金龜子綠僵菌發酵培養基響應面優化

張棋　胡永紅　楊文革

摘要：為了優化金龜子綠僵菌發酵培養基，在單因素試驗的基礎上進行Plackett-Burman試驗和中心組合試驗設計，采用響應面法建立發酵培養基的優化模型。得到最優的培養基為：蔗糖20.07 g/L、酵母膏20.04 g/L、MgSO4 0.70 g/L。經試驗驗證，在此條件下，金龜子綠僵菌的生物量可達16.523 g/L，比優化前提高了37.24%。

關鍵詞：金龜子綠僵菌；培養基；響應面法；優化條件

中圖分類號： S188+.4 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0173-04

金龜子綠僵菌（Metarhizium anisopliae）是一類重要的昆蟲病原真菌，它作為生物防治制劑具有環境安全性好、昆蟲不易產生抗性等特點。此外，綠僵菌的寄主廣泛性和廣譜性使得其成為一種研究昆蟲病原真菌侵染寄主過程的重要模式生物[1-2]。目前，植物病害在全球范圍內每年造成高達數千億美元的損失，而其中又以昆蟲病害最為嚴重。金龜子綠僵菌具有寄生范圍廣、無殘毒、后效期長等特點，已成為國內外殺菌、除蟲的一線藥物之一[3-4]。然而，在金龜子綠僵菌發酵生產過程中，菌體生物量低，生產成本高，發酵周期長等問題限制了其推廣應用[5-7]；因此，對金龜子綠僵菌發酵培養基優化及條件探索具有重大意義。本研究以金龜子綠僵菌NJYHWG 3820為試驗菌株，應用響應面法系統考察了影響金龜子綠僵菌生物量的培養基成分，得到了最佳培養基配方，從而提高了生物量。

1 材料與方法

1.1 菌種

金龜子綠僵菌：Metarhizium anisopliae NJYHWG 3820，由筆者課題組保藏。

1.2 培養基

斜面培養基：馬鈴薯200 g/L，蔗糖20 g/L，瓊脂15～20 g/L，自然pH值。

種子培養基：蔗糖10 g/L，酵母膏10 g/L，KH2PO4 5 g/L，MgSO4 2 g/L，pH值6.5。

發酵培養基：蔗糖10 g/L，酵母膏10 g/L，KH2PO4 5 g/L，MgSO4 2 g/L，pH值6.5。

1.3 主要試劑和儀器

蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、乳糖、木糖、甘油、可溶性淀粉、蛋白胨、酵母膏、牛肉浸膏、甘氨酸、瓊脂粉，由國藥集團化學試劑有限公司提供；FeSO4·7H2O、MgSO4·7H2O、NaCl、K2HPO4·3H2O、CaCl2、NaNO3、CuSO4、CaCO3，由廣東汕頭市西隴化工廠提供；馬鈴薯，市售。

電熱恒溫培養箱，上海躍進醫療器械廠；滅菌鍋，華粵行儀器有限公司；醫用凈化工作臺，蘇州凈化設備廠；鼓風電熱恒溫干燥箱，上海試驗儀器廠有限公司；臺式高速離心機，德國艾本德股份公司；電子天平，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；基礎分析型純水機，青島富勒姆科技有限公司。

1.4 試驗方法

1.4.1 金龜子綠僵菌生物量測定 取發酵液倒入50 mL的離心管中，10 000 r/min離心15 min，去上清。沉淀的菌體用去離子水懸浮，再離心2次，去上清。把菌體倒在干凈的已稱質量的稱量紙上，放入80 ℃的烘箱烘干至恒質量，在電子天平上稱質量，計算干菌體質量：菌體生物量（g/L）=菌體干質量（g）/發酵液取樣體積（L）。

1.4.2 單因素試驗設計 分別對碳源、氮源、無機鹽進行優化，配制發酵培養基，28 ℃發酵培養5 d，測定每種因素對生物量的影響，選擇最佳培養基成分。

1.4.3 響應面試驗設計

1.4.3.1 Plackett-Burman（PB）設計試驗 利用Plackett-Burman（PB）試驗從多個單因素中篩選出對菌體生長影響最顯著的幾個因素，使用Design Expert 6.0軟件設計試驗方案，包括11個變量（n=11），其中8個主要變量（蔗糖、乳糖、甘油、蛋白胨、酵母膏、MgSO4、KH2PO4、CaCl2）和3個虛擬變量，分別用A、B、C、D、E、F、G、H、I、J和K來代表變量，每個變量有高（+）和低（-）2個水平，設置高（+）水平是低（-）水平的1.5倍（表1）。

1.4.3.2 最陡爬坡試驗 在PB試驗中得到影響較為顯著的3個因素，并且根據PB設計得出的一次項擬合方程中相應變量的系數，從而確定變化梯度和爬坡方向。若變量系數為負，則該變量水平以梯度遞減的方向進行爬坡試驗。若變量系數為正，則該變量水平以梯度遞增的方向進行爬坡試驗，這樣就能夠經濟、快速地逼近最佳區域。將最陡爬坡試驗中得到的金龜子綠僵菌生物量最高點作為中心組合設計的的中心點來設計試驗方案。

1.4.3.3 響應面分析法 經過最陡爬坡試驗，逼近金龜子綠僵菌發酵生物量最大化區域，根據 Box-Bellnken 原理，對經過PB和爬坡試驗的變量進行3水平試驗（-1、0、+1），共17組試驗，使用Design-Expert軟件對試驗結果進行分析，研究金龜子綠僵菌的最優發酵培養基配方。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 碳源對金龜子綠僵菌發酵的影響 碳源是菌體碳架構成及能量供應的來源。由圖1可知，在選擇的7種碳源中蔗糖、甘油和乳糖對金龜子綠僵菌發酵效果較為理想，其中蔗糖效果最好。其他幾種碳源對生物量的影響較小，該金龜子綠僵菌對其他4種碳源利用率不高。

