響應面法優化黑曲霉HQ-1產β-葡萄糖苷酶的固體發酵條件

張輝，張文會，孫中強

（聊城大學生命科學學院，山東聊城252059）

纖維素酶是降解纖維素β-1，4 糖苷鍵，使纖維素轉變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶的總稱。該酶系由內切葡聚糖酶（1，4-β-D-glucan glucanohydrolase 或endo-1，4-β-D-glucanase，EC3.2.1.4），外切葡聚糖纖維二糖水解酶（1，4-β-D-glucancellobilhydrolase 或exo-1，4-β-D-glucannase，EC3.2.1.91）和β-葡萄糖苷酶（β-1，4-glucosidase，EC3.2.1.21）三種主要成分組成[1]。纖維素酶的應用極其廣泛，如能源、飼料、食品、紡織、造紙等諸多方面[2]。目前纖維素酶產生菌多為絲狀真菌，主要包括木霉屬（Trichoderma），曲霉屬（Aspergillus），青霉屬（Penicillium）和鐮刀菌屬（Fusarium）。其中，應用最廣的以木霉屬（Trichoderma）居多[3]。雖然該類菌能產生高活性的內切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶，但β-葡萄糖苷酶的產量較低。因此，在纖維素被水解的過程中，由于β-葡萄糖苷酶的量不足造成纖維二糖過量積累，進而對酶的催化形成反饋抑制，造成纖維素水解效率不高[4]。因此，提高纖維素酶系中β-葡萄糖苷酶的活力是提高纖維素酶的水解效率和葡萄糖得率的重要途徑。黑曲霉是公認的安全菌株，也是產纖維素酶尤其是β-葡萄糖苷酶的高產菌株之一。

響應面法（Response surface methodology，RSM）是利用統計學技術，通過綜合試驗設計和分析數據，建立多元二次回歸方程，可快速有效地對影響產量的各因素水平及其交互作用進行優化和評價[5-7]，已被廣泛應用于各種生化反應、發酵條件優化以及模型的建立。

目前，國內外雖有關于優化黑曲霉產β-葡萄糖苷酶發酵條件的報道，但主要側重于液體發酵，優化方法多為單因素試驗和正交試驗，而對固體發酵條件的優化，尤其是利用響應面法進行優化的研究相對較少。因此，本工作以一株黑曲霉（Aspergillus niger）HQ-1 為出發菌株，利用響應面法對其產β-葡萄糖苷酶的固體發酵條件進行優化，并與相關研究進行了比較，旨在為高產β-葡萄糖苷酶菌株的開發和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 菌種與培養基

黑曲霉（Aspergillus niger）HQ-1，由本微生物實驗室從腐爛的廢紙中分離并保藏。

斜面培養基：馬鈴薯葡萄糖培養基（PDA 培養基）；種子培養基（g/L）：葡萄糖15.0、酵母膏4.0、K2HPO42.0、MgSO4·7H2O 1.0、起始pH6.0；固體產酶培養基（500 mL 搖瓶盛放）：麥麩10.0 g、（NH4）2SO41.2 g、KH2PO41.2 g、MgSO4·7H2O 0.6 g、含水量60%、起始pH7.0。

1.2 方法

1.2.1 培養方法

取用PDA 斜面在28 ℃下培養7 d 后菌株，將滅菌的體積分數為0.02%Tween80 溶液加入斜面，制取濃度為5×106個/mL 的孢子液。取2.5mL 孢子液接入50mL種子培養基（用250 mL 搖瓶盛放），28 ℃，180 r/min 培養24 h 后得種子液，再將種子液以10%接種量接入固體產酶培養基（500 mL 搖瓶盛放），28 ℃培養96 h。

1.2.2 粗酶液的制備

稱取5.0 g 發酵培養物，加入100 mL 醋酸緩沖液（50 mmol/L，pH6.0），180 r/min 振蕩1 h 后過濾，取10 mL 濾液在10 000 r/min 下離心15min 后，取上清液即為粗酶液。

1.2.3 酶比活力測定

在試管中加入0.8 mL 的2 mmol/L 對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷溶液（pNPG），然后加入1.0 mL 醋酸緩沖液（50 mmol/L，pH5.0），再加入0.2 mL 粗酶液后，在50 ℃水浴中反應10 min，再加入5.0 mL 的1 mol/L Na2CO3溶液終止反應，于405 nm 波長處測吸光度，以不加底物而加等量蒸餾水為對照。

