黑曲霉ATCC16404固體發酵豆皮產生木聚糖酶的研究

李愛軍，蔣文明，歐仕益，孫遠明

(1.暨南大學理工學院食品科學系，廣東廣州510632;2.華南農業大學食品學院，廣東廣州510642)

黑曲霉ATCC16404固體發酵豆皮產生木聚糖酶的研究

李愛軍1，2，蔣文明1，*，歐仕益1，孫遠明2

(1.暨南大學理工學院食品科學系，廣東廣州510632;2.華南農業大學食品學院，廣東廣州510642)

以豆皮為原料，用黑曲霉ATCC16404固體發酵產木聚糖酶，采用DNS測定酶活，研究了最佳產酶培養基配比，優化產酶最佳條件。單因素實驗結果表明，最佳培養基配方為:以硫酸銨為氮源，礦質元素添加硫酸鎂，添加量均為2%(w/w以豆皮干重計)，豆皮顆粒大小為25～50目，不外加碳源，不加表面活性劑。選擇料液比、初始pH、培養時間、接重量優化產酶條件，正交實驗結果表明，最佳產酶條件為:料液比1∶1.00(w/v)、初始pH5.5，培養時間3d，1.0×107/mL濃度孢子懸浮液接種0.3mL/10g，在此條件下酶活為366.29U/g。

黑曲霉，豆皮，木聚糖酶，固體發酵

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(PDA) 青島高科園海博生物科技有限公司;黑曲霉(ATCC164O4) 美國標準菌種保藏中心;豆皮 中糧新沙糧油工業(東莞)有限公司;玉米淀粉、小麥淀粉、酵母膏、蛋白胨、司盤、PEG(聚乙二醇)、PPG(聚丙二醇)、3、5－二硝基水楊酸

生化試劑;蔗糖、葡萄糖、甘油、CO(NH2)2、NH4Cl、NaNO3、(NH4)2PO4、KH2PO4、K2HPO4、MgSO4· 7H2O、MgCl2、CaCl2均為分析純;木聚糖、木糖Sigma。

電子秤，分析天平，培養箱，超凈工作臺，顯微鏡，pH計，滅菌鍋，冰箱，移液器，恒溫水浴鍋，鼓風干燥箱，分光光度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準曲線的制作 以木糖濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標做標準曲線(每重配一次DNS，重做一條標準曲線)。

1.2.2 酶活測定

1.2.2.1 粗酶液制備 取1.50g發酵豆皮加入45mL檸檬酸－氫氧化鈉緩沖溶液，磁力攪拌器上攪拌30min，靜置過夜后紗布過濾除去豆皮，抽濾得到粗酶液。

1.2.2.2 木聚糖酶酶活測定 酶活定義:在50℃、pH4.8條件下，每分鐘分解底物釋放出1μmol還原糖(以木糖計)所需要的木聚糖酶量為一個活力單位［15］。

樣品測定:取0.1mL適宜稀釋度的酶液加入0.1mL木聚糖底物，加緩沖溶液至1.5mL，50℃反應30min，迅速冷卻后加入2mL DNS溶液［16］，沸水浴5min后用自來水冷卻，定容至10mL，在540nm波長處測定吸光度。

空白對照:取0.1mL木聚糖底物與1.3mL緩沖溶液，50℃反應30min，冷水冷卻，加入2mL DNS溶液充分混合后加入0.1mL酶液，沸水浴5min后蒸餾水定容于10mL，在540nm處測定吸光度。

酶活計算公式［17］:

酶活力(U/g)=W×D×1000/150.2×30(min) ×0.1mL

式中:W為酶解反應產生的木糖的質量(mg);D為稀釋度(mL/g);1000為mmol轉化為μmol的系數;150.2為木糖摩爾質量(g/mol)。

1.2.3 發酵培養

1.2.3.1 培養基組成的優化 稱取10.00g豆皮加入10mL培養液，滅菌后接種黑曲霉ATCC16404，37℃培養3d?？疾焯荚?、氮源、礦質元素、豆皮顆粒大小、表面活性劑對產酶酶活的影響。

