蜡样芽孢杆菌高密度发酵条件与过程的优化.pdf
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1、46JOURNALOFFOODSCIENCEANDBIOTECHOGYVol.42Issue82023研究论文蜡样芽孢杆菌高密度发酵条件与过程的优化胥聆铭12,朱莉3,詹晓北*1,2高泽鑫12,尹忠伟12(1.江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室,江苏无锡2 1412 2:2.江南大学生物工程学院,江苏无锡214122;3.无锡格莱克斯生物科技有限公司,江苏无锡2 1412 5)摘要:蜡样芽孢杆菌的生物量对其生物功能具有重要影响。为了提高蜡样芽孢杆菌的产量与芽孢率,通过单因素实验筛选出最适宜其生长的碳源与氮源,分别为质量比1:1复配的葡萄糖与水溶性淀粉和质量比1:1复配的大豆蛋白陈与酵母提
2、取物。在此基础上,于7 L发酵罐中探究流加方式、pH、搅拌转速和通气量等因素对其生物量及芽孢率的影响。最优发酵条件为:在0 9 h之间,转速2 5 0 r/min,通气量3L/min,p H 恒定6.5;9 18 h时,转速升高至35 0 r/min,通气量升高至4.5 L/min,并以0.45 mL/min流量补加培养基浓缩液;18 h时,转速降低至15 0 r/min,通气量降低至2.2 5 L/min,p H 调高至7.5,停止补料至发酵结束。基于以上发酵策略,在18 h时,蜡样芽孢杆菌活菌数达2.2 x1010CFU/mL,是未优化前的4.8 8 倍;发酵结束时,芽孢率超过9 0%。本
3、研究结果为蜡样芽孢杆菌的工业化应用提供了一定基础。关键词:蜡样芽孢杆菌:发酵策略:发酵优化:高密度发酵中图分类号:Q8155文章编号:16 7 3-16 8 9(2 0 2 3)0 8-0 0 46-0 88DOl:10.3969/j.issn.1673-1689.2023.08.006Optimization of High Cell Density Fermentation Conditionsand Process of Bacillus cereusXULingming2,ZHULi,ZHANXiaobeil-2,GAO Zexin2,YIN Zhongweil2(1.Key Labo
4、ratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;3.Wuxi GlycoBiotechnologyCo.,Ltd.,Wuxi214125,China)Abstract:The biomass of Bacillus cereus has an important effect on its bio
5、logical function.Inorder to increase the yield and spore rate of Bacillus cereus,the optimum carbon and nitrogen sourcewere screened by single factor experiment.The optimal carbon source was 1:1(mass ratio)mixedglucose and water-soluble starch,and the optimal nitrogen source was 1:l(mass ratio)mixed
6、 soybeanpeptone and yeast extract.The effects of feeding method,pH,stirring speed and ventilatory capacityon the biomass and spore rate were studied in a 7 L bioreactor.The optimal fermentation conditionswere as follows:in 0-9 h,the stirring speed,aeration ratio and pH were 250 r/min,3 L/min and 6.5
7、,respectively;in 9-18 h,the stirring speed and ventilatory capacity were 350 r/min and 4.5 L/min,respectively and the concentrated medium was added at a flow rate of 0.45 mL/min;at 18 h,the收稿日期:2 0 2 1-0 7-19基金项目:国家 十三五 重点研发计划项目(2 0 17 YFD0400302)*通信作者:詹晓北(19 6 2 一),男,博士,教授,博士研究生导师,主要从事生物反应器关键技术研究。E
8、-mail:x b z h a n y a h o o.c o m47会品5 生物技术学报2 0 2 3年第42 卷第8 期背聆铭,等蜡样芽孢杆菌高密度发酵条件与过程的优化研究论文stirring speed,ventilatory capacity and pH were changed to 150 r/min,2.25 L/min and 7.5respectively,and the feeding was stopped till the end of fermentation.Based on the abovefermentation strategies,the number