酶活力單位定義：1 秒鐘水解對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）生成1 mol 對硝基苯酚所需的酶量為1 個活力單位（kat）。酶比活力用1 g 干重的發酵培養物所含的酶活力單位（μkat/g）表示。

1.3 試驗設計

1.3.1 碳源和氮源的種類及含量對菌株產酶的影響

分別用麥稈粉、玉米秸稈粉、麥麩、不同比例的玉米秸稈粉/麥麩以及麥稈粉/麥麩為碳源，確定產酶的最適碳源后，分別添加不同量碳源，進一步確定碳源的最適含量。分別用（NH4）2SO4，NH4Cl，KNO3，尿素，酵母膏，蛋白胨為氮源，確定最適氮源后，再設定不同的氮源加入量培養并測定酶比活力，確定最適氮源含量。

1.3.2 Plackett-Burman 設計（Plackett-Burman design，PBD）

選 取 玉 米 秸 稈 粉，麥 麩，（NH4）2SO4，KH2PO4，MgSO4·7H2O，含水量，培養溫度和起始pH 進行考察，選擇高低兩個水平，通過Minitab14 軟件選用Factors=8，Runs=12 的Plackett-Burman 設計，以β-葡萄糖苷酶比活力作為響應值（設為Y）。通過比較各因素的顯著性水平，篩選出對β-葡萄糖苷酶比活力影響較為顯著的因素。

1.3.3 最陡爬坡試驗

響應面擬合方程只有在考察的緊接鄰域中才充分近似真實情形，要先逼近最大響應區域后，才能建立有效的響應面擬合方程[8]。最陡爬坡試驗以響應值變化的梯度方向為爬坡方向，根據各顯著因素效應值的大小確定變化步長，能快速、經濟地逼近最大響應區域。

1.3.4 Box-Behnken 設計（Box-Behnken design，BBD）

用Box-Behnken 設計進行響應面試驗，通過試驗數據擬合響應面模型，得到二次多項式，并最終確定最佳發酵條件。二次多項式為描述響應量（應變量）和自變量關系的經驗模型。對于3 因子系統，模型可描述為：

式中：Y 為預測響應值，X1、X2和X3為獨立變量編碼值；β0為截距，β1、β2和β3為線性系數；β11、β22和β33為平方系數；β12、β13和β23為交互作用系數。采用Minitab14軟件和SASV8 軟件對試驗數據和模型進行分析。

2 結果與分析

2.1 碳源和氮源對產酶的影響

不同碳源和最適碳源的加入量對該菌產酶的影響分別見圖1a 和圖1b，結果表明，最適碳源為玉米秸稈粉/麥麩（1/1）。以玉米秸稈粉/麥麩（1/1）為碳源，最適添加量為12.0 g。玉米秸稈粉富含纖維素，是良好的誘導物和碳源。麥麩作為一種農業副產物，不僅含有纖維素，而且還含有淀粉、蛋白質及多種礦物質，可為菌株提供充足的營養成分[9]。不同氮源及最適氮源的加入量對產酶的影響見圖2，結果表明，以12.0 g 的玉米秸稈粉/麥麩（1/1）作為碳源時，（NH4）2SO4為產酶的最適氮源，其最適含量為1.5 g。這是由于無機氮源中NH4+能被菌株直接利用，從而有利于菌體生長和產酶。

2.2 Plackett-Burman 設計

選用Factors=8，Runs=12 的Plackett-Burman 設計，設計及結果見表1，各因素代碼、水平及回歸分析見表2。

表1 Plackett-Burman 設計及結果Table 1 Design and results of Plackett-Burman Design

回歸分析采用置信度為95%，P＜0.05 時表示影響顯著，P＜0.01 時表示影響極為顯著。各因素回歸分析結果（表2）表明，含水量（P=0.003）、培養溫度（P=0.014）和起始pH（P=0.026）對酶比活力的影響較顯著，可作為主要影響因素進行最陡爬坡試驗和響應面試驗。由于其他因素的效應均為正效應，并根據單因素試驗結果（圖1b，圖2b），在以后的試驗中，玉米秸稈粉、麥麩、（NH4）2SO4，KH2PO4和MgSO4·7H2O 的加入量分別取6.0 g，6.0 g，1.5 g，1.6 g 和0.8 g。

2.3 最陡爬坡試驗

含水量和培養溫度呈顯著正效應，應增加；起始pH 呈顯著負效應，應減小。試驗設計及各組酶比活力見表3，結果表明，β-葡萄糖苷酶比活力在第3 組達到最大值（8.095 μkat/g），因此，以第3 組作為響應面試驗的中心點。

