全 文 :第7卷第2期
2009年3月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.7No.2
Mar.2009
收稿日期:2008-06-15
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20576054,20706031);国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2006AA02Z2400);国家重点基础研
究发展计划(973)资助项目(2007CB707805)
作者简介:徐 晴(1983—),女,江苏苏州人,硕士研究生,研究方向:工业微生物及代谢工程;黄 和(联系人),博士,教授,Email:biotcch@njut.edu.cn
米根霉 MEF12发酵产富马酸的菌体形态控制
徐 晴1,高 振1,付永前1,李 霜1,2,黄 和1,2
(1.南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 210009;2.江苏省工业生物技术创新中心,南京 211816)
摘 要:丝状真菌发酵体系中菌体形态对产量有着重要影响。考察富马酸产生菌RhizopusoryzaeME F12种子培养
过程中不同pH条件、孢子悬浮液密度以及CaCl2添加量对其形态的影响。结果表明,当控制种子培养液pH23~
27、接种孢子的终密度为15×108~30×108/L和添加05g/LCaCl2时,培养可获得直径约为065mm光滑规整菌
球,后继的产酸发酵中富马酸量高达589g/L。正交实验表明,pH是影响菌球形成的最主要因素,孢子液密度主要影
响菌体生物量,而CaCl2则是菌球表面光滑度的主要影响因素。
关键词:富马酸;形态;产量;米根霉
中图分类号:TQ921 文献标志码:A 文章编号:1672-3678(2009)02-0048-05
MorphologycontrolofRhizopusoryzaeMEF12infumaricacidproduction
XUQing1,GAOZhen1,FUYongqian1,LIShuang1,2,HUANGHe1,2
(1.ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.JiangsuProvincialInnovationCenterforIndustrialBiotechnology,Nanjing211816,China)
Abstract:TheefectofpH,inoculum,andCaCl2intheseedculturemediumonthestrainmorphologyand
fumaricacidproductionbyRhizopusoryzaeMEF12wasinvestigatedWhenpHwasbetween23and27,the
sporeconcentrationintheflaskwas15×108to30×108spores/L.ByaddingofCaCl2(05g/L),thestrain
grewintotheuniformandsmoothpelet,andthediameterwaslessthan065mmInthiscase,theconcentra
tionoffumaricacidwasfurtherincreasedto589g/L.TheorthogonalexperimentincludingfactorsofpH,in
oculum,andCaCl2wascariedout.TheresultshowedthatpHwasthemostsignificantfactorforthemorphol
ogy,theinoculumafectedthemassofseedandCaCl2afectedthesurfaceofpelets.
Keywords:fumaricacid;morphology;production;Rhizopusoryzae
丝状真菌在发酵工业中有着广泛的应用,常用
来生产有机酸、酶制剂、抗生素等[1-4],在深层发酵
过程中,丝状真菌一般存在3种形态:团状、絮状和
