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L-亮氨酸发酵培养基优化试验



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 26(6):692— 696 2006年 11月
L一亮氨酸发酵培养基优化试验
伍时华,徐雅飞,张 健,廖 兰,黄翠姬
(广西工学院 生物与化学工程系,广西 柳州 545006)
摘 要 :应用 PIackett-Burrnan设计试验从 L_亮氨酸基础发酵培养基的 10种成分 中筛选出 5种重要成分,然后
应用响应面分析试验确定 5种重要成分的最适用量。培养基优化后摇瓶分批发酵 72 h产 L_亮氨酸 18.05 g/L。
关键词 :L_亮氨酸;发酵培养基 ;优化;响应面分析
中图分类号 :TQ922 文献标识码:A 文章编号 :1000—3142(2006)06—0692—05
Study 0n medium optimization 0f
T 0 - 一 』 』0 L—leUcine t-erm entation
wu Shi—hua,XU Ya—fei,ZHANG Jian,
LIAO Lan,HUANG Cui— i
(Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Technology,Liuzhou 545006,China)
Abstract:Five main factors were screened by the Placket-Burman design method from ten ingredients of L-leu—
cine basic fermentation medium.Then,the best level of five factors was determined by response surfaca analy-
sis.The strain TQ9806-1 could produce L-leucine 18.05 g/L after fermentation with optimum medium for 72
hours by flask—shaking batch fermentation.
Key words:L—leucine;fermentation medium ;optimization;response surface analysis
L-亮氨酸是人与动物自身不能合成而必须依赖
外源供给的八大必需氨基酸之一,对维持人体健康
和促进动物生长具有重要作用。由于目前发酵法生
产 L_亮氨酸的菌种产酸偏低,发酵周期长,发酵副
产物多,分离纯化困难(刘建军等,2004),致使其产
量低,价格高,使之尚主要用于配制复方氨基酸输液
(宋超先等,2004),因此,进行 L_亮氨酸菌种选育和
发酵工艺条件优化,提高 L_亮氨酸发酵水平,具有
重大研究意义。
近年来,国内对发酵法生产 L_亮氨酸的研究报
道较少,而目前又尚未见到应用响应面分析法进行
L.亮氨酸发酵培养基优化的研究报道。但应用响应
面分析法进行其他发酵培养基 (Zheng等,2000;钟
环宇等,2004;Ooijkaas等,1999;Li等,2002)或产
物分离提取条件(魏安池等,2006;任凤莲等,2006)
优化的研究报道较多,且优化效果明显。
微生物发酵培养基的最佳组成,是保证高产菌
株的高产性能得以充分表达的物质基础。作者在
L_亮氨酸发酵培养基单因素试验(另文发表)的基础
上,参考有关文献(欧宏字等,2001;惠大丰等,1996;
胡良平,2001;Wong,1996)。首先应用 Plackett—
Burman设计试验法从 L_亮氨酸基础发酵培养基的
10种成分中筛选出 5种重要成分,然后应用二次回
归的旋转中心组合设计 5因素 5水平的响应面分析
试验来确定 5种重要成分的最适用量。
1 材料与方法
1.1菌种与培养基
(1)黄 色 短 杆 菌 (Brevibacterium flavum)
收稿日期:2006—06—21 修回日期:2006—10—09
基金项目:广西科学基金项目(GKQ0229012)资助 [Supported by Science Foundation of Guangxi(GKQ0229012)]
作者简介:伍时华(1963一),男,广西岑溪市人 ,副教授 ,博士,主要从事微生物育种与代谢控制发酵的研究。
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6期 伍时华等:L-亮氨酸发酵培养基优化试验 693
TQ98O6—1:由广西工学院发酵工程研究室提供,从
黄色短杆菌 TQ98O6改良获得(伍时华等,2001)。
(2)种子培养基:葡萄糖 25,玉米浆 20 mL/L,尿素
2.0(分 消 ),KH2PO4 1.3,MgSO4 0.4,MnSO4
0.01,Met 0.3,VB11300 ttg/L,VH200 ttg/L。(3)
