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Promotion effect of Bacillus megaterium on Ketogulonigenium vulgare

一株芽孢杆菌在维生素C二步发酵中对小菌的促进作用



全 文 :第7卷第1期
2009年1月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.1
Jan.2009
收稿日期:20080529
基金项目:河北省科技厅基金资助项目(0454700512D2)
作者简介:王 静(1978—),女,河北正定人,工程师,研究方向:生物制药;王丽丽(联系人),教授,Email:wanglili@hebust.edu.cn
一株芽孢杆菌在维生素 C二步发酵中
对小菌的促进作用
王 静1,冯文亮2,3,王丽丽2,仪 宏2
(1.华北制药维尔康有限公司,石家庄 050031;
2.河北科技大学 生物科学与工程学院,石家庄 050018;
3.华北制药生物燃料研究所,石家庄 050035)
摘 要:从土壤中分离到1株能更好促使小菌生长和产酸的芽孢杆菌B601,作为伴生菌与巨大芽孢杆菌相比,在生长
过程中,发酵液中B601活菌数小于巨大芽孢杆菌,而其芽孢数则多于巨大芽孢杆菌。对B601组成菌系的发酵条件
进行优化,得到如下结果:100g/LL山梨糖、6g/L尿素、10g/L玉米浆、培养温度30℃和发酵周期44h。与巨大芽孢
杆菌组成菌系相比其底物L山梨糖质量浓度提高了25%,尿素下降了50%,玉米浆质量浓度下降了33%,温度提高
了2℃,发酵周期缩短了4h。结果表明:B601作为伴生菌,与巨大芽孢杆菌相比,该菌株明显提高了发酵效率。
关键词:巨大芽孢杆菌;伴生菌;2酮基L古龙酸;普通生酮基古龙酸菌;维生素C
中图分类号:TQ924    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2009)01-0024-05
PromotionefectofBacilusmegateriumonKetogulonigenium
vulgareintwostepfermentationofvitaminC
WANGJing1,FENGWenliang2,3,WANGLili2,YIHong2
(1.NorthChinaPharmaceuticalWelcomeCo.,Ltd.,Shijiazhuang050031,China;
2.BiologicalScienceandEngineeringInstitute,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050018,China;
3.NorthChinaPharmaceuticalBiofuelReseachInstitute,Shijiazhuang050035,China)
Abstract:AstrainofBacilusmegateriumB601,inpossessionofpromotionefectonKetogulonigenium
vulgaregrowthandacidproduction,wasscreenedfromsoil.Undermixedfermentationconditions,the
numberoftheviablebacteriumwaslessthanthatofB.megaterium,butthenumberofthesporeswas
morethanthatofB.megaterium.TheconditionsforthefermentationassociatedB601wereoptimizedas
folows:Lsorbose10%,urea0.6%,cornsteepliquor10%,culturetemperature30℃,pH68,and
fermentationtime44h.Comparedwiththecontrolfermentation,Lsorboseproductionwasenhancedby
25%,theureaconsumptionandthecornsteepliquorweredecreasedby50% and33%,respectively,
theculturetemperaturewasincreasedby2℃,andthefermentationtimewasreducedby4h.Theefi
ciencyoffermentationwasimprovedusingB601associatedbacteria.