2.1.2 氮源對金龜子綠僵菌發酵的影響 氮源是構成菌體蛋白、核酸等含氮物質的來源。由圖2可知，有機氮源比無機氮源對金龜子綠僵菌發酵的影響更為顯著，在有機氮源培養基中，菌體生長良好；而在無機氮源培養基中，菌體生長較稀疏。在有機氮源中，酵母膏效果最好，蛋白胨次之。

2.1.3 無機鹽對金龜子綠僵菌發酵的影響 無機鹽是微生物生命活動所不可缺少的物質，它的種類和含量對菌體生長和代謝產物的生成影響很大。由圖3可知，MgSO4對金龜子綠僵菌發酵影響最大，KH2PO4和CaCl2次之；因此在下個階段的PB設計中，將MgSO4、KH2PO4、CaCl2作為考察因素。

2.2 響應面試驗設計

2.2.1 Plackett-Burman（PB）試驗 通過單因素試驗表明，對菌體生長影響較大的8個主要變量為蔗糖、乳糖、甘油、酵母膏、蛋白胨、KH2PO4、MgSO4和CaCl2，再加3個虛擬變量，每個變量有高（+）、低（-）2個水平，采用Design-Expert軟件設計試驗，共計12組試驗（表2）。使用Design-Expert軟件對表2進行分析，得到表3。由表3可知，上述8個因素對金龜子綠僵菌生物量的影響順序由大到小為：蔗糖、酵母膏、MgSO4、乳糖、蛋白胨、甘油、CaCl2、KH2PO4，其中蔗糖為極顯著因素。該模型R2=0.988 4，表示98.84%的試驗數據可以使用該模型進行解釋。Prob>F值小于0.05表示該因素為顯著因素，從8個因素中選出對金龜子綠僵菌生長顯著的因素（蔗糖、酵母膏、MgSO4），進行下一步試驗優化。

2.2.2 最陡爬坡試驗 根據PB試驗結果，蔗糖、酵母膏、MgSO4的模型方程系數為正值，進行正爬坡。具體設計方案及試驗結果見表4。由表4可知，選擇第5組試驗方案時，即蔗糖20 g/L、酵母膏20 g/L、MgSO4 0.7 g/L，對應的生物量達到最高值，以此值為中心值進行響應面試驗，這樣響應面方程才能充分逼近真實值。

2.2.3 響應面分析法 經過Plackett-Burman試驗和爬坡試驗，確定蔗糖、酵母膏、MgSO4的水平，利用Design-Expert軟件設計響應面試驗見表5、表6。根據表6的數據，使用 Design-Expert 軟件進行擬合，得到三元二次回歸方程：Y =-303.58+6.90A+6.79B+523.41C+0.03AB-1.16AC-141BC-0.16A2-0.16B2-338.12C2，其中：Y為菌體生物量，A、B、C分別為蔗糖、酵母膏、MgSO4濃度。根據表6的結果，運用Design-Expert軟件對其進行方差分析和模型的顯著性分析，得到表7。由表7可知：該模型的P

2.3 響應面優化結果的分析

由二元回歸方程所得到的響應面圖與相應的等高線圖見圖4至圖6。各因素交互作用對響應值菌體生物量的影響由圖可以直觀地反映出來[8-10]。圖4表明，在MgSO4一定的情況下，蔗糖和酵母膏的交互作用顯著，隨著蔗糖和酵母膏含量的增加，菌體生物量不斷提高，后期呈現小幅下降。

由圖5可知，在酵母膏一定的情況下，隨著蔗糖和MgSO4含量的增加，菌體生物量不斷提高，后期呈現下降趨勢。在一定程度上，提高培養基中蔗糖和MgSO4的含量有利于提高菌體生物量，但蔗糖濃度過高會影響細胞通透性，抑制菌體生長，不利于生物量的增加。

由圖6可知，在蔗糖一定的情況下，酵母膏和MgSO4交互作用較顯著，隨著酵母膏和MgSO4含量的增加，菌體生物量不斷提高，后期呈現小幅下降。

為求出培養基最佳配方，對回歸方程各個變量求一階偏導數，解得：A=20.07，B=20.04，C=0.70，此時金龜子綠僵菌生物量達到16.173 g/L。同時進行試驗驗證，在最適發酵條件下，重復進行3次試驗，金龜子綠僵菌生物量實測值為16.523 g/L，與預測值基本符合。說明響應面法對金龜子綠僵菌發酵培養基優化具有較強可靠性。因此，得到最佳培養基配方是：蔗糖20.07 g/L、酵母膏 20.04 g/L、MgSO4 0.70 g/L。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，經Plackett-Burman試驗確定了蔗糖、酵母膏、MgSO4為主要影響因素，在此基礎上，進行最

陡爬坡試驗，確定最佳響應面區域，然后采用中心組合試驗設計和Design Expert 軟件分析計算，得到這3種因素的添加量：蔗糖20.07 g/L、酵母膏20.04 g/L、MgSO4 0.70 g/L。經過驗

證在此發酵條件下金龜子綠僵菌生物量達到16.523 g/L，與原始發酵液的菌體生物量相比提高了37.24%，成本降低了約30%，有利于其工業化生產。然而此研究僅限于搖瓶發酵，很多因素（如溶氧、通氣量等）難以有效控制，下一步可以上罐分批發酵，進一步優化影響金龜子綠僵菌發酵的條件。

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