1.2.3.2 培養條件的優化 在最優培養基的基礎上考察時間、初始pH、接種量、料液比對產酶條件的影響，再在此基礎上選擇合適的培養條件做正交實驗。

2 結果與討論

2.1 培養基優化

2.1.1 碳源的選擇 考慮到黑曲霉在培養基中生長較慢，培養基中加入2%碳源，使黑曲霉在培養初期快速生長。實驗中加入蔗糖、葡萄糖、玉米淀粉、小麥淀粉與不外加碳源進行比較，結果見圖1。

實驗中發現在培養2d和3d時豆皮培養基中黑曲霉的生長情況無明顯區別，所以黑曲霉比較適合在豆皮培養基中生長。由圖1得知，不外加碳源實驗組與加玉米淀粉實驗組得到的酶活差別比較小，可能是由于黑曲霉對玉米淀粉利用率低，而對葡萄糖的利用比較好，在加入葡萄糖后黑曲霉對半纖維素的利用率降低，所以在培養基中不加入其他碳源。2.1.2 氮源的選擇 豆皮中含有12%左右的粗蛋白［18－19］，考慮到黑曲霉對其的利用情況，在培養基中分別入2%的酵母膏、CO(NH2)2、蛋白胨、NH4Cl、NaNO3、(NH4)2SO4與不外加氮源進行比較，選擇合適的氮源，結果見圖2。

圖1 不同碳源對酶活的影響

圖2 不同氮源對酶活的影響

由圖2得知，加入其它氮源后木聚糖酶酶活升高。相對于有機氮源，黑曲霉更適合于利用無機氮源，可能黑曲霉在利用大分子有機氮時要經過分解，而無機小分子氮源可直接被吸收利用。NH4Cl與NaNO3對酶活的影響較小，可能是由于該菌種對其利用率較低。黑曲霉較適宜利用 CO(NH2)2和(NH4)2SO4，由圖2比較選擇(NH4)2SO4作為氮源。2.1.3 礦質元素的選擇 在培養基中分別加入2%的KH2PO4、K2HPO4、MgSO4·7H2O、MgCl2、CaCl2與不加礦質元素進行比較并比較不同礦質元素對產酶的影響，結果見圖3。

圖3 不同礦物元素對酶活的影響

由圖3比較得知，在礦質元素添加量2%水平時，加入MgSO4·7H2O實驗組產生酶的酶活最高，所以選擇在培養基中加入MgSO4·7H2O。KH2PO4與CaCl2添加組的酶活都比對照實驗組低，可能是由于2%的添加量對于該菌種濃度過高從而抑制產酶。

2.1.4 豆皮顆粒大小的選擇 豆皮顆粒大小對黑曲霉發酵有重要影響，黑曲霉為需氧微生物，顆粒較小時，培養基透氣性降低，并且加入水后進一步降低透氣性。顆粒過大使得黑曲霉與豆皮的接觸面積變小，增加了黑曲霉分解豆皮的難度。實驗中選擇大于50目、25～50目、10～25目、小于10目、與未經過篩選處理的豆皮5種不同顆粒大小的豆皮進行實驗對比，結果見圖4。

圖4 豆皮顆粒大小對酶活的影響

由圖4可知，豆皮顆粒大小在25～50目之間所產生木聚糖酶酶活最高，選擇其作為培養基原料。

2.1.5 表面活性劑的選擇 添加表面活性劑，可以增強細胞膜的通透性和加強酶的運輸，能不同程度地提高酶活［20］。實驗中分別加入2%的聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、司盤60與不加表面活性劑實驗組進行比較，結果見圖5。

圖5 不同表面活性劑對酶活的影響

圖5表明，添加PEG實驗組酶活性比不加表面活性劑實驗組酶活性略有增加，但并不顯著，所以在培養基中不加入表面活性劑。

2.2 培養條件的選擇

2.2.1 料液比對產酶酶活的影響 水分低不能滿足黑曲霉生長與產酶的需要，水分含量太高則會使得培養基基質粘連，透氣性降低，也不利于黑曲霉的生長。實驗以10g豆皮為原料，選擇1∶0.50、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50料液比進行比較，實驗結果見圖6。