Keywords:Bacilusmegaterium;bacteriaassociated;2ketoLgulonicacid;Ketogulonigeniumvulgare;
vitaminC
  我国于20世纪70年代首创的维生素C二步发
酵法,第二步是混菌发酵,其中普通生酮基古龙酸
菌(Ketogulonigeniumvulgare,俗称小菌)是产酸菌,
巨大芽孢杆菌(Bacilusmegaterium,俗称大菌)是伴
生菌。伴生菌对小菌的生长与产酸非常重要,目前
生产上所用伴生菌大多数是巨大芽孢杆菌,国内关
于伴生菌的研究已有很多,如对新伴生菌筛选苏云
金芽孢杆菌(Bacilusthuringignsis)、蜡状芽孢杆菌
(Baciluscereus)和掷孢酵母(Sporobolomycesro
seus)。也有对伴生菌进行诱变选育,如张舟等[1]对
巨大芽孢杆菌经紫外线诱变,获得2株耐低 pH,抗
2KGA的菌株:Bn,B5,可促使普通生酮基古龙酸
生长,使其延滞期缩短,产酸增加。赵世光等[2]利
用离子束对巨大芽杆菌进行诱变,提高了伴生菌的
作用效果。当前对新型工艺研究方向主要是基因
工程菌,使两步发酵变为一步发酵,以葡萄糖为底
物的欧文氏菌和棒杆菌[3-4],以山梨醇为底物的黑
醋菌与普通生酮基古龙酸菌[5-6],都是把2个菌中
与生成2-酮基 -L-古龙酸(2KGA)有关的基因
整合到1株菌中,目前基因工程菌还没有应用工业
化生产。所以当前对传统工艺进行优化与改造依
然具有重大意义。
  本实验从土壤中分离1株能促进小菌生长和产
酸的芽孢杆菌,研究它对促进小菌发酵的影响。
1 菌种与方法
11 菌 种
  巨大芽孢杆菌(Bacilusmegaterium,俗称大
菌),普通生酮基古龙酸菌(Ketogulonigeniumvul
gare,俗称小菌),芽孢杆菌 B601,本实验室从土壤
中分离。
12 培养基
  种子培养基(g/L):山梨糖20,玉米浆3,牛肉浸
膏3,酵母浸膏3,蛋白胨 10,尿素 1,KH2PO4·2H2O
1,MgSO4·7H2O02,CaCO31。pH68。
  优化前发酵培养基(g/L):山梨糖 80,玉米浆
15,尿素 12,KH2PO4·2H2O1,MgSO4·7H2O02,
CaCO31。pH68。
  优化后发酵培养基(g/L):山梨糖 100,玉米浆
10,尿素 6,KH2PO4·2H2O1,MgSO4·7H2O02,
CaCO31。pH68。
13 分析方法
  2KGA分析方法采用碘量法[7]。
14 土壤中芽孢菌的分离
  从不同地点取地表层以下5~10cm处的土样
5~6份,放入灭菌的袋中备用。制备土壤悬液,稀
释适宜的浓度,85℃加热10min。取02mL加热
稀释样涂布平板,28℃培养24h,筛选不同菌体和
菌落芽孢菌[8]。
2 结果与讨论
21 从土壤中分离的芽孢菌产酸研究
  从土壤中分离出80种菌落和菌体形态各异的
芽孢菌,分别与小菌混合发酵,选择10种有代表性
的菌株进行报道,以巨大芽孢杆菌作对照,培养基
成分是优化后发酵培养基,振荡培养44h,取样分别
测定发酵液中2KGA质量浓度,结果见图1。由图
1可见:从土壤中分离的芽孢菌对小菌的产酸都有
促进作用,B601菌株对小菌产酸的促使作用优于巨
大芽孢杆菌,而其他9株芽孢菌产酸能力明显不如
巨大芽孢杆菌。B601菌株作为伴生菌发酵44h,2
KGA质量浓度达10523mg/mL,而巨大芽孢杆菌
作为伴生菌2KGA质量浓度仅8525mg/mL。0号
菌为巨大芽孢杆菌,1~10号菌分别为 B601、B602、
B603、B604、B605、B606、B607、B608、B609和B610。
图1 从土壤中分离的各株芽孢菌对小菌产酸的影响
Fig.1 Theefectofsporebacteriaisolatedfromsoilon