发酵培 养 基 (g/L):葡 萄 糖 130,玉 米浆 40 mL,
(NH4)2SO4 20,NH4Ac 20,KH2PO4 1.0,MgSO4
0.4,MnSO4 0.01,M et 0.4,lie 0.05,Glu 0.4,VB1
300 p.g,VH 50 p.g,CaCO3 30(分消),pH7.0~7.2,
0.75 kg/cm 蒸汽灭菌 20 min。
1.2培养方法
种子培养方法:①菌种活化:取斜面保藏菌种划
线接种于活化斜面,28℃恒温静置培养 2O~24 h。
②种子培养:将 1支(j2『18试管)生长良好的活化斜
面种子用适量无菌水洗下,吸取 1/4菌液转入装有
50 mL种子培养基的500 mL三角瓶中,8层纱布封
口,置旋转摇床上,220 r/min,28℃恒温振荡培养
至对数生长末期 。
摇瓶发酵培养方法:将发酵培养基中被研究的
成分(因素)设计成不同水平,其它成分及用量同基
础发酵培养基;按 1O 接种量将种子液 5 mL接人
装有 45 mL发酵培养基的 500 mL三角瓶中,8层
纱布封口,置旋转摇床上,220 r/rain,28℃下振荡
培养 72 h。
发酵分析方法:L一亮氨酸测定:用“纸色谱一薄层
扫描测定法”测定(伍时华等,2003)。
2 结果与讨论
2.1应用 P-B设计试验筛选重要因素
2.1.1试验条件分析 根据发酵培养基单因素试验
结果,取葡萄糖等 1O种成分作为 PB试验的 1O个
因素 X。,Xz,)(3⋯X。。每个因素取两个水平,高水
平取低水平的 1.25倍。以L_亮氨酸产量y(g/L)为
响应值,筛选对产酸影响较大的主要因素。P—B设
计试验因素、水平见表 1。
表 1 P-B设计试验的因素、水平及影响效果
Table 1 Factors,levels of P-B design test and their effect
因素Factors 堡 查 里! ! ! T-检验 概率>ITI 排列
一 1 +1 T-test Prob> lTl Ranking
葡萄糖 Glucose(g/L) 110 137.5 12.65 0.0502 2·
玉米浆 Corn syrup(mL/L) 35 43.75 13.85 0.0459 1一
醋酸铵 Ammonium acetate(g/L) 18 22.5 l1.86 0.0536 3·
硫酸铵 Ammonium sulfate(g/L) 18 22.5 7.81 0.0811 5
蛋氨酸 Metione(g/I ) 0.4 0.5 4.12 0.1513
异亮氨酸 Isoleucine(mg/L) 50 63 —1.22 0.4381
谷氨酸 Glutamic(g/L) 0.4 0.5 8.40 0.0755 4·
生物索 Biotin(~tg/L) 5O 62.5 2.33 0.2586
磷酸氢二钾 Dipotassium hydrogen phosphate(g/I ) 1 1.25 1.44 0.4582
硫酸镁 Magnesium sulfate(g/I ) 0.4 0.5 3.58 0.1732
注:“置信水平 95 l 置信水平 9O 。 Note:”Significant for a 95 confidence level;。Significant for a 9O confidence leve1.
2.1.2试验设计及结果 用 SAS安排 P-B表头,进
行试验。试验安排及结果如表 2。SAS分析的输出
结果 ,经整理后列入表 1。从 T一检验结果可知 ,玉米
浆 Xz、葡萄糖 X。、醋酸铵 X。、谷氨酸 X 、硫酸铵 X
这 5个因素的可信度分别为 95.41 ,94.98 ,
94.64 ,92.45 ,91.89 ,高于 9O ,说明这 5个
因素是对 L一亮氨酸发酵产酸影响较大的重要因素。
2.2应用响应面分析设计试验筛选重要因素的最优
浓度水平
在发酵培养基优化试验中,二次回归的旋转中心
组合设计是一种常用的响应面分析方法。每个因素
取5个水平,以(一2,一1,0,+1,+2)编码。根据相应的
试验表进行试验后,对数据进行二次回归,得到一定
水平范围内的响应面,最后分析响应面,求出最优值。
2.2.1试验条件分析 通过 PB试验 已筛选 出影响
L,亮氨酸产量的5个重要因素是玉米浆、葡萄糖、醋
酸铵 、谷氨酸 、硫酸铵。在此基础上用响应面分析试
验法来寻找上述 5个因素(自变量)的最优浓度水
平,以 L.亮氨酸产量(g/L)为响应值,对应于因变量
y。响应面分析试验因素、水平列于表 3。
葡萄糖的浓度(g/L)毒。,对应于自变量 X 。玉
米浆的浓度(mL/L)毒:,对应于 自变量 X:。醋酸铵
的浓度(g/L)毒。,对应于 自变量 。硫酸铵的浓度
(g/L)毒 ,对应于自变量)(‘。谷氨酸的浓度(g/L)岛,
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694 广 西 植 物 26卷