圖6 料液比對酶活的影響

由圖6得知，在料液比為1∶1.00時酶活性最高，水分過高或太低都會影響酶活性，經比較選擇料液比1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25三個水平做正交實驗。

2.2.2 培養時間對產酶酶活性的影響 實驗選擇2、3、4、5、6d培養時間，測定木聚糖酶酶活性，實驗結果見圖7。

圖7 培養時間對酶活的影響

黑曲霉在培養2d時已經長滿培養基，但酶活性相對較低。由圖7分析得木聚糖酶酶活在培養5d時達到最大值，3d后酶活性增高并不顯著，可能由于代謝產物增加到一定量抑制了黑曲霉產生木聚糖酶。

2.2.3 初始pH對產酶酶活性的影響 pH對微生物生長繁殖影響很大，主要是影響細胞膜的電荷從而影響微生物對營養物質的吸收，另一方面是影響代謝過程中酶的活性從而影響微生物的生命活動［21］。實驗選擇初始pH分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5進行培養，測黑曲霉產酶酶活，結果見圖8。

圖8 初始pH對酶活的影響

由圖8得知，pH過高或過低對黑曲霉發酵產木聚糖酶酶活性影響比較大。在pH5.5時產生的木聚糖酶活性最高，選擇其作為培養基的pH。

2.2.4 接種量對產酶酶活性的影響 接種量會影響酶活性，接種量少時，生長較慢，酶活也較低;接種量多時，酶活也不高，菌體生長過快，培養基中的營養主要被菌體用于自身的生長［8，22］，并且曲溫升高，不利于產酶［8］。實驗中配制1.0×107/mL的孢子懸浮液，10g豆皮中接種量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL，結果見圖9。

由圖9得知，孢子接種量為0.3mL時酶活達到最高。接種量在0.1、0.5mL時酶活比較低，在接種量為0.1mL時，可能由于菌種接種量過少，在發酵時間為3d時培養基中葡萄糖被利用盡。在接種量為0.5mL時，由于發酵初期菌種生長過快，可能導致發酵期間產熱過多而影響了產酶活動。因此選擇0.2、0.3、0.4mL作為正交實驗的因素水平。

圖9 接種量對酶活的影響

2.3 正交實驗

由培養條件單因素實驗選擇合適的單因素進行正交實驗設計(見表1)，正交實驗結果見表2。由于正交實驗與單因素實驗使用了同一菌種的不同培養批次，使得正交實驗中所測定的酶活整體偏低一些。由正交實驗結果得知各個實驗因素中木聚糖酶酶活的變化趨勢與單因素中基本一致。由極差分析得料液比對產酶影響比較大，其次為培養時間與初始pH，接種量的影響相對較小。在正交實驗設計范圍內，表觀分析可知，最佳產酶條件為料液比1∶1.00、初始pH為5.5、培養時間為4d、濃度為1.0×107/mL孢子懸浮液接種量為0.2mL/10g。

表1 正交設計因素與水平表

表2 正交實驗結果

2.4 驗證實驗

正交實驗極差分析結果表明A2B2C3D2為最優工藝組合，而正交結果顯示，C因素中4d相比較3d酶活變化很小，并且考慮到培養時間過長會增加工藝生產成本和產品中的孢子量，所以取C2水平時的A2B2C2D2組合，與表觀最佳工藝組合(正交實驗中的5號)相比較。結果見表3。

表3 驗證實驗結果

經驗證實驗 A2B2C2D2組合時測得酶活為366.29U/g。與表觀最佳工藝組合相比較略低，可能是由于某些單因素之間存在一定的相互作用，使得最佳工藝組合的酶活不是很高。接種量在0.2mL/10g時，通過延長發酵時間同樣可以提高酶活。由于兩個組合的酶活相差很小，并且考慮到發酵時間延長會增加生產成本，所以選擇A2B2C2D2組合為最佳工藝條件。

