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响应面法优化小球藻培养基



全 文 :生 物 工 程
2012年第16期
Vol . 33 , No . 16 , 2012
小球藻含有丰富的蛋白质、维生素、矿物质元
素、多不饱和脂肪酸等重要的营养物质,被FAO列为
21世纪绿色健康食品[1]。1890年荷兰微生物学家首次
获取了小球藻的纯培养物;1950年,小球藻作为优质
营养品在日本率先被引入市场[2]。小球藻细胞内含有
多种活性成分如多糖、色素、小球藻生长因子(CGF)
等[3],由小球藻加工制成的多种食品[4]、饲料[5-6]、保健
品等[7-8]已经得以研发生产,对小球藻的研究也逐渐
成为国内外研究的前沿和焦点。小球藻可以进行自
养生长,也可以利用一些有机碳源进行异养生长[9]。
与自养相比,异养培养能大幅度提高小球藻的生长
速率,为工业化生产提供可能[10]。培养基的成分是影
响小球藻生长速率的主要因素,对培养基的优化是
提高小球藻产量的有效途径。响应面分析法通过合
理设计实验并对数据进行统计分析,建立二次响应面
回归模型,进而寻求最优响应因子水平及响应值[11]。
海绿素(seaweed liquid fertilizer)是一种天然海藻提
取物,由英国欧麦思农用流体公司研发,因含有生长
素、细胞分裂素等多种天然植物激素及维生素、低聚
糖等活性因子,海绿素已在农业领域得到应用[12],但
其对藻类影响的研究尚未见报道,本文考察了碳源、
氮源及海绿素对小球藻生长的影响,并对培养基的
成分进行了响应面优化。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
普通小球藻(Chlorella vulgaris) 本实验室保藏
藻种,编号CV03;基础培养基 BG11[13];海绿素 北
京新禾丰农化有限公司;葡萄糖等 国药集团化学
试剂有限公司,分析纯。
GXZ光照培养箱 宁波艾德电子有限公司;HYL-
B全温摇瓶柜 太仓市强乐实验设备有限公司;UV-
2800AH紫外可见分光光度计 上海尤尼柯仪器有
限公司;VELP UDK152全自动凯氏定氮仪 北京盈
盛恒泰科技有限责任公司。
1.2 培养基的优化方法
收稿日期:2012-01-04 * 通讯联系人
作者简介:葛珍珍(1988-),女,硕士,研究方向:微生物学。
响应面法优化小球藻培养基
葛珍珍,王 杰,周灿灿,余晓斌*
(江南大学生物工程学院,工业生物技术教育部重点实验室,江苏无锡 214122)
摘 要:为了提高小球藻的生物量,对BG11培养基的成分进行了响应面优化。 通过单因素实验筛选出了适合小球藻
生长的最佳碳源、氮源分别为葡萄糖和尿素,并发现适量添加海绿素可显著促进小球藻的生长。利用Minitab软件设计
Plackett-Burman实验筛选出了影响小球藻生长的三个最重要因子;通过Box-Behnken实验及响应面分析确定了三个
因子的最佳浓度:磷酸氢二钾58mg/L,硫酸镁162mg/L,海绿素198μL/L。 用优化后的培养基培养小球藻,48h后的藻细
胞干重达10.09g/L,比优化前提高了61.2%,油脂及蛋白质产量分别达3.62和3.81g/L。
关键词:小球藻,响应面,培养基优化,海绿素
Optimization of medium for Chlorella vulgaris
by response surface analysis
GE Zhen-zhen,WANG Jie,ZHOU Can-can,YU Xiao-bin*
(The Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,School of Biotechnology,
Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
Abstract:In order to improve the biomass yield of Chlorella vulgaris,optimization of BG11 medium was carried
out by response surface analysis. The optimal carbon and nitrogen sources for C. vulgaris were glucose and
urea,respectively. An appropriate amount of seaweed liquid fertilizer could significantly promote the growth of
C. vulgaris. Three most important substrates for C. vulgaris were screened via Plackett-Burman experiments
using Minitab software. Optimal concentrations of the three substrates were confirmed by Box-Behnken design
and response surface analysis. The results were 58mg/L of dipotassium hydrogen phosphate,162mg/L of
magnesium sulfate and 198μL/L of seaweed liquid fertilizer. Cultivated with the optimized medium,dry cell
weight of C. vulgaris after 48h reached 10.09g/L,increased by 61.2% compared with the original medium. The
lipids yield was 3.62g/L,and the protein yield was 3.81g/L.
