內生真菌擬莖點霉B3產漆酶分批發酵動力學

周 駿，梅艷珍，楊 騰，康 莉，戴志東，戴傳超,*

（1.南京師范大學生命科學學院，江蘇省微生物與功能基因組學重點實驗室，江蘇省微生物資源產業化工程技術研究中心，江蘇 南京 210023；2.尚德生物科技有限公司，江蘇 丹陽 212300）

內生真菌擬莖點霉B3產漆酶分批發酵動力學

周 駿1，梅艷珍1，楊 騰1，康 莉1，戴志東2，戴傳超1,*

（1.南京師范大學生命科學學院，江蘇省微生物與功能基因組學重點實驗室，江蘇省微生物資源產業化工程技術研究中心，江蘇 南京 210023；2.尚德生物科技有限公司，江蘇 丹陽 212300）

通過建立內生真菌擬莖點霉（Phomopsis liquidambari）B3產漆酶分批發酵動力學模型，發現B3菌漆酶生成與菌體生長呈現部分生長偶聯型。應用MATLAB軟件將實驗數據與符合B3菌菌體生長的Logistic模型、漆酶生成的Luedeking-Piret模型和基質消耗的Luedeking-Piret-Like模型進行非線性擬合，求得最優參數估計值和發酵動力學模型。分析動力學模型的擬合曲線，發現模型的曲線與實驗值能較好地擬合。驗證實驗表明模型計算值與實驗值的偏差大部分都低于10%，說明該動力學模型能很好地描述B3菌的實際發酵情況。

內生真菌；擬莖點霉；漆酶；分批發酵；動力學模型

漆酶（laccase，EC 1.10.3.2）屬于分布范圍廣泛的藍色多銅氧化酶家族[1]，它能夠催化許多不同的底物，比如酚類和苯胺類化合物[2-3]，其活性部位含有4 個銅離子，通過銅離子的協同作用氧化底物，并催化氧還原成水[4]。由于漆酶具有較高非特異性氧化能力、無需輔酶因子可直接利用氧作為電子受體等特點[5]，使其被廣泛應用于食品、紡織、造紙等許多工業生產領域[6]。例如在食品工業，漆酶可以用于食品工業廢水的生物修復、飲料（葡萄酒、啤酒和果汁）加工、抗壞血酸測定、甜菜果膠凝膠化、烘烤，以及作為生物傳感器改善食品感官參數等。漆酶可以在不需要高投入的情況下，提高生產率、改善食物產品的質量，并且具有技術溫和的優勢[7-8]。

前期研究發現內生真菌擬莖點霉B3有產漆酶的功能[9-11]。為了擴大發酵規模、獲得更大的漆酶產量，對這個重要的非線性生物過程建立發酵動力學模型成為必然。發酵動力學模型能夠對微生物過程進行預測和控制，非常有助于減少一個生物過程從經驗探討到擴大規模生產失敗的風險。因此，建立發酵動力學模型及對其進行實驗驗證通常作為離開實驗室進行試點擴大，轉變為商業生產之前的必要步驟[12]。

本實驗旨在研究B3菌發酵過程中菌體生長、漆酶生成和基質消耗的內在規律，建立B3菌發酵產漆酶的動力學模型，并評價該模型對B3菌發酵產漆酶的擬合度，為進一步放大實驗和工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 菌種

內生真菌擬莖點霉（Phomopsis liquidambari）B3為實驗室保藏菌株，分離自大戟科重陽木（Bischofia polycarpa）莖內皮[13]。

1.2 試劑與儀器

2,2’-連氮基-雙-（3-乙基苯并二氫噻唑啉-6-磺酸）（2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate)，ABTS） 西格瑪奧德里奇（上海）貿易有限公司；其他相關試劑均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

UV-6000分光光度計 上海元析儀器有限公司；AL104電子天平 梅特勒托利多儀器（上海）有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠；GZX-9030MBE電熱鼓風干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；QHZ-123B組合式全溫度振蕩培養箱 太倉市華美生化儀器廠；PB-10 pH計 賽多利斯科學儀器有限公司。