球状[5]。团状内部比较致密,存在严重的传质、传
氧问题,且不易接种,故一般认为是最不理想的形
态;絮状能够增加发酵液黏度,形成非牛顿型、假塑
型流体,影响营养物质传递,并且容易缠绕搅拌桨,
使发酵产物产量、发酵罐性能降低;而球状不但能
克服以上不足,同时还能增加发酵液的流变特性和
氧的有效传递性,降低通气量和搅拌转速,减少能
量消耗[6-8]。因此,控制发酵过程菌体形态被认为
是丝状真菌工业化生产的首要工作。
在米根霉产富马酸、乳酸等有机酸的发酵体系
中,菌体形态对有机酸产量有重要影响[8-10]。影响
丝状真菌形态的因素有很多,如培养基成分、pH、接
种量、聚合物的添加等[810],但不同菌种形成菌球的
条件各异。本研究针对米根霉 MEF12产富马酸的
发酵体系,详细探讨种子培养基中 pH、孢子细胞密
度、CaCl2等因素对菌体形态及富马酸产量影响,为进
一步实现利用根霉菌发酵法制备富马酸奠定基础。
1 材料与方法
1.1 菌种
米根霉(RhizopusoryzaeME F12),本实验室保藏。
1.2 培养基与培养条件
1.2.1 培养基及培养条件
斜面培养基(g/L):酵母膏30,麦芽浸出液30,
蛋白胨30,甘油20,琼脂20。35℃培养7d。
种子培养基(g/L):葡萄糖50,尿素2,KH2PO4
06,MgSO4·7H2O05,ZnSO4·7H2O00176,FeSO4·
7H2O0000498。培养条件:250mL摇瓶装液量50
mL,35℃,200r/min,培养1d。
发酵培养基(g/L):葡萄糖 100,KH2PO406,
MgSO4·7H2O05,ZnSO4·7H2O00176,FeSO4·
7H2O0000498,CaCO360。pH自然。培养条件:
250mL摇瓶装液量40mL,以体积分数10%接入种
子液,于35℃、200r/min培养3~4d。
1.2.2 孢子液的制备
无菌水洗脱斜面培养基中孢子,经无菌脱脂棉
过滤去除菌丝体后,制备成孢子悬浮液,通过改变
无菌水的用量控制不同孢子悬浮液的密度。
1.3 分析方法
孢子数量的测定:采用血球计数板计数。
图像采集:莱卡显微镜DM1000,菌球直径是50
个菌球的平均直径。
生物量的测定:菌体抽滤,生理盐水洗涤,抽
干,80℃烘干至恒质量后称质量,取平均值。
试样制备:停止发酵后添加适量1mol/LHCl,
水浴加热,抽滤后取上清液用于分析检测。
富马酸产量的测定[11]:高效液相色谱 DIONEX
HPLCP680工作站,Altech有机酸色谱柱。
2 结果与讨论
21 种子液pH对菌体形态和富马酸产量的影响
选取孢子液终密度 1×108个/L,考察种子液
pH对米根霉MEF12菌体形态、生物量及发酵产富
马酸量的影响,结果见表1。种子液的pH对米根霉
菌体形态具有重要影响,而对生物量影响较小。种
子液pH为21时,孢子不能萌发;pH23~27时
米根霉可形成直径约500~600μm的分散菌球(图
1(a)),在发酵培养基中仍保持为球状形态;pH29
时形成菌球与絮状菌丝的混合物,在发酵培养基中
菌体相互缠绕呈絮状;pH31~33时形成絮状种
子(图1(b)),在发酵培养过程中缠绕成团块状;种
子培养基pH高于33时形成菌丝体紧密缠绕的团
块状,在发酵培养基中保持团块状(图1(c))。将3
种不同菌体形态的种子在相同的条件下进行发酵
培养基,检测富马酸量,结果表明球状形态下富马
酸量最高,平均质量浓度为552g/L,比絮状和团状
形态分别高60%和112%。因此,种子培养基中pH
控制在23~27内,米根霉 ME F12可形成有利
于富马酸产生的分散菌球。
表1 种子液pH对菌体形态、生物量及富马酸产量的影响
Table1 EfectofpHonthemorphology,biomassandfumaricacidproductionofMEF12
种子培养基
pH 菌体形态
ρ(生物量)/
(g·L-1)
ρ(富马酸)/
(g·L-1)
21 未生长
23 分散菌球状 792±061 552±17
25 分散菌球状 795±083 551±16
27 分散菌球状 796±055 538±18
29 菌球状且含有部分絮状菌丝 818±062 365±19
31 松散絮状 824±073 350±20
