全 文 ：美味牛肝菌产胞外多糖分批发酵的动力学模型研究
韩凤云 ,张华山＊ ,王伟平 ,董殿波　(湖北工业大学生物工程学院 ,工业微生物湖北省重点实验室 ,湖北武汉 430068)
摘要　采用分批发酵方法研究了美味牛肝菌胞外多糖的合成特性。结果表明 ,美味牛肝菌多糖合成和菌体生长呈部分生长偶联型。根
据Logistic和Luedeking-Piret方程分别建立了美味牛肝菌发酵过程中菌体生长 、胞外多糖生成和基质消耗的动力学模型 ,并利用 1stOpt
软件对模型参数进行了非线性拟合 ,将模型拟合值与试验值进行比较 ,得 3个模型的拟合度分别为 0.996、0.987、0.996。
关键词　美味牛肝菌;胞外多糖;1stOpt;动力学模型
中图分类号　S646　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2010)09-04437-03
StudyonDynamicModelofExtracelularPolysaccharidefromBoletusedulisinBatchFermentation
HANFeng-yunetal　(HubeiKeyLaboratoryofIndustrialMicrobe, BioengineeringColegeofHubeiIndustrialUniversity, Wuhan, Hubei
430068)
Abstract　Thesyntheticcharacteristicsofextracelularpolysaccharidefromboletuseduliswasstudiedwithbatchfermentationmethod.There-
sultsshowedthatthesynthesisofpolysaccharidefromboletusedulisandcelgrowthwaspartiallyassociated.Thedynamicmodelsoncel
growth, extracelularpolysaccharideformationandsubstrateconsumptioninfermentationprocessofboletuseduliswereestablishedaccordingto
theequationofLogisticandLuedeking-Piret.Theparametersofthemodelswerenonlinearlyfitedwith1stOptsoftwareandthefitedvaluewas
comparedwiththetestedvalue.Theresultsshowedthatthefitingdegreeof3modelswas0.996, 0.987and0.996 resp.
Keywords　 Boletusedulis;Extracelularpolysaccharide;1stOpt;Dynamicmodel
基金项目　博士启动基金(BSQD0911)。
作者简介　韩凤云(1986-),女 ,湖北枝江人 ,硕士研究生 , 研究方向:
发酵工程。 ＊通讯作者。
收稿日期　 2009-12-14
　　美味牛肝菌(Boletusedulis)俗称大脚菇 , 营养丰富 [ 1] ,
其多糖具有提高人体免疫力及显著的抗癌 [ 2] 、抗氧化 [ 3]和抗
炎等作用 [ 4] 。该菌为菌根菌 ,市面上优质鲜品紧缺。通过发
酵可解决美味牛肝菌野生资源不足的问题 ,并可同时从菌丝
体和发酵液中提取多糖 [ 6-7] 。为探明美味牛肝菌发酵生产
多糖的过程 ,笔者采用 10 L自动生物发酵罐对美味牛肝菌
进行了分批发酵培养 ,并根据发酵过程的特点 ,对美味牛肝
菌菌丝体生长 、产物形成和基质消耗等情况进行了分析 ,建
立了较合理的美味牛肝菌产胞外多糖分批发酵动力学模型 ,
为其分批发酵的放大奠定了基础。
1　材料与方法
1.1　材料
1.1.1　菌株。美味牛肝菌菌株(ACCC50559),由中国农业
微生物菌种保藏中心提供 。
1.1.2　仪器。Zhwy-2102c型摇床 ,上海智城分析仪器制造有
限公司;TGL-20高速离心机 ,武汉中科科仪技术发展有限公
司;722型可见光栅分光光度计 ,上海精密科学仪器有限公司
分析仪器总厂;分析天平 ,北京赛多利斯天平有限公司;10 L
搅拌发酵罐(biotech-3000),上海保兴生物设备有限公司。
1.1.3　培养基。液体母种培养基(%):马铃薯 20g、葡萄糖
2.0 g、酵母粉 1.4 g、蛋白胨 0.6 g、KH2PO4 0.1 g、
ZnSO4· 7H2 O0.01 g、MgSO4· 7H2O0.05 g。
固体母种培养基(%):液体母种培养基 +2%琼脂粉。
发酵培养基(%):马铃薯 10 g、蔗糖 2.0 g、蛋白胨 0.6
g、KH2PO4 0.3g、MgSO4· 7H2 O0.2g、CaCO3 0.2g。
1.2　方法
1.2.1　种子活化 。配制固体母种培养基 ,分装于试管 , 115