Key words:Chlorella vulgaris;response surface analysis;culture medium optimization;seaweed liquid fertilizer
中图分类号:TS201.2 文献标识码:A 文 章 编 号:1002-0306(2012)16-0195-05
195
Science and Technology of Food Industry 生 物 工 程
2012年第16期
1.2.1 单因素实验
1.2.1.1 碳源、氮源实验 碳源:以BG11为基础,分
别添加相同碳质量浓度(4.8g/L)的葡萄糖、果糖、蔗
糖和醋酸钠培养小球藻,对照组不添加有机碳源进行
光照培养,光照强度4000lux,光暗周期比为14L/10D,
接种后48h取样测细胞干重。
氮源:分别用相同氮质量浓度(0.25g/L)的硝酸
钠、氯化铵、尿素和甘氨酸作为氮源,对照组不添加
氮源,接种后48h取样测细胞干重。
1.2.1.2 海绿素实验 向BG11培养基中分别加入不
同浓度的海绿素,接种后48h取样测藻细胞干重,观
察海绿素对小球藻生长的影响。
1.2.2 Plackett-Burman(PB)实验 Plackett-Burman
设计法,是两水平部分因子实验,适合从众多因素中
快速有效地筛选出最为重要的几个因素,以便进一
步详细研究[14]。根据前面的单因素实验结果设计PB
实验,实验次数N=12,响应值为培养48h后小球藻的
细胞干重。
1.2.3 最陡爬坡实验 响应面拟合方程只有在考察
的紧接邻域里才充分近似真实情形,在其他区域里
拟合方程与被近似的函数方程毫无相似之处,几乎
无意义[15]。最陡爬坡实验以因子水平变化的梯度方
向为爬坡方向,根据各因子的效应来确定步长,能快
速、准确地逼近最佳值区域[16]。对PB实验所筛选出的
重要因子进行最陡爬坡实验来确定各因素的水平。
1.2.4 响应面分析 响应面分析法是一种寻找多因
素系统中最佳条件的数学统计方法,其中常用的是
Box-Behnken的中心组合设计原理[17]。根据PB实验及
最陡爬坡实验结果,设计Box-Behnken实验并对其结
果进行响应面分析。
1.2.5 测定方法
1.2.5.1 细胞干重的测定 通过拟合藻细胞干重与
藻液吸光值之间的线性关系来测定 [18]:取对数期藻
液,经紫外可见分光光度计扫描300~800nm,结果显
示小球藻在680nm处有最大吸收峰值。取一定量藻
液,经不同比例稀释,测定各稀释度对应的细胞干重
和吸光值,得到线性回归方程:
细胞干重(g/L)=0.422×OD680-0.0026,R2=0.9971
1.2.5.2 油脂含量的测定 乙醚-石油醚法[19]。
1.2.5.3 蛋白质含量的测定 凯氏定氮法[20]。
2 结果与讨论
2.1 不同碳源、氮源对小球藻生长的影响
碳源、氮源实验结果见表1。
结果表明,葡萄糖为小球藻的最佳碳源,48h后
的细胞干重比对照组提高了5倍,其次是蔗糖,而以
醋酸钠和果糖为碳源组,细胞干重仅比对照组略微
增加。
没有添加氮源的对照组小球藻生长最为缓慢,
以尿素作为氮源培养小球藻生长最快,其次是硝酸
钠和甘氨酸,而以氯化铵作为氮源,观察到藻液变
黄,小球藻长势较差。
2.2 海绿素对小球藻生长的影响
国内外在海绿素对植物生长的影响方面做了大
量研究,例如Thirumaran等[21]研究发现,20%的海绿素
会促进秋葵(Abelmoschus esculentus)的生长;陈卫民
等[22]指出,适量喷施海绿素可以改善全球红葡萄的
果实品质;据报道海绿素对棉花、玉米的生长发育也
有促进作用[23-24]。藻类与植物在一些生理特性上存在
相似性,因此考虑海绿素可能也会对藻类的生长繁
殖起到促进作用。海绿素对小球藻生长的影响实验
结果见图1。
由图1可知,当海绿素浓度低于500μL/L时,能够
促进小球藻的生长;在100μL/L时效果最佳,藻细胞
干重(6.200g/L)相比对照组(4.380g/L)提高了41.55%;
当海绿素的添加量分别为1000和2000μL/L时,藻细
胞干重分别为3.754和2.943g/L,均比对照组低。这表