1.3 培養基

斜面培養基（PDA培養基，pH 7.0）：馬鈴薯提取物200 g/L、葡萄糖20 g/L、瓊脂20 g/L。

種子培養基（PDB培養基，pH 7.0）：馬鈴薯提取物200 g/L、葡萄糖20 g/L。

搖瓶發酵培養基（自然pH值）：NaNO33.0 g/L、K2HPO41.0 g/L、MgSO40.5 g/L、KCl 0.5 g/L、FeSO40.01 g/L、蔗糖2.0 g/L、CuSO4·5H2O 0.002 g/L、對羥基苯甲酸（C7H6O3）0.25 g/L。

1.4 方法

1.4.1 種子培養

將斜面培養基中保藏的B3菌接入種子培養基中活化，種子液在28 ℃、180 r/min的搖床中振蕩培養48 h。

1.4.2 發酵培養

從搖瓶培養的種子液中取5 mL接種到裝有100 mL發酵培養基的250 mL三角瓶中，在28 ℃、180 r/min的條件下進行發酵培養。

1.5 測定方法

每隔12 h進行損毀性取樣，真空抽濾發酵培養基，菌絲體用于生物量的測定，濾液用于漆酶的活性檢測和還原糖含量測定。所有發酵過程都進行3 個重復，測定結果以平均值表示。

1.5.1 生物量測定

干質量減量法：抽濾后的菌絲體，用烘箱100 ℃烘干至恒質量進行測定。

1.5.2 漆酶酶活力測定

5 mL反應混合物中包含1 mL粗酶液，測定5 mmol/L ABTS在0.2 mol/L磷酸鈉緩沖液（pH 5.5）中氧化1 min吸光度A420nm的變化。每分鐘氧化1 μmol ABTS所消耗的酶量定義為1個酶活力單位（U）。計算酶活力所用的摩爾消光系數ε為3.6×104L/（mol·cm）[14]。

1.5.3 蔗糖質量濃度測定

用蒽酮-硫酸法測定[15]。

2 結果與分析

2.1 內生真菌擬莖點霉B3發酵產漆酶曲線

圖1 內生真菌擬莖點霉B3發酵曲線Fig.1 Fermentation curves of Phomopsis liquidambari B3

在內生真菌擬莖點霉B3的發酵過程中，取樣測定其生物量、漆酶酶活力和蔗糖質量濃度，繪制其發酵曲線，如圖1所示。，菌體利用發酵培養基發酵產漆酶，經過短暫的延滯期之后，菌體進入指數生長階段，與此同時，漆酶開始產生，并且產量不斷增大。60 h之后，B3菌生長進入平穩期。在84 h左右，漆酶酶活力達到最高（86.4 U/mL），隨后開始下降。蔗糖質量濃度由最初的217.24 μg/mL下降到41.10 μg/mL，它的消耗主要用于菌體生長、代謝活動的維持和漆酶的生成，隨著菌體生長和漆酶產生而不斷減少。由此可以看出，漆酶的生成與B3菌的生長有著很強的線性關系，這種關系屬于部分生長偶聯型。

2.2 內生真菌擬莖點霉B3發酵動力學模型的建立

微生物過程的數學模型可以用兩種不同的機制表達：結構模型和非結構模型。結構模型會把細胞的結構、功能和成分這些基本的方面考慮進去。相反，非結構模型只用生物量來評價生物系統[16]。實驗發現非結構模型更便于從菌體生長、漆酶生成和基質消耗方面描述發酵過程的特征。

2.2.1 菌體生長動力學模型

通常用來描述菌體生長的非結構模型主要有Monod動力學模型、Logistic方程和Haldane模型[17]。我們先前的實驗數據顯示Monod動力學模型并不適用于B3菌的發酵過程，而Logistic方程則被廣泛地應用于單一基質的菌體生長模型，通過不依賴于基質濃度的S形曲線，簡單計算得到具有生物學和幾何意義的發酵動力學參數[18]。B3菌生物量達到最大值后會有一個極限，Logistic方程很好地描述了這樣的生長動力學：

式中：dX/dt為菌體的生長速率/（g/（L·h））；X為生物量/（g/L）；t為發酵時間/h；μm為菌體生長速率最大時的比生長速率（h-1）；Xm為最大生物量/（g/L）。