33 松散絮状 827±071 345±20
35 致密团块状 836±060 253±16
37 致密团块状 837±080 271±17
39 致密团块状 841±055 254±19
56 致密团块状 844±044 260±20
94 第2期 徐 晴等:米根霉ME F12发酵产富马酸的菌体形态控制
图1 不同pH下的菌体形态
Fig.1 TheefectofpHintheseedculturemediumonthemorphologyofRhizopusoryzae
22 孢子密度对种子培养及富马酸产量的影响
孢子密度是影响丝状真菌菌球大小的主要因
素,而菌球直径大小对目标产物生成有较大影
响[6]。向pH25的种子培养基中接种孢子,使其终
密度从75×106个/L增加至30×108个/L,在相同
的发酵条件下考察其对菌体形态及富马酸产量的
影响,结果见图2。在所考察的孢子浓度范围内菌
体形态均呈球状,但菌球直径、数目和富马酸产量
随孢子密度的变化而差异显著。当接种孢子终密
度由75×106个/L增加至15×108个/L时,种子培
养基中菌体生物量呈增加趋势,菌球直径由 154
mm降至065mm,菌球数目由47×105个/L增至
24×107个/L,富马酸量也由 466g/L增加至
559g/L。接种孢子密度高于15×108个/L后,菌
球直径降至045mm,菌球数目增至30×107个/L,
但种子液的生物量及富马酸的质量浓度变化均不
显著。因此,接种米根霉的孢子终密度应控制在
15×108~30×108个/L。
图2 孢子悬浮液密度对菌球直径、菌体
干质量及富马酸产量的影响
Fig.2 Efectofsporeconcentrationonpeletdiameter,pelet
number,biomassandfumaricacidproduction
已有文献报道[6],球状真菌发酵过程中,存在
一临界直径,菌球直径小于临界直径时,产物积累
不受影响,而当菌球直径大于临界直径时,易造成
菌球中心营养物质匮乏,产物生成减少。其原因在
于菌球直径过大,菌球内部的传质、传氧出现困难,
菌球中心易发生自溶,形成空洞,最终导致发酵产
物产量降低[6]。本实验中当菌球直径小于065mm
时,富马酸产量变化不大;而菌球直径大于065mm
后,富马酸产量呈下降趋势,由此推测,富马酸产生
菌米根霉MEF12菌株在液体深层发酵时菌球临界
半径可能为065mm左右,略小于文献报道[8,10]的
米根霉菌球临界直径。
23 CaCl2对菌球形态及富马酸产量的影响
Ca2+是影响菌丝顶端生长的重要因素,同时
Ca2+表面带有正电荷,一定程度上能抑制细胞间
的排斥作用,促进细胞的交联[12]。在上述优化条
件下考察种子培养基中添加少量 CaCl2对菌球直
径、生物量及相应富马酸产量的影响,结果见表2。
种子培养基中添加 05g/LCaCl2后,菌体生物量
有所增加,平均菌球直径也由053mm增至062
mm左右,菌球表面变得光滑、规整(图3),富马酸
产量增至589g/L,与对照相比提高了59%(发
酵条件相同)。此后随着 CaCl2添加量的增加,富
马酸生成量变化不明显。由此可知,种子培养基
中添加 CaCl2有利于菌体形态的控制和富马酸的
积累。
表2 CaCl2对ME F12菌球形态及富马酸产量的影响
Table2 EfectofCaCl2onthemorphologyofMEF12
R.oryzaeandfumaricacidproduction
ρ(CaCl2)/
(g·L-1)
菌球直径/
mm
ρ(生物量)/
(g·L-1)
ρ(富马酸)/
(g·L-1)
0 053 793±056 556±13
05 062 810±067 589±11
10 064 838±064 587±12
15 065 848±051 575±15
05 生 物 加 工 过 程 第7卷
图3 CaCl2对MEF12菌球表面的影响
Fig.3 EfectofCaCl2onthepeletsurfaceofMEF12
24 三因素交互作用
鉴于种子培养基中pH、孢子密度和CaCl2质量浓
度等因素对米根霉菌体形态均有影响,采用正交实
验L9(3
3)对上述因素进行进一步的考察,从而寻找
