響應面法優化重組畢赤酵母菌表達β甘露聚糖酶的誘導條件

李慧玲 劉祖艷 趙敏

摘要 [目的]對重組畢赤酵母菌表達β甘露聚糖酶的誘導條件進行優化。[方法]以重組畢赤酵母GS115為研究對象，通過單因素試驗確定最佳產酶條件，并采用響應面試驗確定3個因素的最佳水平。[結果]最佳產酶條件為：培養溫度28 ℃，培養pH 6.5，搖床轉速210 r/min，培養基裝液量100 ml。響應面試驗確定3個因素即裝液量、甲醇添加量和pH最佳值分別為103.18 ml、1.77%和6.69；在此條件下，β甘露聚糖酶的活力最大值為4 917.5 U/ml。[結論]驗證試驗證明模型預測值準確、可靠，為重組畢赤酵母菌的合理開發利用提供了依據。

關鍵詞 重組畢赤酵母；β甘露聚糖酶；響應面

中圖分類號 S182 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）11-03153-03

Abstract [Objective] To optimize the induction conditions of the recombinant Pichia pastoris βmannanase. [Method] With recombinant Pichia pastoris GS115 as study object， the optimal enzyme producing conditions and three factors optimal level were determined by single factor experiment and response surface experiment respectively. [Result] The optimum enzyme producing conditions are： temperature 28 ℃， pH 6.5， rotating speed 210 r/min， volume of medium 100 ml. Response surface methodology was used to optimize the above three factors（volume of medium， methanol concentration， pH of medium）with the optimum value 103.18 ml， 1.77%， 6.69， respectively. The βmannanase activity would reach the highest value（4 917.5 U/ml） under the optimized fermentation conditions. [Conclusion] The predicted values from the response surface methodology were proved to be correct and reliable by verification test， which will provide a reference for appropriate utilization and development of recombinant Pichia pastoris.

Key words Recombinant Pichia pastoris； βmannanase； Response surface methodology

β1，4D甘露聚糖酶（β1，4Dmannan mannanohydrolase，EC 3.2.l.78），簡稱為β甘露聚糖酶（βmannanase）屬于半纖維素酶類，可以斷裂β1，4D甘露糖苷鍵[12]。β甘露聚糖酶廣泛應用于紙漿、飼料和鉆井等生產領域[3-6]。

β甘露聚糖酶存在于細菌、酵母菌、絲狀真菌和植物中[6]。來自于細菌的β甘露聚糖酶已被分離得到，如Bacillus subtilis WY34、Cellulosimicrobium sp.strain HY13、Sphingomonas strain等[7-9]。克隆細菌的β甘露聚糖酶并且高效異源表達有助于滿足工業生產的需求。甲醇營養型畢赤酵母成功作為高水平表達異源蛋白的表達系統[10-11]。

筆者為了使構建的重組畢赤酵母表達β甘露聚糖酶潛力充分發揮出來，優化其發酵過程，以獲得較高的產物濃度。研究選用裝液量、甲醇添加量和pH值3個關鍵因素為自變量，以重組β甘露聚糖酶的酶活力為響應值，利用響應面法（response surface methodology，RSM）進行發酵條件優化并確定最佳方案，以期為重組畢赤酵母的進一步開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試菌株。分泌表達β甘露聚糖酶的重組畢赤酵母菌Man12，由東北林業大學微生物與免疫實驗室保存。

1.1.2 主要試劑。培養基的配制方法參見Invitrogen公司《畢赤酵母操作手冊》。

1.2 方法

1.2.1 菌株的誘導表達。取-80 ℃冰箱保存的甘油菌接種于YPD培養基中，劃線活化，28 ℃倒置培養。挑取菌株接種至BMGY培養基中培養16～18 h至OD600=2～6，離心收集菌體，用BMMY重懸菌體，使OD600=1.0左右；取菌液繼續震蕩培養，每隔24 h加入無水甲醇誘導，誘導72 h，測定酶活性。

1.2.2 粗酶液的制備。取誘導表達Man12菌株培養液，離心后上清液即為粗酶液。

1.2.3 重組β甘露聚糖酶活力測定方法。采用改進的3，5-二硝基水楊酸法（DNS方法）測定酶活力[12]，利用比色法測定酶解后還原產物的生成量，以表示酶的活力。酶活力定義：在一定溫度和pH下，以每分鐘生成相當于1 μmol D甘露糖所需酶量為一個酶活力單位（IU）。

1.2.4 培養溫度對重組畢赤酵母產酶的影響。重組畢赤酵母菌分別在24、26、28、30和32 ℃條件下培養，以確定最佳培養溫度。

1.2.5 甲醇濃度對重組畢赤酵母產酶的影響。在BMGY培養基中分別添加濃度為0.25%、0.50%、1.00%、1.50%、2.00%和2.50%的甲醇，誘導培養72 h后測定酶的活力，以確定甲醇的最佳添加量。

1.2.6 不同pH值對重組畢赤酵母產酶的影響。通過添加0.1 mol/L的磷酸鉀緩沖液使培養基的pH值分別達到3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的培養基，經甲醇誘導表達72 h后測定酶的活力，以獲得發酵培養最佳pH值。

1.2.7 搖床轉速對重組畢赤酵母產酶的影響。重組畢赤酵母菌搖床培養時轉速分別設定為180、190、200、210、220和230 r/min，進行培養。

1.2.8 培養基裝液量對重組畢赤酵母產酶的影響。分別將50、70、100、110、120和130 ml經BMMY重懸的菌液裝入500 ml三角瓶中培養，測定酶活，獲得最佳裝液量。

1.2.9 響應面優化發酵條件。利用DesignExpert軟件進行裝液量、甲醇添加量和培養基pH3個條件的響應面分析，以β-甘露聚糖酶酶活力為響應值。

隨著裝液量和pH的增加，酶活變化是先升高后降低。方差分析表明，裝液量和pH交互作用不顯著（P>0.05）。圖7表明，甲醇加入量是1.5%時，隨著裝液量的增加，酶活逐漸降低，因為搖瓶培養時，液體過多，酵母菌通氣不暢，影響其正常生長，所以酶活下降。當甲醇加入量是達2.1%以上時，隨著裝液量的增加，酶活變化不大，推測原因是甲醇誘導外源基因大量表達，所以產酶較多。方差分析表明，甲醇加入量和裝液量交互作用極顯著（P<0.01）。圖8表明，當甲醇添加量為1.5%時，隨著pH值的增加，酶活先升高后降低；當甲醇添加量是2.3%時，趨勢相同。畢赤酵母是成功的表達系統，已得到廣泛應用。不同畢赤酵母產外源

蛋白的培養條件有一定差別，需要后期優化其發酵條件，以獲得更多的表達產物。

3 結論

試驗利用響應面分析方法優化重組酵母菌搖瓶培養條件，最終獲得產酶最優條件為：培養溫度為28 ℃，搖床轉速是210 r/min，裝液量是103.18 ml（500 ml三角瓶）、甲醇加入量為1.77%、pH是6.69，為重組畢赤酵母的中試發酵生產奠定基礎。

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