當t=0時，X=X0，對公式（1）積分，得到公式（2）：

式中：X0為初始生物量/（g/L）。

2.2.2 漆酶生成動力學模型

漆酶生成動力學建立在Luedeking-Piret方程的基礎上，該模型通常用來描述產物生成速率和細胞生長速率之間的關系[19]。產物的形成速率取決于線性方程中的即時生物量X和菌體生長速率dX/dt[20]，如公式（3）所示：

式中：dP/dt為產物漆酶的生成速率/（U/mL·h）；P為漆酶的酶活力/（U/mL）；α為生長相關常數，β為非生長相關常數。根據方程，微生物生長和產物生成之間的關系被分為3類：當α≠0、β=0時，產物生成同菌體生長偶聯；當α≠0、β≠0時，產物生成同菌體生長部分偶聯；當α=0、β≠0時，產物生成與菌體生長無關[21]。根據實驗結果和圖1顯示，漆酶的生成和B3菌的生長屬于部分偶聯型，對公式（3）積分，得到公式（4）：

2.2.3 基質消耗動力學模型

在B3菌發酵產漆酶過程中，基質蔗糖主要用于B3菌的生長、代謝產物的生成以及細胞正常代謝活動的維持。因此，基質消耗動力學可以由Luedeking-Piret-Like方程表示：

式中：dS/dt為基質蔗糖的消耗速率/（μg/（mL·h））；S為基質濃度/（μg/mL）；λ即1/YX/S，YX/S為菌體得率系數；γ即MS，為菌體細胞維持系數。對公式（5）積分得到公式（6）：

式中：S0為初始基質質量濃度/（μg/mL）。

2.3 發酵動力學模型參數求解

2.3.1 菌體生長動力學模型

利用最小二乘法調用MATLAB 7.13中的nlinfit函數迭代求解內生真菌擬莖點霉B3菌體生長動力學模型的相關參數值（表1），將測得的B3菌生物量實驗值與菌體生長動力學模型公式（2）非線性擬合，得到圖2。將μm=0.060 8、Xm=1.59、X0=0.355 4分別代入公式（1）、（2）得到公式（7）、（8）：

表1 內生真菌擬莖點霉B3發酵動力學模型參數估計值Table 1 Estimated parameters of the fermentation kinetic model of Phomopsis liquidambariB3

圖2 內生真菌擬莖點霉B3生長動力學模型與實驗值的擬合Fig.2 Growth kinetic model and experimental data fitting of Phomopsis liquidambari B3

由圖2可知，生長動力學模型與實驗值有較好的擬合。尤其是60 h之前，實驗值與模型曲線幾乎一致，在60 h后，菌體生長受到菌體濃度的抑制，B3菌的生長進入平穩期，所測生物量的實驗值出現微小的波動，與生長動力學模型曲線有所偏差。

2.3.2 漆酶生成動力學模型

利用最小二乘法調用MATLAB 7.13中的nlinfit函數迭代求解內生真菌擬莖點霉B3漆酶生成動力學模型的相關參數值（表1），將所測得的B3菌產漆酶酶活力實驗值與漆酶生成動力學模型公式（4）非線性擬合，得到圖3。將μm=0.060 8，Xm=1.59、X0=0.355 4、α= 25.352 5、β=0.271 0分別代入公式（3）、（4）得到公式（9）、（10）：

圖3 內生真菌擬莖點霉B3漆酶生成動力學模型與實驗值的擬合Fig.3 Kinetic model of laccase production and experimental data fitting of Phomopsis liquidambari B3

由圖3可知，漆酶生成動力學模型曲線與漆酶酶活力的實驗值擬合情況較好。在菌體生長進入穩定期之前，漆酶酶活力與模型曲線幾乎保持一致，當菌體生長受到抑制后，B3產漆酶的能力也受到影響，在84 h達到產漆酶最大值之后，B3菌產漆酶能力開始下降，末期的漆酶酶活力實驗值明顯低于模型計算值。