对米根霉种子培养阶段菌体形态具有决定性的因
素,结果见表3。由正交实验可知,种子培养基 pH
决定米根霉菌体形态,pH25时在其他各因素条件
下均能形成菌球;pH3~35时,不论其他因素如何
优化,均不能形成菌球;从生物量角度分析,孢子终
密度是影响种子生物量的主要因素,不同密度下种
子生物量差异明显,密度越高,种子生物量越大,而
其他因素对生物量的影响相对较小;CaCl2不是影响
菌体形态及生物量的主要因素,但对菌球表面光滑
度有较大影响。
表3 正交实验设计与结果
Table3 Orthogonaltestresult
序号 培养基pH
孢子终密度/
(个·L-1)
ρ(CaCl2)/
(g·L-1)
形态 ρ
(生物量)/
(g·L-1)
菌球表面特征
1 25(1) 5×106(1) 00(1) 1 547±018
2 25 5×107(2) 10(3) 1 683±015 光滑
3 25 5×108(3) 050(2) 1 821±013 光滑
4 3(2) 5×106 10 0 551±015
5 3 5×107 05 0 690±014
6 3 5×108 00 0 831±011
7 35(3) 5×106 050 -1 561±016
8 35 5×107 00 -1 699±019
9 35 5×108 10 -1 841±017
注:“0”—絮状,“-1”—团块状,“1”—小球状;“()”中的数据代表该条件对应的水平
表4 菌球形态误差来源分析
Table4 Inaccuracyanalysis
因素 1水平平均
2水平
平均
3水平
平均 极差
培养基pH 1 0 -1 2
孢子终密度 0 0 0 0
ρ(CaCl2)/
(g·L-1)
0 0 0 0
注:仅分析 pH、孢子终密度、CaCl2质量浓度对菌球形态
的影响
3 结 论
对影响米根霉种子形态的主要因素:pH、孢子
浓度以及CaCl2添加量进行了优化,实验结果表明,
当控制种子培养溶液 pH23~27、孢子终密度为
(15~30)×108个/L和添加少量CaCl2(05g/L)
时,生成直径为065mm左右的光滑规整菌球,有
效地促进了富马酸的生成,为米根霉发酵制备富马
酸的工业化生产奠定了基础,而三因素的正交实验
表明,pH是影响菌体形态的最重要因素,孢子液终
密度是影响生物量的主要因素,而 CaCl2主要对菌
球表面光滑度产生影响。
15 第2期 徐 晴等:米根霉ME F12发酵产富马酸的菌体形态控制
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櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
589593.
国外动态
ZeaChem投资3400万美元建设纤维素乙醇厂
ZeaChem公司是美国较早开始发展下一代生物燃料的企业。2009年1月7日,该公司宣布将投入3400
万美元开发纤维素乙醇燃料,并将于今年在俄勒冈州建设年产约570万L乙醇的生产厂。
ZeaChem人员宣称其在纤维素乙醇产率方面将会比Coskata、Mascoma和 Iogen等任一竞争对手企业的
提高40%。该公司采用的工艺包括将糖转化为乙酸的生物过程,和进一步将木质素等残余物转化为氢的热
化学过程,以及最后在反应器中混合反应的过程;并首次采用了当地的低成本可持续作物———杨树作为
原料。
印度开展生物基产品生产工艺研究
2008年12月25日,印度GuruNanakDev大学(GNDU)得到了来自印度农业研究协会的680万美元资
助,用于开展为期3年的“利用稻秆和蔗渣生产高价值产品的新型生物技术工艺”项目的研究。项目负责人
SSChahal称,该项目被农业研究理事会列为世界银行支持的国家农业创新计划(NAIP)中的农业科学前沿
领域的基础与战略研究专项。
项目的合作单位还包括印度采后工程与技术研究中心(theCentralInstituteofPostHarvestEngineering
andTechnology,CIPHET)和印度理工学院。项目的研究目标包括发展分离纤维素、半纤维素和木质素的膜
技术,开发高温下稳定的生物转化酶以及利用富含蛋白质的稻秆制备动物饲料等。
(文伟河)
25 生 物 加 工 过 程 第7卷