3 結論

通過優化培養基，選擇(NH4)2SO4作為氮源，MgSO4·7H2O作為礦質元素添加，選擇25～50目顆粒大小的豆皮作為發酵原料，不外加碳源，不加表面活性劑。相對于大分子碳源和氮源，黑曲霉(ATCC164O4)更容易利用小分子碳源和氮源，添加葡萄糖可以加快黑曲霉生長，但延緩黑曲霉產木聚糖酶生長。豆皮顆粒大小與料液比對黑曲霉產酶影響比較大，黑曲霉(ATCC164O4)適于在酸性pH條件下生長。實驗選擇料液比、培養時間、初始pH、接種量對產酶條件進行優化，結果表明，在產木聚糖酶影響上各因素之間存在相互作用，經驗證實驗進一步驗證表明，最佳產酶條件為料液比1∶1.00、初始pH5.5，培養時間3d，1.0×107/mL孢子濃度的菌液接種0.3mL/10g，在此條件下酶活為366.29U/g。

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Xylanase production by Aspergillus niger ATCC16404 in solid－state fermentation of soybean hull

LI Ai－jun1，2，JIANG Wen－ming1，*，OU Shi－yi1，SUN Yuan－ming2
(1.Food Science Department，College of Science and Technology，Jinan University，Guangzhou 510632，China; 2.College of Food Science，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

Components of incubation media and followed by the best conditions for enzyme production were optimized in solid－state fermentation of soybean hull by Aspergillus niger ATCC16404 to produce xylanase，whose activity was determined by DNS.Results of single factor experiments showed that the optimum components of incubation media contain ammonium sulfate and magnesium sulfate used as nitrogen source and mineral element，with 2%addition based on the weight of 25～50 mesh dry soybean hull，and without additional carbon source and surfactant.Solid－to－liquid ratios，initial pH，incubation time，inoculum size were selected to optimize the condition of enzyme production.Orthogonal experiment showed the highest xylanase activity was 366.29U/g at the optimum fermentation conditions of solid－to－liquid ratio 1∶1.00，initial pH 5.5，3d incubation，0.3mL/10 g spore suspension of 1.0×107/mL concentration.

Aspergillus niger;soybean hull;xylanase;solid－state fermentation

TS201.3

A

1002－0306(2011)12－0261－05

豆皮為大豆加工副產物，大豆皮約占整粒大豆總重的8%，2009年我國大豆進口量為4255萬t，國內產量1450萬t，所以每年都有很多豆皮產生。豆皮在很多方面都有應用:從豆皮中提取納米纖維素可作為強化纖維用于生物復合材料中［1］;豆皮中提取的果膠［2－3］，半乳糖醛酸含量最高達88.3%，而且不同干燥方式(冷凍干燥、冷凍干燥、真空干燥)對豆皮果膠溶解性和流動性沒有顯著破壞作用［4］;高里假絲酵母發酵豆皮水解物產乙醇效果較好［5］;豆皮可以不經前處理，由啤酒酵母直接發酵生產乙醇，還能夠保留原有蛋白質價值［6］;Khushal Brijwani等［7］利用里氏木霉和米曲霉混合菌固體發酵攙雜麥麩的豆皮生產纖維素酶系;實驗表明，相對酸前處理，該酶系對堿前處理原料的糖化效果較好。目前國內主要利用玉米芯、麩皮等作為產生木聚糖酶的原料［8－10］。木聚糖酶廣泛用于面包、飲料、紡織、造紙、廢水處理［11－12］等方面，以及作為動物飼料添加劑［13－14］。本研究利用黑曲霉發酵產生木聚糖酶，旨在為木聚糖酶制劑的研制與豆皮深加工利用提供參考。

2010－10－25 *通訊聯系人

李愛軍(1966－)，男，博士，副教授，研究方向:農產品深加工與利用。

廣東高?？萍汲晒a業化重大項目(cgzhzd0709)。