明,适量的海绿素会促进小球藻的生长,而当海绿素
添加量大于1000μL/L时,对小球藻的生长无促进作
用,相反会抑制小球藻的生长。其原因可能是低浓度
的海绿素为小球藻的生长提供了丰富的生长因子,
海绿素中的细胞分裂素成分能够促进小球藻细胞
的分裂增殖,从而使小球藻的细胞密度增大;但随着
海绿素浓度的增大,培养基中高浓度的细胞分裂素
会对藻细胞产生毒害作用,从而抑制了藻细胞的生
长。本实验首次发现了海绿素对藻类生长的促进效
应,可为海绿素在藻类培养中的应用提供一定的理
论依据。
2.3 Plackett-Burman(PB)实验设计及结果
PB实验选取葡萄糖等影响小球藻生物量的7个
因素进行考察,每个因素分高、低两个水平,其中高
水平为低水平的1.5倍,PB实验设计及结果见表2。
由表2可以看出,影响小球藻细胞干重的重要因
子(置信度>90%)包括海绿素、硫酸镁和磷酸氢二
钾,且均为正效应(T值>0),其中海绿素的主效应极
显著(p=0.004),而其他因素的影响不显著。利用
碳源 细胞干重(g/L) 氮源 细胞干重(g/L)
对照 0.91 对照 1.74
葡萄糖 5.55 硝酸钠 5.76
果糖 1.28 氯化铵 2.14
蔗糖 3.90 尿素 6.64
醋酸钠 1.25 甘氨酸 5.31
表1 不同碳源、氮源对小球藻生长的影响
Table 1 Effect of different carbon and nitrogen sources on the
growth of C. vulgaris
图1 海绿素对小球藻生长的影响
Fig.1 Effect of seaweed liquid fertilizer on the growth of
C. vulgaris
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0





g/
L)
0 24 48
培养时间(h)
对照
1000μL/L
100μL/L
2000μL/L
500μL/L
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因子
水平
-1 0 1
X1海绿素(μL/L) 150 200 250
X2硫酸镁(mg/L) 112.5 150 187.5
X3磷酸氢二钾(mg/L) 40 60 80
表4 Box-Behnken实验的因素与水平设计
Table 4 Factors and levels of Box-Behnken design
实验号 X1 X2 X3 Y 细胞干重(g/L)
1 -1 0 1 8.92
2 0 0 0 10.02
3 0 0 0 10.03
4 -1 0 -1 9.34
5 0 1 1 9.56
6 -1 -1 0 9.09
7 0 1 -1 9.60
8 1 1 0 9.32
9 -1 1 0 9.72
10 0 0 0 10.04
11 1 0 1 9.45
12 1 0 -1 9.24
13 1 -1 0 9.26
14 0 -1 1 8.99
15 0 -1 -1 9.56
表5 Box-Behnken实验设计及结果
Table 5 Design and results of Box-Behnken experiments
因子 系数 系数标准误差 T p
常量 10.0283 0.07052 142.235 0.000
X1 0.0237 0.04319 0.550 0.606
X2 0.1635 0.04319 3.786 0.013
X3 -0.1029 0.04319 -2.382 0.063
X12 -0.4315 0.06357 -6.788 0.001
X22 -0.2469 0.06357 -3.883 0.012
X32 -0.3576 0.06357 -5.626 0.002
X1X3 0.1583 0.06108 2.591 0.049
X2X3 0.1319 0.06108 2.159 0.083
R2 0.9595
表6 回归方程的系数估计值
Table 6 Estimation value of regression coefficient in
