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Morphology control of Rhizopus oryzae

米根霉ME-F12发酵产富马酸的菌体形态控制



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,Email: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pH23~
27、接种孢子的终密度为15×108~30×108/L和添加05g/LCaCl2时,培养可获得直径约为065mm光滑规整菌
球,后继的产酸发酵中富马酸量高达589g/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
MorphologycontrolofRhizopusoryzaeMEF12infumaricacidproduction
XUQing1,GAOZhen1,FUYongqian1,LIShuang1,2,HUANGHe1,2
(1.ColegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.JiangsuProvincialInnovationCenterforIndustrialBiotechnology,Nanjing211816,China)
Abstract:TheefectofpH,inoculum,andCaCl2intheseedculturemediumonthestrainmorphologyand
fumaricacidproductionbyRhizopusoryzaeMEF12wasinvestigatedWhenpHwasbetween23and27,the
sporeconcentrationintheflaskwas15×108to30×108spores/L.ByaddingofCaCl2(05g/L),thestrain
grewintotheuniformandsmoothpelet,andthediameterwaslessthan065mmInthiscase,theconcentra
tionoffumaricacidwasfurtherincreasedto589g/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[810],但不同菌种形成菌球的
条件各异。本研究针对米根霉 MEF12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
06,MgSO4·7H2O05,ZnSO4·7H2O00176,FeSO4·
7H2O0000498。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,KH2PO406,
MgSO4·7H2O05,ZnSO4·7H2O00176,FeSO4·
7H2O0000498,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
21 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MEF12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21时,孢子不能萌发;pH23~27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;pH29
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;pH31~33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33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552g/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23~27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,biomassandfumaricacidproductionofMEF12
种子培养基
pH 菌体形态
ρ(生物量)/
(g·L-1)
ρ(富马酸)/
(g·L-1)
21 未生长
23 分散菌球状 792±061 552±17
25 分散菌球状 795±083 551±16
27 分散菌球状 796±055 538±18
29 菌球状且含有部分絮状菌丝 818±062 365±19
31 松散絮状 824±073 350±20
33 松散絮状 827±071 345±20
35 致密团块状 836±060 253±16
37 致密团块状 837±080 271±17
39 致密团块状 841±055 254±19
56 致密团块状 844±044 260±20
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
22 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pH25的种子培养基中接种孢子,使其终
密度从75×106个/L增加至30×108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75×106个/L增加至15×108个/L时,种子培
养基中菌体生物量呈增加趋势,菌球直径由 154
mm降至065mm,菌球数目由47×105个/L增至
24×107个/L,富马酸量也由 466g/L增加至
559g/L。接种孢子密度高于15×108个/L后,菌
球直径降至045mm,菌球数目增至30×107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
15×108~30×108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065mm
时,富马酸产量变化不大;而菌球直径大于065mm
后,富马酸产量呈下降趋势,由此推测,富马酸产生
菌米根霉MEF12菌株在液体深层发酵时菌球临界
半径可能为065mm左右,略小于文献报道[8,10]的
米根霉菌球临界直径。
23 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 05g/LCaCl2后,菌体生物量
有所增加,平均菌球直径也由053mm增至062
mm左右,菌球表面变得光滑、规整(图3),富马酸
产量增至589g/L,与对照相比提高了59%(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 EfectofCaCl2onthemorphologyofMEF12
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 053 793±056 556±13
05 062 810±067 589±11
10 064 838±064 587±12
15 065 848±051 575±15
05 生 物 加 工 过 程   第7卷 
图3 CaCl2对MEF12菌球表面的影响
Fig.3 EfectofCaCl2onthepeletsurfaceofMEF12
24 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,pH25时在其他各因素条件
下均能形成菌球;pH3~35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 25(1) 5×106(1) 00(1) 1 547±018
2 25 5×107(2) 10(3) 1 683±015 光滑
3 25 5×108(3) 050(2) 1 821±013 光滑
4 3(2) 5×106 10 0 551±015
5 3 5×107 05 0 690±014
6 3 5×108 00 0 831±011
7 35(3) 5×106 050 -1 561±016
8 35 5×107 00 -1 699±019
9 35 5×108 10 -1 841±017
    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 pH23~27、孢子终密度为
(15~30)×108个/L和添加少量CaCl2(05g/L)
时,生成直径为065mm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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589593.
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
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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
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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
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(文伟河)
25 生 物 加 工 过 程   第7卷