对应于自变量 X。。编码变换为:X 一毒 一125/5,Xz
=毒2—40/5,X。=毒。一20/5,X4一 一20/5,X5=e5
- 0.3/5。
2.2.2试验设计及结果 运行 SAS软件得到 5因
素 5水平的响应面试验设计表头如表 4所示。其他
因素采用 PB试验的低水平,摇瓶发酵 72 h的 L-亮
氨酸产量列于表 4。
2.2.3二次回归模型拟合及方差分析 SAS软件分
析的结果,经整理后如表 5、6,决定系数 R2—0.912 9,
说明回归方程的拟合程度良好。
表 3 响应面分析试验因素水平表
1 ble 3 Factors and their levels of response surface analysis
表 4 响应面设计表及试验结果
Table 4 Table for response surface design and the test results
意絮. x1 x2 Xs X4 )(s Y(g/L) 意絮. x1 x2 Xs x4 )(s Y(g/L)
1 —1 -1 —1 —1 1 14.99 17 0 0 0 0 0 17.79
2 1 -1 —1 —1 —1 16.38 18 0 0 0 0 0 17.77
3 —1 1 —1 —1 —1 16.98 19 0 0 0 0 0 17.84
4 1 1 —1 —1 1 17.67 20 0 0 0 0 0 17.82
5 —1 —1 1 —1 —1 16.O1 21 0 0 0 0 0 17.78
6 1 —1 1 —1 1 16.88 22 0 0 0 0 0 17.94
7 —1 1 1 —1 1 16.67 23 -2 0 0 0 0 15.75
8 1 1 1 —1 —1 16.81 24 2 O 0 0 0 16.O5
9 —1 —1 —1 1 —1 15.O6 25 0 —2 0 0 0 15.97
10 1 —1 -1 1 1 17.O9 26 0 2 0 0 0 16.3O
11 —1 1 —1 1 1 16.19 27 0 0 —2 0 0 17.O2
12 1 1 —1 1 —1 15.8O 28 0 0 2 0 0 17.15
13 —1 -1 1 1 1 15.O8 29 0 0 0 -2 0 17.O6
14 1 —1 1 1 -1 17.O9 30 0 0 0 2 0 17.18
15 —1 1 1 1 —1 15.49 31 0 0 0 0 —2 17.21
16 1 1 1 1 1 17.85 32 0 0 0 0 2 16.92
由表 6方差分析得知,回归模型的 F-检验极显
著,说明所拟合的二次回归方程合适。回归方程的
一 次项 (99.33 )和二次项 (99.97 )F-检验极显
著,交互项(90.95 )F-检验显著。说明响应面分析
所选 5个因素的主效应显著。不同因素之间的交互
效应不同,其中X 与 X。,X 与 X。,X。与 X。相互间
的交互作用较大,响应面分析的立体图和等高线图
见图 1~3。由图1~3可直观看出,在 X ,X。,X。的
取值范围内有一最佳值与响应面的最大值相对应。
结合表 7可知,当 X1=0.871,X2=0.195 5,)(5=
1.214 6时,L_亮氨酸的产量最大,最大产量为 l8.O7。
2.2.4二次拟合响应面的分析 对全变量二次回归
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6期 伍时华等:L_亮氨酸发酵培养基优化试验 695
表 5 回归方程偏回归系数的估计值
Table 5 Estimated values of regressive coefficient in regression equation
P 附
标准
Stan
误差dard T
T-

te

st P

ro b> ]
T
Tj P 附 标准Stan误差dard T-检te验st P概ro b>]TTj rarameterestimated va1ue error I rarameter estimated va1ue error I
130 17.835 0.177 101.000 0.000 0 1333 ·0.186 0.082 2.276 0.043 8
131 0.404 0.090 4.473 0.000 9 1314 0.183 0.111 1.649 0.127 4
132 0.231 0.090 2.555 0.026 8 1324 —0.179 0.111 —1.615 0.134 6
133 0.083 0.090 0.913 0.380 8 1334 0.064 0.111 0.576 0.576 2
134 —0.104 0.090 —1.153 0.273 4 1344 —0.177 0.082 —2.169 0.052 9
135 0.093 0.090 1.O24 0.328 0 1315 0.251 0.111 2.270 0.044 3