9、of viable Bacillus cereus reached 2.2 x101o CFU/mL at 18 h,which was 4.88 times of that before the optimization.At the end of fermentation,the spore rate wasover 90%.This study provided basis for the industrial applications of Bacillus cereus.Keywords:Bacillus cereus,fermentation strategy,fermentati
10、on optimization,high cell densityfermentation蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)是一种常见的革兰氏阳性菌,能够产生芽孢,具有较强的抗逆性。其在自然界中广泛分布于水、土壤、空气中,且与大多数动植物具有密切的共生关系2。近年来,生物防治在农业与环境保护方面都成了研究热点,越来越多的人利用微生物处理动植物疾病与环境问题3。蜡样芽孢杆菌凭借其优异性质吸引了许多研究者的兴趣,李生樟等利用蜡样芽孢杆菌拮抗水稻条斑病,表明蜡样芽孢杆菌能够抑制水稻条斑病菌的生长,限制条斑病症状的扩展14。此外,蜡样芽孢杆菌在代谢物合成5-7 、益生菌剂制备18-9 废水处
11、理0、土壤修复叫等方面都有良好的表现。于平等利用蜡样芽孢杆菌高密度发酵生产新型中性蛋白酶,获得了酶活力为7 0 2.2 1U/mL的中性蛋白酶12。综上所述,蜡样芽孢杆菌是一种很有前景的微生物菌株,可以广泛应用于农业、食品、医药等领域。目前关于提高蜡样芽孢杆菌产量的报道相对较少113,已有报道的蜡样芽孢杆菌产量最高只有1.21010CFU/mL4,不足以满足工业化生产的需求通常认为发酵条件优化是影响生物过程中细菌生长与芽孢形成的关键因素15。因此可以对蜡样芽孢杆菌的发酵条件与过程进行优化,以提高其产量,满足工业化需求高密度发酵(HighCell-DensityCulture,HCDC)又称高密
12、度培养,是一种相较于常规培养够显著提高产物产量的培养技术16 ,对降低生产成本与工业化扩大生产具有重要意义。刘开放等利用高密度发酵技术对布拉酵母培养工艺进行优化,摇瓶阶段酵母产量达8.2 1g/L,比优化前提高1.39 倍,于5 0 L发酵罐进行扩大培养,酵母产量达到5 1.2 1g/L7。因此利用高密度发酵技术培养蜡样芽孢杆菌来促进其工业化生产切实可行。此外,蜡样芽孢杆菌的芽孢具有多种优良特性,在利用高密度发酵技术提高蜡样芽孢杆菌产量的同时,也需提高其芽孢率,以最大化利用蜡样芽孢杆菌作者以BacilluscereusATCC14579为实验菌株,通过单因素实验对蜡样芽孢杆菌培养基成分进行优化
13、,获得最适宜蜡样芽孢杆菌生长的碳源与氮源。在此基础上,于7 L发酵罐进行深层扩大培养,探究最佳发酵调控策略,以期提高蜡样芽孢杆菌产量与芽孢率,为其工业化生产和应用提供参考依据材料与方法1.1实验菌株蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus):编号ATCC14579,来源于作者所在实验室保藏的菌种1.2主要仪器与设备尼康TI-S-EJOY型倒置显微镜:日本Nikon公司产品;英诺聚EnologyY15型全自动葡萄酒分析仪:西班牙Biosystems公司产品;EppendorfNewBrunswickBioFlo/CelliGen115型全自动发酵罐:美国Eppendorf公司产品1.3培养基L
14、B培养基(组分g/L):胰蛋白陈10,酵母提取物5,氯化钠10;pH7.0NA固体培养基(组分g/L):胰蛋白陈10,牛肉浸粉3,氯化钠5,琼脂2 0;pH7.3。种子培养基(组分g/L):胰蛋白陈10,酵母提取物5,氯化钠10,葡萄糖10;pH7.0。1.4主要试剂酵母粉:购自Oxoid公司;其他试剂:均为国产分析纯,购自国药化学试剂有限公司1.5单因素实验1)蜡样芽孢杆菌活化培养将实验室保存的蜡样芽孢杆菌转接到NA固体培养基中,于30 的恒温培养箱中培养2 4h,传代2 次后置于4保存。2)种子液制备用接种环挑取1环活化2 次48JOURNALOFOODSCIENCEANDBIOTYVol
15、.42lssue82023ConditionsandProcessof BacilluscereusXULingming,etal:Optimizationof HighCellDensityFermentationARCH后的菌苔,接人种子培养基,于30、2 0 0 r/min条件下培养14 16 h,获得种子液3)250mL摇瓶中营养物质筛选在LB培养基基础上,通过单因素实验,探究不同碳源、氮源对蜡样芽孢杆菌生长情况的影响,通过测定各因素下发酵液OD6oo与活菌数来判断菌体生长情况,采用双染色法监控芽孢形成情况1.6深层高密度发酵扩大培养根据摇瓶阶段优化的培养基配方与发酵条件,在7 L发酵