℃高压蒸汽灭菌 30 min,放置斜面 ,冷却后接种 ,于 25 ℃恒
温培养箱内培养 ,约 7 d后菌丝长满斜面 。
1.2.2　一级种子制备 。液体母种培养基加 10颗玻璃珠常
规灭菌冷却后 ,接活化的斜面种子 4 ～ 5环 , 25 ℃, 120 r/min
振荡培养 60 h。
1.2.3　二级种子制备。将一级种子按 10%的接种量接入
发酵培养基中 , 28 ℃恒温摇床振荡培养 40 h。
1.2.4　分批培养。采用 10 L自控发酵罐在优化条件下进行
液态深层分批发酵 ,发酵培养基装料系数为 0.8,接种量为
5%,培养温度为 28℃ ,自然 pH值 ,通气量为 1∶1,溶氧控制
在饱和度 20%以上 。在发酵过程中 ,每隔 12 h取样 ,测定生
物量 、胞外多糖及残糖浓度 ,每次取样做 3次平行试验 ,取其
平均值 ,同时观察菌丝形态。
1.3　测定项目及方法
1.3.1　生物量测定。取一定体积的发酵液 , 6 500r/min,离
心 8 min,将沉淀菌丝体用蒸馏水清洗 3次 , 60 ℃烘干至恒
重 ,然后用分析天平称重 。
1.3.2　胞外多糖和残糖浓度测定。取一定体积的去菌丝体
发酵液 ,加入 3倍体积的无水乙醇 ,于 4 ℃冰箱中醇析 48 h,
取出后 5 000 r/min离心 10 min。用苯酚 -硫酸法 [ 8-9]测定
上清液中的残糖浓度;沉淀物中加少量无水乙醇洗涤数次后
再加入蒸馏水溶解并定容 ,利用苯酚 -硫酸法测定多糖
含量。
2　结果与分析
2.1　美味牛肝菌分批发酵的代谢变化　在发酵的 0 ～ 12 h
内 ,菌体经过短暂的适应期开始进入对数生长期 ,发酵液中
有少量菌丝球出现(直径 0.5 mm左右);在发酵的 12 ～ 48 h
内 ,菌体处于对数生长期 ,菌体大量合成 ,菌丝体直径逐渐增
大至 1.0 mm左右 ,菌体开始分泌胞外多糖 ,发酵液中的碳源
被大量利用 ,残糖浓度迅速降低;发酵 48 ～ 96 h菌体处于稳
定生长阶段 ,菌丝球缓慢变大(直径 1.2mm左右),有些菌体
发生了自溶成为空心球 ,菌丝体干重最高达 12.97g/L,胞外
多糖大量合成 ,多糖浓度达 3.41 g/L,残糖浓度缓慢下降;发
酵 96h后 ,菌丝体处于衰亡阶段 ,生物量逐渐减少 ,胞外多糖
安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(9):4437-4439 责任编辑　常俊香　责任校对　卢瑶
DOI :10.13989/j.cnki.0517-6611.2010.09.097
分泌量缓慢降低。Boletusedulis的发酵过程中发酵前期胞外
多糖合成与菌体生长具有一定的同步性 ,但菌体生长至最大
后仍能继续合成胞外多糖 ,说明发酵后期胞外多糖的生成与
菌体生长并不同步 ,因此美味牛肝菌分批发酵属于部分生长
偶联型。
图 1　美味牛肝菌分批发酵曲线
Fig.1　BatchfermentationcurveofBoletusedulis
2.2　模型的建立
2.2.1　菌体生长动力学模型。由于 Boletusedulis细胞生长
曲线呈 S形 ,而 Logistic[ 10]模型是一个典型的 S型曲线 ,该模
型能较好地反映分批发酵过程中菌丝体生长的一般规律 。
因此该研究拟采用 Logistic模型描述美味牛肝菌菌体的生长
过程。
dCX
dt=μm(1-CX/CX, max)CX (1)
式中 , μm为最大比生长速率;CX, max为最大菌体浓度。以
t=0, CX=CX, 0为条件 ,对方程(1)进行积分:
CX(t)= CX, 0 exp(μmt)1-(CX, 0 /CX, max)[ 1-exp(μmt)] (2)
2.2.2　产物形成动力学模型 。美味牛肝菌的发酵属于部分
生长偶联型。因此可采用 Leudeking-piret[ 11]模型描述胞外多
糖产物的比生成速率与菌丝体比生成速率之间的关系:
dCp
dt=α(
dCX
dt)+βCX (3)
式中 , CP为胞外多糖的产量;α为与菌体生长相关联的产物
生成常数;β为与菌体量相关联的产物生成常数;当 t=0时 ,
CP =CP, 0。将方程(1)代入方程(3)积分得:
CP(t)=CP, 0 +α[ CX(t)-CX, 0 ] +β(CX, max/μm)ln{1-
(CX, 0 /CX, max)[ 1-exp(μmt)] } (4)
2.2.3　基质消耗动力学模型 。发酵过程中底物的消耗主要
与菌体生长和产物生成及其代谢有关 ,因此 ,底物消耗可用
下式 [ 12]表示:
-dCSdt=
1
YX/S(
dCX
dt)+
1
YP/S(
dCP
dt)+KeCX (5)
式中 , YX/S为消耗 1g基质所得菌体量(g);YP/S为消耗 1 g基
质所得胞外多糖量(g);Cs为底物浓度(g/L);Ke为细胞维持
系数。当 t=0时 , CS =CS, 0。将方程(3)代入方程(5)积
分得:
CS(t)=CS, 0 -b2 [ CX(t)-CX, 0 ] -b1 (CX, max/μm)ln{1-
(CX, 0 /CX, max)[ 1-exp(μmt)]} (6)
式中 , b1 = βYP.S+ke, b2 =
1
YX/S+
α
YP/S
(1)、(3)、(5)3个数学模型分别为美味牛肝菌分批发酵
过程中菌丝体生长 、产物生成及基质消耗的动力学模型 ,这
些模型反映了发酵过程中菌体生长 、产物合成及基质消耗与
发酵时间之间的关系;式(2)、(4)和(6)分别为 3个模型的
积分形式 ,有助于模型的拟合求解 。
2.3　模型求解　使用 1stOpt软件 ,利用麦夸特法(Leven-
berg-Marquardt)和通用全局优化法对 3个动力学方程进行非
线性拟合 ,求出模型参数 ,结果如表 1所示。
表 1　动力学参数
Table1　Kineticparameters
序号 参数类型Parametertype 参数值 Parameters
1 CX, 0 0.890 0
2 CX, max 12.970 0
3 CS, 0 40.900 0
4 μm 0.117 6
5 α 0.108 8
6 β 0.002 1
7 Ke 0.000 6
8 b1 0.022 9
9 b2 0.791 9
　　将各参数分别代入(2)、(4)、(6)得到 3个动力学模型
分别为:
(1)菌体生长动力学模型:
CX(t)= 0.89exp(0.117 6t)0.931 4+0.068 6exp(0.117 6t)
(2)产物生成动力学模型:
CP(t)=0.033 2+0.108 8Cx(t)+0.231 6ln[ 0.931 4+
0.068 6exp(0.117 6t)]
(3)底物消耗动力学模型:
CS(t)=43.384 8-2.791 9Cx(t)-0.319 8ln[ 0.931 4+
0.068 6exp(0.117 6t)]
将得到的发酵动力学模型的拟合值与试验数据进行比
较 ,结果如图 2 ～ 4所示。由图 2 ～ 4可知 ,所选择的动力学
模型基本可反映美味牛肝菌发酵产胞外多糖的过程 ,菌体生
长 、产物形成和底物消耗模型的拟合度分别为 0.996、0.987、
0.996。
图 2　菌体生长动力学模型曲线与试验值的比较
Fig.2　Comparisonofkineticsmodelcurveofbacterialgrowth
andexperimentalvalues
4438 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年
图 3　产物形成动力学模型曲线与试验值的比较
Fig.3　Comparisonofkineticsmodelcurveofproduct sforma-
tionandexperimentalvalues
图 4　基质消耗动力学模型曲线与试验值的比较
Fig.4　Comparisonofkineticsmodelcurveofsubstratecon-
sumptionandexperimentalvalues
3　结论
该试验研究了 Boletusedulis产胞外多糖分批发酵的发
酵动力学 ,通过 1stOpt软件拟合得到了菌丝体生长 、产物合
成与基质消耗的动力学模型 。将模型拟合值与试验值进行
比较 ,得 3个模型的拟合度分别为 0.996、0.987、0.996,说明
所建立的模型能较好地描述美味牛肝菌菌体生长 、胞外多糖
合成及基质消耗过程。
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(上接第 4433页)
因加性作用和非加性作用都比较重要 ,而高 N条件下以基因
的非加性效应为主。
3　结论与讨论
该研究结果表明 ,油菜 N素籽粒生产效率的杂种优势比
较明显。 30个杂交组合在 2个 N肥水平条件下离中亲优势
均表现为正值 。配合力方差分析表明 GCA、SCA和反交效应
均达到极显著水平 ,说明 N素籽粒生产效率受加性效应 、非
加性效应和细胞质效应的共同作用 。在遗传力方面研究结
果显示广义遗传力都比较高 ,在低 N条件下 N素籽粒生产
效率的基因加性作用和非加性作用都比较重要 ,而高 N条件
下以基因的非加性效应为主。
关于油菜性状的杂种优势和遗传效应的研究比较多 ,尤
其是关于产量性状方面的研究。由于不同研究者所用材料
的差异以及环境条件的不同其结果也不尽相同 ,如李莓等研
究结果表明油菜产量的广义遗传力和狭义遗传力分别为
76.7%和 10.1%[8] ,刘绚霞等研究结果显示产量的广义遗传
力和狭义遗传力分别为 83.16%和 63.00%[ 9] 。因此 ,对来源
于不同试验的遗传力数据必须慎重加以比较 ,不能简单从数
据大小来比较 。
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443938卷 9期　　　　　　　　　　　　　韩凤云等　美味牛肝菌产胞外多糖分批发酵的动力学模型研究