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:20080529
基金项目:河北省科技厅基金资助项目(0454700512D2)
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,Email: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
vulgareintwostepfermentationofvitaminC
WANGJing1,FENGWenliang2,3,WANGLili2,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:Lsorbose10%,urea0.6%,cornsteepliquor10%,culturetemperature30℃,pH68,and
fermentationtime44h.Comparedwiththecontrolfermentation,Lsorboseproductionwasenhancedby
25%,theureaconsumptionandthecornsteepliquorweredecreasedby50% and33%,respectively,
theculturetemperaturewasincreasedby2℃,andthefermentationtimewasreducedby4h.Theefi
ciencyoffermentationwasimprovedusingB601associatedbacteria.
Keywords:Bacilusmegaterium;bacteriaassociated;2ketoLgulonicacid;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
2KGA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(2KGA)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
11 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。
12 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,MgSO4·7H2O02,CaCO31。pH68。
优化前发酵培养基(g/L):山梨糖 80,玉米浆
15,尿素 12,KH2PO4·2H2O1,MgSO4·7H2O02,
CaCO31。pH68。
优化后发酵培养基(g/L):山梨糖 100,玉米浆
10,尿素 6,KH2PO4·2H2O1,MgSO4·7H2O02,
CaCO31。pH68。
13 分析方法
2KGA分析方法采用碘量法[7]。
14 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02mL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
21 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2KGA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10523mg/mL,而巨大芽孢杆菌
作为伴生菌2KGA质量浓度仅8525mg/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
2KGAproductionofKvulgare
22 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2KGA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 ThechangesofthenumberofviableKvulgare
intheprocessoffermentation
图3 发酵过程中小菌产酸情况
Fig.3 Thechangesof2KGAproductionofKvulgare
intheprocessoffermentation
23 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
andBmegateriumassociatedinthemixed
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
strainandBmegateriumassociatedinthe
mixedfermentation
24 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(Bmegaerium)
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。
241 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2KGA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2KGA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
242 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2KGA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
243 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
2KGA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
244 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50、60、68、75和80,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68
时,产生2KGA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
245 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 2KGA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10523mg/mL,而巨大芽孢杆
菌酸体系下其质量浓度仅7525mg/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、pH68、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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