16、罐上进行扩大培养,初始装液量为3L,将蜡样芽孢杆菌种子液按体积分数10%接种至发酵培养基。初始培养基(组分g/L):葡萄糖12.5,水溶性淀粉12.5,大豆蛋白陈10,酵母提取物10,MgSO4.7H03(NH 4),SO 43,M n Cl 2 0.2;初始通气量为3L/min,搅拌转速为2 5 0 r/min,温度30,初始pH恒定为6.5,在发酵过程中流加碳源和氮源,改变转速与通气量,自动流加2 mol/LNaOH与1mol/L磷酸调控pH。发酵过程中以泡敌消泡,每隔3h取一次样,测定OD60、p H、活菌数与芽孢数。1.6.1补料分批发酵1)间歇流加碳源当培养基中残糖质量浓度低于5 g
17、/L时开始流加碳源,流加液为7 5 mL200g/L葡萄糖与2 0 0 g/L水溶性淀粉混合液,每隔3h测定一次残糖质量浓度2)间歇流加碳氮源当培养基中残糖质量浓度低于5 g/L时开始流加碳源与氮源,流加液中碳源为7 5 mL200g/L葡萄糖与2 0 0 g/L水溶性淀粉混合溶液,氮源为7 5 mL100g/L酵母提取物与10 0g/L大豆蛋白陈混合溶液,每隔3h测定1次残糖与残留伯胺氮质量浓度3)恒速流加碳氮源当培养基中残糖质量浓度低于5 g/L时开始流加碳源与氮源,流加液中碳源为2 0 0 g/L葡萄糖与2 0 0 g/L水溶性淀粉混合液,氮源为10 0 g/L酵母提取物与10 0 g/
18、L大豆蛋白陈混合液。碳源与氮源流加速率为0.45 mL/min。1.6.2分段pH调控0 18 h时恒定pH为6.5,18h时将pH调至7.5,直至整个发酵过程结束1.6.3分段搅拌转速与通气量调控0 9 h保持搅拌转速为2 5 0 r/min,通气量为3L/min;918h调高搅拌转速与通气量至35 0 r/min与4.5 L/min,18 h时将搅拌转速与通气量调至15 0 r/min与2.2 5 L/min,直至发酵结束1.7检测方法1.7.1菌体质量浓度测定发酵液的菌体质量浓度采用比浊法(OD600)测定1.7.2pH测定取一定量发酵液,10 0 0 0 r/min离心5 min,取上
19、清液于pH计上测定pH。1.7.3活菌与芽孢计数参见GB4789.142014118,芽孢率Y通过芽孢数A和活菌数B计算,公式如下:AY100%B1.7.4芽孢形成过程监控取样后涂片,干燥固定,滴加孔雀绿染液盖满菌膜,置于酒精灯上加热5min,倾去染液,待玻片冷却至室温后,用细水流冲洗玻片,再用番红复染1 2 min后,倾去染液,干燥后,显微镜镜检。1.7.5残糖质量浓度采用葱铜-硫酸比色法测定发酵液中残糖质量浓度9 1.7.65伯胺氮质量浓度取一定量发酵液,10 0 0 0r/min离心5 min,取上清液,使用英诺聚EnologyY15型全自动葡萄酒分析仪测定发酵液中伯胺氮质量浓度。1.8
20、数据处理以上每个实验重复3次。采用SPSS25.0软件对实验数据进行统计分析Origin2021制图。2结果与分析2.1碳源对蜡样芽孢杆菌生长的影响在LB培养基的基础上,分别以葡萄糖(10 g/L)和相同质量浓度的水溶性淀粉、麦芽糖、玉米糊精、糖蜜和蔗糖为碳源,探究不同碳源对菌体生长的影响,实验结果如图1(a)所示。以10 g/L葡萄糖和10g/L水溶性淀粉为碳源,菌体生长情况最好。分别测定这2 种发酵液中的活菌数、芽孢数、pH与ODeo0的变化情况,实验结果如图1(b)、(c)所示。以葡萄糖为碳源,菌体生长情况最好,以水溶性淀粉为碳源,芽孢最早出现。基于上述结果,选择将葡萄糖与水溶性淀粉进行
21、复配,复配结果如图1(d)所示。当葡萄糖与水溶性淀粉的质量比为1:1时,发酵液ODo最高。且葡萄糖与水溶性淀粉价格低廉,以葡萄糖和水溶性淀粉为碳源,不仅能获得较高产量与芽孢率,还能大大降低生产成本,故以质量比1:1葡萄糖与水溶性淀粉为碳源49会品与生物技术学报2023年第42 卷第8 期骨铭,蜡样芽孢杆菌高密度发酵条件与过程的优化研究论文14r10aOD600pH12b菌体数10芽孢数8(T/01)/开108860096644422200燕糖糖蜜036913172125麦芽糖葡萄糖玉米糊精时间/h可溶性淀粉(a)不同碳源对菌体生长影响(b)葡萄糖发酵曲线2512OD600pH菌体数1020芽孢
22、数68150096410425200036913172125时间/h碳源(c)水溶性淀粉发酵曲线(d)不同配比葡萄糖与水溶性淀粉对菌体生长的影响图1碳源对蜡样芽孢杆菌生长的影响Fig.1Effect of carbon source on the growth of Bacillus cereus2.2氮源对蜡样芽孢杆菌生长的影响氮源对菌体生长具有重要影响,蛋白质是细胞结构的组成成分,也是菌体生长不可或缺的营养物质。分别以酵母提取物(10 g/L)与等质量浓度的胰蛋白陈、大豆蛋白陈、牛肉膏、尿素与氯化铵为氮源,探究不同氮源对菌体生长的影响。实验结果如图2(a),以大豆蛋白陈与酵母提取物为氮源,
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- 芽孢 杆菌 高密度 发酵 条件 过程 优化
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