2KGAproductionofKvulgare
22 B601菌株与巨大芽孢杆菌对小菌生长及产酸
影响
  培养基成分是优化后发酵培养基,振荡培养
44h,在摇瓶培养条件下芽孢杆菌B601和巨大芽孢
杆菌分别与小菌混菌培养,不同时间取样测定发酵
液中小菌活菌数与产生2KGA质量浓度,结果见图
2和图3。由图2可见,在发酵早期芽孢杆菌 B601
作为伴生菌,小菌生长较为迅速,但到发酵后期,44
h以后小菌生长开始衰退。由图3可见,在发酵早
52 第1期 王 静等:一株芽孢杆菌在维生素C二步发酵中对小菌的促进作用
期芽孢杆菌B601作为伴生菌小菌产酸一直优于巨
大芽孢杆菌,直到发酵的终点,B601菌株作为伴生
菌发酵44h即达到发酵终点,在L-山梨糖质量浓
度100g/L下 B601菌株明显优于巨大芽孢杆菌。
作为伴生菌,与巨大芽孢杆菌相比,由图 3可知,
B601菌株使底物L-山梨糖质量浓度提高了25%,
发酵周期缩短了4h。
图2 发酵过程中小菌活菌数的变化
Fig.2 ThechangesofthenumberofviableKvulgare
intheprocessoffermentation
图3 发酵过程中小菌产酸情况
Fig.3 Thechangesof2KGAproductionofKvulgare
intheprocessoffermentation
23 巨大芽孢杆菌与 B601菌株在发酵液中活菌
和芽孢数的研究
  文献[1]报道,伴生菌对小菌的生长和产酸作
用与芽孢的释放有关,本实验在混菌条件下培养,
培养基成分是优化后发酵培养基,振荡培养52h,
不同时间取样测定芽孢杆菌 B601与巨大芽孢杆
菌活菌数与芽孢数,结果见图4和图5。由图4可
见,在发酵的不同阶段巨大芽孢杆菌的活菌数明
显多于芽孢杆菌 B601,但由图5可见,在发酵不同
阶段芽孢杆菌 B2006产生的芽孢数明显多于巨大
芽孢杆菌,这说明小菌的生长和产酸与芽孢数的
释放成正比。
图4 在混合培养中作为伴生菌芽孢杆菌B601和
巨大芽孢杆菌活菌数的变化
Fig.4 ThechangesofthenumberofviableB601strain
andBmegateriumassociatedinthemixed
fermentation
图5 在混合发酵中B601菌株和巨大芽孢
杆菌的芽孢数变化
Fig.5 ThechangesofthenumberofsporesofB601
strainandBmegateriumassociatedinthe
mixedfermentation
24 B601新型菌系发酵条件优化研究
  通过B601菌株与巨大芽孢杆菌(Bmegaerium)
对小菌促进作用的比较,发现B601菌株优势明显优
于巨大芽孢杆菌。维生素C二步混菌发酵过程中,影
响最终发酵结果的因素很多,在对新型菌系研究过程
中,选择了以下几个因素:山梨糖、尿素、玉米浆、培养
温度和培养液的pH,进行单因素初步研究。通过对
发酵条件的初步探索,以确定最佳发酵条件,提高发
酵的生产效率。
241 山梨糖质量浓度对新型伴生菌系影响
  维生素C二步混合菌发酵体系,过高山梨糖质
量浓度抑制小菌的生长和产酸。在新型伴生菌系
中,山梨糖的质量浓度分为60、80、100和120g/L,培
养基成分是优化后发酵培养基,振荡培养44h,取样
测定2KGA的质量浓度,结果见图6。由图6可见,
山梨糖质量浓度高于100g/L,则2KGA含量降低,
62 生 物 加 工 过 程   第7卷 
同时产酸率也下降,因此100g/L山梨糖为最适质
量浓度。
图6 山梨糖质量浓度对新型伴生菌系的影响
Fig.6 Theefectofthesorboseconcentration
onthenewbacteriaassociatedsystem
