段,此时pH 大,其次为Cu。 浓度,酵母膏质量浓度对其影响最 值也快速增加到6.5左右,随后pH值开始下降,漆 小。 酶酶活开始增加,说明菌体开始进入产酶阶段。48 2.9优化条件下漆酶发酵动态 h以后细胞生长处于平稳期,漆酶酶活呈现指数增 优化后的发酵培养基为:马铃薯200 g/L,可溶 长阶段,pH值缓慢降低,并呈现波动现象。第64 性淀粉20 g/L,酵母膏8 g/L,Cu。 2.4 mmol/I , 小时产酶达到最大值,pH在5.5左右;之后产酶开 在自然pH 5.0。装液量为50 mL/250 mL,3O℃、 始衰减,由于进入发酵的后期,菌体自溶,pH又开 200 r/rain摇瓶振荡培养3 d。 始缓慢回升,影响了漆酶的产生以及漆酶的活性。 6-8 12O 000 6.6 l05 000 6.4 90OOO 6.2 75 000 目 6.O 蜒 吕 i四 溢60 000 5.8雹 髓 11母l1 赚45 000 H_ 5.6 {圜 5.4 30 000 5.2 15 000 5.O O 4.8 培养时间/h 图8优化后的发酵产漆酶过程曲线 Fig.8 Curves of the iaeease production after optimization 和优化前的产酶曲线相比,两者有着相同的走 理口引,漆酶基因的克隆、异源表达,以及漆酶的产业 势。1)40~48 h是菌体生长和发酵产酶的转折 化应用等方面都有了很好的了解,但仍然存在着不 点,之前主要是菌体的生长和繁殖,之后主要是发 少问题。如菌株合成漆酶水平偏低、发酵周期长、 酵产漆酶;2)都在64 h达到产漆酶的最大值,发酵 不适于工业化生产等。所以,近年来有关漆酶生产 周期短。 方面的研究工作,均围绕提高漆酶的产量而展开, 由图8还可以看出,菌体生长的最适pH值在 选育漆酶高产菌株和构建产漆酶的工程菌株已成 6.5左右;发酵产漆酶的最适pH值在5.5左右,可 为研究热点。 以尝试在发酵过程中通过分阶段控制pH值和补料 与所报道的诸多产漆酶菌株相比,本竹黄菌株 的办法来进一步提高漆酶的产量。 具有以下优点:产酶发酵培养基配方简单经济,发 酵条件温和,且发酵周期短(发酵64 h左右漆酶活 3 结 语 力即可达到120 000 U/L),符合工业化生产酶制剂 人们对于漆酶的认识已有100多年了,随着研 的要求,为进一步研究漆酶的性质以及其在工业上 究的不断深入,对于漆酶的活性中心及其催化机 的应用提供了一定的理论依据。 778 食 品 与 生 物 技 术 学 报 第30卷 参考文献(References): [1]王佳玲,余惠生.白腐菌漆酶的研究进展[J].微生物学通报,1998,25(4):233—236. 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