1311 —0.482 0.082 —5.901 0.000 1 1325 0.238 0.111 2.146 0.055 0
1312 —0.218 0.111 —1.977 0.O73 7 1335 —0.040 0.111 —0.361 0.724 6
1322 —0.424 0.082 —5.182 0.000 3 阻5 0.171 0.111 1.547 0.150 0
1313 0.104 0.111 0.937 0.368 6 1355 —0.191 0.082 —2.337 0.039 4
1323 —0.085 0.111 —0.768 0.458 6
注;Y平均值:16.739 7;误差标准差:0.442 7;决定系数 R :0.912 9。
Note;Mean value of Y:16.739 7}Standard deviation of error:0.442 7,Coeficient of determination Rz:0.912 9
表 6 方差分析表
Table 6 Table for variance analysis
方差来源
Source variance
自由度 平方和
Degree of Sum of
freedom squares
F值
F value
概率>F
Prob·> F
注:显著水平9O Note;Significant at 90
Y
模型进行规范形式分析(canonical analysis,又称典
范形式分析),考察所拟合响应曲面的形状。SAS
运行结果如表 7
由响应面的规范分析可知,回归模型存在稳定
点,稳定点为最大值。Y的最大估计值为 18.O7。
根据表 7各因素的对应值和 2.2.1所列的 5个公
式,可以计算出 5个主要因素的最佳水平值 ,分别为
葡萄糖(专1)129.36 g/L,玉米浆(专2)4O.98 mL/L,醋
酸铵(专。)22.06 g/L,硫酸铵 (专 )23.59 g/L,谷氨酸
图 1 Y—f(Xl,Xz)响应面立体图和等高线图
Fig.1 Three-dimensional and contour line figure of response surface analysis for Y—f(Xl,X2)
Y
图 2 Y—f(Xl,X5)响应面立体图和等高线图
Fig.2 Three-dimensional and contour line figure of response surface analysis for Y— f(Xl,X5)
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696 广 西 植 物 26卷
Y
图 3 Y=f(Xz,Xs)响应面立体图和等高线图
Fig.3 Three-dimensional and contour line figure of response surface analysis for Y=f(Xz,Xs)
表 7 响应面的规范分析
Table 7 Canonical analysis of respond surface
L-亮氨酸产量 Yield of L-leucine(g/L) 16.95 17.06 16.93 16.89 17.01 16.97 18.05 18.15 17.93 18.02 18.09 18.05
(毒 )0.42 g/L。考虑到试验的实际情况,上述 5个
因素的实际水平分别取 130 g/L、41 mL/L、22 g/L、
24 g/L和 0.42 g/L。根据上述结果,优化后发酵培
养基配 比为 (g/L):葡萄糖 130,玉米浆 41 mL,
NH4Ac 22,(NH4)2SO4 24,KH2PO4 1.0,MgSO4
0.4,M nSO4 0.01,FeSO4 0.01,M et 0.5,Glu 0.42,
Ile 0.06,VB1 300/~g,VH 50 g,CaCO3 20(分消)。
对优化后发酵培养基进行了验证试验,并与优
化前作比较,摇瓶发酵 72 h的试验结果列于表 8。
分析表 8结果可知,由回归方程所得出的最高
产酸量的预测值与验证试验的平均值很接近,说明
回归方程能够比较真实地反映各筛选因素对 L一亮
氨酸发酵产酸的影响。
3 小结
(1)应用 Placket-Burman设计试验法从 L-亮氨
酸基础发酵培养基的 10种主要成份中筛选出5种重
要成分:玉米浆、葡萄糖、醋酸铵、谷氨酸、硫酸铵。
(2)应用响应面分析试验法确定玉米浆等 5种
重要成分的最适用量,从而优化出摇瓶分批发酵培
养基的最佳组成为 (g/L):葡萄糖 130,玉米浆 41
mL,NH4Ac 22,(NH4)2SO4 24,KH 2PO41.0,Mg—
SO4 0.4,M nSO4 0.01,Met 0.4,Ile 0.05,Glu 0.42,
VB1 300/~g,VH 50/~g,CaCO3 30(分消),pH7.0。
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