regression equation
来源 自由度 连续平方和 校正平方和校正均方差 p
回归 9 1.76791 1.76791 0.196434 0.006
线性 3 0.30308 0.30308 0.101026 0.033
平方 3 1.21395 1.21395 0.404651 0.002
交互作用 3 0.25088 0.25088 0.083625 0.047
残差误差 5 0.07460 0.07460 0.014921
失拟 3 0.07446 0.07446 0.024820 0.300
表7 回归方程的方差分析
Table 7 Variance analysis of regression equation
Minitab软件绘出各因子标准化效应的Pareto图(图2),
响应值为培养48h后小球藻的细胞干重,α=0.05,
Minitab在Pareto图中显示效应的绝对值,由Pareto图
可以更为直观地发现海绿素、硫酸镁、磷酸氢二钾具
有显著性(t>参考值2.132)。因此将海绿素、硫酸镁、
磷酸氢二钾3个培养基组分作为主要因子进行下一
步的分析研究。
2.4 最陡爬坡实验设计及结果
由PB实验结果可知,对小球藻细胞干重有显著
影响的海绿素、硫酸镁、磷酸氢二钾皆为正效应,因
此其浓度水平应增加,根据三个因素的效应值大小
设计它们的变化方向及步长进行最陡爬坡实验,实
验设计及结果见表3。
从表3可以看出,最佳水平条件出现在实验组2
与实验组3之间,确定以实验组3的条件为响应面实
验的中心点。
2.5 Box-Behnken实验结果分析
根据PB及最陡爬坡实验结果确定Box-Behnken
实验的三个因素及其水平,具体见表4。
Box-Behnken实验设计及结果见表5。以小球藻的
细胞干重为响应值,利用Minitab软件对Box-Behnken
的实验结果进行回归分析及回归拟合[25](表6),得到
响应值Y与因子X之间的回归方程:Y=10.0283+
0.0237X1+0.1635X2-0.1029X3-0.4315X12-0.2469X22-
0.3576X32-0.1424X1X2+0.1583X1X3+0.1319X2X3
由表6中的回归分析结果可知,模拟方程中的常
量项p值为0,表明此模型显著。其中X2、X12、X22、X32和
X1X3对小球藻的细胞干重都有显著的影响(p<0.05),
决定系数R2为0.9595,表明此回归方程拟合得很好[26]。
回归方程的方差分析结果见表7,可知回归、线性、平
因子
水平 T p 重要性
排列-1 1
葡萄糖(g/L) 12 18 -0.39 0.716 4
尿素(g/L) 0.53 0.795 0.32 0.767 5
磷酸氢二钾(mg/L) 40 60 2.17 0.086 3
硫酸镁(mg/L) 75 112.5 3.10 0.036 2
氯化钙(mg/L) 36 54 -0.12 0.909 7
柠檬酸-柠檬酸铁铵(mg/L) 6 9 0.27 0.802 6
海绿素(μL/L) 100 150 6.08 0.004 1
表2 PB实验设计及结果
Table 2 Design and results of Plackett-Burman experiments
图2 标准化效应的 Pareto 图
Fig.2 Pareto chart of standardized effect
海绿素
硫酸镁
磷酸氢二钾
尿素
柠檬酸-柠檬酸铁铵
葡萄糖
氯化钙


0 1 2 3 4 5 6
标准化效应(响应值为细胞干重,α=0.05)
2.132
5.26929
3.39067
2.47427
0.595659
1.19132
0.481109
0.3207
实验号
海绿素
(μL/L)
硫酸镁
(mg/L)
磷酸氢二钾
(mg/L)
细胞干重
(g/L)
1 100 75 20 9.08
2 150 112.5 40 9.56
3 200 150 60 9.74
4 250 187.5 80 9.33
表3 最陡爬坡实验设计及结果