242 尿素浓度对新型伴生菌系的影响
  在微生物的生长过程中尿素不仅作为 N源,而
且也作为一种生理碱调节微生物生长的 pH环境。
本实验选取不同质量浓度的尿素分别进行培养,培
养基成分是优化后发酵培养基,振荡培养44h,取样
测定2KGA的质量浓度,结果如图7所示。当尿素
质量浓度为6g/L,对小菌产酸起到很好的促进作
用,如低于6g/L,反应未到终点尿素已消耗完,对小
菌起不到很好的促进作用,高于6g/L对小菌的产
酸也没有太好的促进作用,所以选择6g/L作为小
菌的最适尿素质量浓度。
图7 尿素质量浓度对新型伴生菌系的影响
Fig.7 Theefectoftheureaconcentration
onthenewstrainassociatedsystem
243 玉米浆浓度对新型伴生菌系的影响
  选用不同质量浓度的玉米浆进行实验,培养基
成分是优化后发酵培养基,振荡培养44h,取样测定
2KGA的质量浓度,结果如图8所示。玉米浆在10
g/L的质量浓度时已可满足大菌生长和小菌产酸的
营养需求,过高的浓度对小菌产酸没有明显抑制,
最终选取玉米浆的质量浓度为10g/L。
图8 玉米浆质量浓度对新型伴生菌系的影响
Fig.8 Theefectofthecornsteepliquorconcentrations
onthenewstrainassociatedsystem
244 pH对新型伴生菌系的影响
  用6mol/LNaOH和 HCl溶液来调节 pH,培养
液pH分别为50、60、68、75和80,培养基成分
是优化后发酵培养基,振荡培养44h,取样测定 2
KGA的质量浓度,结果如图9所示。当 pH为68
时,产生2KGA的效果最好。
图9 培养pH对新型伴生菌系的影响
Fig.9 TheefectofpHvalueonthenew
strainassociatedsystem
图10 培养温度对新型伴生菌系的影响
Fig.10 Theefectoftheculturetemperature
onthenewstrainassociatedsystem
245 培养温度对新型伴生菌系的影响
  分别在25、28、30、32和35℃的条件下进行培
养,培养基成分是优化后发酵培养基,振荡培养44h,
取样测定 2KGA的质量浓度,结果如图 10所示。
72 第1期 王 静等:一株芽孢杆菌在维生素C二步发酵中对小菌的促进作用
30℃产酸效果最好,温度低于30℃,小菌生长较慢,
温度低于28℃,抑制了小菌生长。
3 结 论
  1)通过比较巨大芽孢杆菌与土壤中芽孢杆菌
B601菌株之间对小菌生长和产酸的影响,发现
B601菌株促进小菌的生长和产酸优于巨大芽孢杆
菌。证实了芽孢杆菌促使小菌生长同时伴随着小
菌产酸的增加。B601作为伴生菌,发酵44h时2
KGA质量浓度达到10523mg/mL,而巨大芽孢杆
菌酸体系下其质量浓度仅7525mg/mL,如用 B601
菌株作为伴生菌,L-山梨糖质量浓度可提高到100
mg/mL,即以 B601菌株可提高小菌的抗逆性,使底
物L山梨糖浓度提高。
  2)比较2株伴生菌在混合菌中的生长与芽孢
数,发现巨大芽孢杆菌的活菌多于 B601菌株,但
B601菌株的芽孢数多于巨大芽孢杆菌。此结论可
证实,小菌的生长与产酸确实与芽孢的释放有关。
  3)通过对新型伴生菌系发酵条件优化,得到最
适发酵条件,分别为山梨糖100g/L、尿素6g/L、玉
米浆10g/L、pH68、培养温度30℃。作为伴生菌,
与巨大芽孢杆菌相比,其发酵周期缩短4h,底物浓
度提高了25%,尿素质量浓度下降了50%,玉米浆
浓度下降了 33%,温度提高了 2℃。结果表明以
B601作为伴生菌,提高了发酵效率。
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