表2 Plackett-Burman 設計中因素代碼/水平以及分析Table 2 Codes and levels of factors in Plackett-Burman design and estimate effects of factors on β-glucosidase specific activity

表3 最陡爬坡試驗設計及結果Table 3 Design and results of the method of steepest ascent

2.4 Box-Behnken 設計及分析結果

以β-葡萄糖苷酶比活力為響應值（設為Y），采用Factors=3，Runs=15 的Box-Behnken 設計進行優化試驗。各因素編碼、水平及結果見表4。

表4 Box-Behnken 設計的因素編碼、水平及結果Table 4 Codes and levels of factors and results of Box-Behnken design

通過對數據進行二次多元回歸擬合，得到二次多項式方程：

通過Minitab14 軟件對試驗數據和模型進行分析，采用置信度為95%、α=0.05，結果見表5。

可以看出，一次項、二次項對酶比活力影響顯著，交互作用影響不顯著。回歸模型極為顯著（P=0.000），失擬項不顯著（P=0.107），說明模型與試驗擬合良好。方程的決定系數R2為98.7%，表明僅有1.3%的差異不能被該方程解釋。校正后的R2（Adj-R2）為96.4%，進一步說明該模型擬合程度良好。

依據回歸方程，利用SASV8 軟件繪出等高線圖，結果見圖3。通過SASV8 軟件對方程式進行求導，得到含水量為73.4%（x1=-0.15849），培養溫度為33.7 ℃（x2=-0.25931）和起始pH3.91（x3=-0.18811）時，β-葡萄糖苷酶比活力（Y）預測最大值為8.260 μkat/g。

表5 二次多項式模型的方差分析結果Table 5 Analysis of variance(ANOVA)for the fitted quadratic polynomial model

2.5 模型驗證

單因素試驗、Plackett-Burman 設計、最陡爬坡試驗和Box-Behnken 設計的結果表明，優化后的發酵條件為：玉米秸稈粉6.0 g、麥麩6.0 g、（NH4）2SO41.5 g、KH2PO41.6 g、MgSO4·7H2O 0.8 g、含水量73.4 %、起始pH3.91、培養溫度33.7 ℃；而未優化的發酵條件為：麥麩10.0 g、（NH4）2SO41.2 g、KH2PO41.2 g、MgSO4·7H2O 0.6 g、含水量60%、起始pH7.0、培養溫度28 ℃。因此，將菌株分別在未優化和優化后的培養條件下進行產酶試驗并進行比較，結果見表6。

表6 未優化和優化后黑曲霉（A.niger）HQ-1 的產酶歷程Table 6 Time courses of enzyme production by A.niger HQ-1 under optimized conditions and unoptimized conditions

可以看出，培養96 h 后，優化后的酶比活力最高為8.244 μkat/g，比未優化的酶比活力最高值（1.700 μkat/g）提高了3.85 倍，并與方程預測值（8.260 μkat/g）較為接近。

3 討論

和液體發酵相比，固體發酵具有成本低、產物濃度高、能耗少、所產發酵產物可直接作為酶的來源等優點以及能夠克服液體發酵環境抑制微生物代謝的缺點。另外，本工作還采用廉價的玉米秸稈粉和麥麩作為誘導物和碳源，進一步降低了產酶成本。

本研究以對硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（pNPG）為底物測定β-葡萄糖苷酶比活力，該方法是國內外常用的一種測定方法。經優化后，黑曲霉（A.niger）HQ-1 所產β-葡萄糖苷酶比活力最高為8.244 μkat/g，經換算后，高于國內外的相關報道，如Melanocarpus sp.MTCC 3922 的酶比活力為1.817 μkat/g[10]，嗜熱子囊菌（Thermoascus aurantiacus）CBMAI-756 的酶比活力為1.167μkat/g[11]，嗜熱子囊菌（Thermoascusaurantiacus）IMI 216529 的酶比活力為1.693 μkat/g[12]，土曲霉（Aspergillus terreus）M11 的酶比活力為2.133 μkat/g[13]，黑曲霉（Aspergillusniger）KK2 的酶比活力為1.667μkat/g[14]和煙曲霉（Aspergillus fumigatus Fresenius）的酶比活力為7.833 μkat/g[15]。

該菌株固體發酵產β-葡萄糖苷酶能力較強，因此，在以后的研究中，擬對該菌株所產β-葡萄糖苷酶進行分離純化，探討其酶學性質，以及對該酶編碼基因進行克隆、序列分析及質粒轉化以獲得高效表達的工程菌。

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