Table 3 Design and results of steepest ascent test
197
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2012年第16期
方及交互作用的效应都较显著(p值分别为0.006、
0.033、0.002和0.047),失拟检测p值为0.300(>0.05),
表明失拟不显著,回归模型适合[27]。
2.6 响应面最优值的获取及验证
利用Minitab软件绘制出上述回归方程的响应面
立体图,见图3~图5。
对回归方程取一阶偏导等于零得三元一次方程
组,利用Matlab软件求解[28],得极值点坐标X1=-0.0424,
X2=0.3181,X3=-0.0946,相应因子及对应值分别为:海
绿素198μL/L、硫酸镁162mg/L、磷酸氢二钾58mg/L,
并预测响应值(48h后小球藻的细胞干重)为10.06g/L。
以优化前的培养基为对照,用此模型条件培养小球
藻,48h后的藻细胞干重为10.09g/L(与预测值差
0.3%),比对照组(6.26g/L)提高了61.2%;油脂含量为
3.62g/L,占细胞干重的35.88%;蛋白质含量为3.81g/L,
占细胞干重的37.76%。
3 结论
本文通过单因子实验发现,小球藻的最佳碳、氮
源为葡萄糖和尿素;适当浓度的海绿素对小球藻的
生长具有显著促进作用,当海绿素的浓度为100μL/L
时,效果最佳,藻细胞干重相比对照提高了41.55%;而
当浓度大于1000μL/L时,对小球藻的生长则产生抑
制作用。
利用Minitab软件设计实验对BG11培养基进行
了响应面优化分析,优化后的BG11培养基配方为:
K2HPO4 58mg / L,MgSO4·7H2O 162mg / L,海绿素
198μL/L;其他成分的浓度为:葡萄糖12g/L,尿素
0.53g/L,CaCl2·2H2O 0.036g/L,柠檬酸0.006g/L,柠檬
酸铁铵0.006g/L,EDTANa2 0.001g/L,A5微量元素液
1mL/L;利用此优化后的培养基培养小球藻,48h后的
藻细胞干重达10.09g/L,比优化前提高了61.2%。
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10.0
9.5
9.0
Y
1
0-1
1
0
-1
X2
X3
图5 Y=f(X2、X3)响应面立体分析图
Fig.5 Response surface plot of the function Y=f(X2、X3)
10.0
9.5
9.0
Y
1
0-1
1
0
-1
X1
X2
图3 Y=f(X1、X2)响应面立体分析图
Fig.3 Response surface plot of the function Y=f(X1、X2)
10.0
9.5
9.0
Y
1
0-1
1
0
-1
X1
X3
图4 Y=f(X1、X3)响应面立体分析图
Fig.4 Response surface plot of the function Y=f(X1、X3)
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对保加利亚乳杆菌促生长的影响将成为下一步工作
的主要目标。
3 结论
3.1 研究了利用米曲霉固体发酵花生粕,产生以蛋
白酶为主的综合酶系后,加水至花生粕曲中,确定花
生粕曲的制作时间为36h。利用粕曲自身产生的蛋白酶
进行水解花生粕蛋白,确定水解温度为55℃,水解时
间为7h。将水解液按分子量进行分离后,冷冻干燥得
花生肽,本工艺具有成本低、废液少、易操作等优点。
3.2 分子量范围在小于3ku的花生肽,用量为0.5%
时促生长的效果最好,其生长曲线表明,活菌数比对
照组增加1个数量级,pH下降速度增加,对风味物质
如乙醛的生成也有一定的促进作用。
3.3 氨基酸测定结果表明,花生肽中氨基酸比例适
当,其中乳杆菌生长必需的氨基酸如天门冬氨酸、亮
氨酸、缬氨酸、异亮氨酸等含量较高,是促进增殖的
有效氮源补充物。
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