2.3.3 基質消耗動力學模型

利用最小二乘法調用MATLAB 7.13中的nlinfit函數迭代求解內生真菌擬莖點霉B3基質消耗動力學模型的相關參數值（表1），將測得發酵中的蔗糖含量實驗值與基質消耗動力學模型公式（6）非線性擬合，得到圖4。將μm=0.060 8、Xm=1.59、X0=0.355 4、λ=104.750 3、γ= -0.483 2、S0=240.518 8分別代入公式（5）、（6）得到公式（11）、（12）：

圖4 內生真菌擬莖點霉B3基質消耗動力學模型與實驗值的擬合Fig.4 Kinetic model of substrate consumption and experimental data fitting of Phomopsis liquidambari B3

由圖4可知，基質消耗動力學模型曲線很好地描述了蔗糖在發酵過程中的消耗情況，只是與發酵實驗末期的實驗值有所偏差，可能與菌體生長受到抑制以及產漆酶能力下降有關。

2.4 模型的驗證

為了驗證B3菌菌體生長、產物漆酶生成和基質蔗糖消耗動力學模型的可靠性，將通過模型求出來的計算值與表2中給出的另一批發酵實驗數據作比較。可以明顯看出，大部分實驗值與計算值之間的偏差都低于10%，生物量、漆酶酶活力和基質質量濃度的平均偏差分別為5.34%、7.91%和7.69%，這意味著這些模型能很好地描述B3發酵產漆酶的過程。

表2 內生真菌擬莖點霉B3發酵實驗值與模型計算值比較Table 2 Comparison between experimental values and model calculation of Phomopsis liquidambari B3

3 結 論

本實驗中B3的漆酶生成和菌體的生長屬于部分生長偶聯型，根據B3菌在發酵過程中所測得的菌體生長、漆酶生成和基質消耗的實驗數據，利用MATLAB軟件進行非線性擬合，建立發酵動力學的模型，可以表述為：菌體生長動力學模型：；漆酶生成動力學模型：+7.087 0ln（0.776 5+0.223 5e0.0608t）-9.010 3；基質消耗動力學模型：12.636 3ln（0.776 5+0.223 5e0.0608t）。

比較模型計算值與驗證實驗值，發現偏差大部分都低于10%，平均偏差分別為5.34%、7.91%和7.69%，說明該發酵動力學模型能很好地反映B3菌菌體生長、漆酶生成和基質消耗的變化規律，對于B3菌發酵產漆酶及其工業生產的放大具有參考價值。

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Kinetics of Laccase Production by Batch Fermentation of Endophytic Fungus Phomopsis liquidambari B3

ZHOU Jun1, MEI Yan-zhen1, YANG Teng1, KANG Li1, DAI Zhi-dong2, DAI Chuan-chao1,*
(1. Jiangsu Engineering and Technology Research Center for Industrialization of Microbial Resources, Jiangsu Key Laboratory for Microbes and Functional Genomics, College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2. Shangde Biotechnology Company, Danyang 212300, China)

The aim of this study was to establish a kinetic model of laccase production by batch fermentation of the endophytic fungus Phomopsis liquidambari B3. The experimental results showed that the production of laccase was partially associated with the growth of P. liquidambari B3. The experimental data were nonlinearly fitted to the Logistic equation describing cell growth, the Luedeking-Piret equation indicating laccase production and the Luedeking-Piret-Like equation revealing substrate consumption using MATLAB software, and the optimal parameters and the fermentation kinetic model were established. Validation experiments revealed the errors between the calculated and experimental values were less than 10%, indicating that the kinetic model can describe the actual fermentation process of P. liquidambari B3.

endophytic fungus; Phomopsis liquidambari B3; laccase; batch fermentation; kinetic model

Q815

A

1002-6630（2014）15-0183-05

10.7506/spkx1002-6630-201415037

2013-07-29

江蘇省社會發展項目（BE2010708）；江蘇省高校科研成果產業化推進工程項目（JHB2012-16）；

南京市科委工程中心創新能力提升項目（201105058）

周駿（1990—），男，碩士研究生，研究方向為微生物生態與環境工程。E-mail：raul1990713@163.com

*通信作者：戴傳超（1970—），男，教授，博士，研究方向為植物圈微生物資源與生態功能。E-mail：daichuanchao@njnu.edu.cn