響應面法優(yōu)化鳳丹內生真菌發(fā)酵工藝探究

張培良，許鳳清，王國凱，王剛，馬宗慧，劉海濤，韓婧，吳娟，吳培云

(安徽中醫(yī)藥大學藥學院現代中藥安徽省工程技術研究中心，安徽，合肥 230012)

丹皮始載于《神農本草經》[1]，作為安徽省四大道地藥材之一，其道地產區(qū)主要分布于安徽銅陵、南陵等地。《中藥大辭典》明文記載：“安徽省銅陵鳳凰山所產丹皮質量最佳”，故道地產區(qū)出產的丹皮又稱為鳳丹皮，其原植物又稱為鳳丹(PaeoniaostiiT. Hong et J.X.Zhang)。丹皮具有抗菌、抗氧化、抗炎、抗動脈粥樣硬化、抗腫瘤、降血糖、抗凝血、抗心律失常、抗高血壓、增強免疫功能、抗腦缺血再灌注性損傷、鎮(zhèn)靜、保肝[2-14]等作用。

近年來植物內生真菌已成為國內外研究的熱點領域，且對鳳丹內生真菌的研究較少[15]。鑒于內生真菌與宿主植物之間特殊的生物學關系，且內生真菌能夠產生與宿主植物相同或相似的活性成分，開展對植物中優(yōu)勢內生真菌的研究極具意義。前期的研究確定鳳丹根皮中內生真菌優(yōu)勢種群為Fusarium[16]。本研究2017年8—11月采用響應面分析法對鳳丹一株優(yōu)勢內生真菌Fusariumoxysporum的發(fā)酵條件進行優(yōu)化，為其進一步研究提供依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器Fusariumoxysporum菌株分離于新鮮的鳳丹根皮，并交由上海生工生物工程有限公司進行分子鑒定，經過基因測序對比后鑒定為Fusariumoxysporum(GenBank:KT271765.1)，保存于安徽中醫(yī)藥大學天然藥化教研室。

十萬分之一電子天平(賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)；SPT-P250C智能生化培養(yǎng)箱(合肥華德利科學器材有限公司)；QHZ-98A型全溫振蕩培養(yǎng)箱(常州普天儀器制造有限公司)。

1.2方法

1.2.1菌絲體的制備 將保存于斜面試管中的真菌F.oxysporum轉接于活化培養(yǎng)基中，28 ℃恒溫培養(yǎng)5 d，沿菌落邊緣用打孔器打取6 mm菌片，備用。稱取一定量的馬鈴薯葡萄糖肉湯培養(yǎng)基粉末，加一定比例的水混合均勻，倒入250 mL錐形瓶中，每個錐形瓶中100 mL液體培養(yǎng)基，然后不同的錐形瓶中再分別加入不同含量的蔗糖、酵母浸出膏、KH2PO3、K2HPO3，滅菌20 min，待冷卻后，將上述打孔的菌片用鑷子挑取2～3片放入液體培養(yǎng)基中，平板搖床180 r·min-1，28 ℃培養(yǎng)發(fā)酵7 d后，抽濾，得到菌絲體。

1.2.2菌絲體生物量的測定 菌體生長過程中發(fā)生代謝，產生次生代謝產物，菌體的生長可促進次生代謝產物含量的增加。將培養(yǎng)7 d的發(fā)酵培養(yǎng)基抽濾，分離出菌絲體，于50 ℃真空干燥箱中烘干至恒重，記錄其重量。

1.2.3響應面分析法實驗設計 (1)單因素實驗設計：分別以蔗糖、酵母浸出膏、KH2PO3、K2HPO3加入量為考察指標進行單因素實驗設計。(2)Box-Behnken 實驗設計：以單因素實驗及相關參考文獻為依據來設定Box-Behnken實驗設計中各因素的水平，以菌絲體生物量為響應值，對影響菌絲體生物量的4個因素進行優(yōu)化，同時，根據單因素實驗得出響應面中心水平(0)本應為蔗糖(30 g·L-1)、酵母浸出膏(4 g·L-1)、KH2PO3(1 g·L-1)、K2HPO3(1 g·L-1)，但此時發(fā)現若按照此中心水平作響應面設計，則“蔗糖”因素的“1”水平為空，“KH2PO3”和“K2HPO3”兩個因素的“-1”水平為空，因此，為了完成完整的響應面設計，從實際角度出發(fā)，最終RSM實驗設計因子水平見表1。并使用Design-Expert 8.05b對數據進行處理分析。

2 結果

2.1單因素實驗實驗結果見圖1，由結果可知，綜合考慮，四個因素的最優(yōu)值分別確定為30、4、1、1 g·L-1。

2.2Box-Behnken實驗設計

2.2.1實驗結果和分析 采用RSM實驗設計對菌株的發(fā)酵條件進行優(yōu)化，試驗因素包括蔗糖、酵母浸出膏、KH2PO3、K2HPO34個因素，并以單因素實驗結果為中心水平，進行四因素三水平的響應面優(yōu)化實驗，確定最佳發(fā)酵條件。使用Design expert 8.05b統(tǒng)計軟件對實驗所得數據進行多元回歸擬合，得到菌絲體生物量對A、B、C、D四因素的二次多項式回歸方程：

圖1 4種因素對菌絲體生物量影響的趨勢圖

菌絲體生物量=1.54+0.097A+0.003 746B-0.049C-0.040D-0.056AB+0.021AC+0.028AD-0.022BC-0.020BD-0.002 152CD-0.25A2-0.037B2-0.000 998 8C2+0.016D2

2.2.2響應面圖與等高線圖分析 圖2A說明蔗糖含量和酵母浸膏含量之間的交互作用顯著；當蔗糖含量較小，菌絲體生物量隨酵母浸膏含量的增大表現為上升，當蔗糖含量達到一定值，菌絲體生物量隨著酵母浸膏含量的增大表現為先上升后下降；當酵母浸膏含量不變，菌絲體生物量隨著蔗糖含量的增大表現為先上升后下降。圖2B說明蔗糖含量和KH2PO3含量之間的交互作用不顯著；當蔗糖含量不變，菌絲體生物量隨著KH2PO3含量的增大而下降；當KH2PO3含量不變，菌絲體生物量隨著蔗糖含量的增大表現為先上升后下降。圖2C說明蔗糖含量和K2HPO3含量之間交互作用顯著；K2HPO3含量較小時，菌絲體生物量隨著蔗糖含量的增大變現為先上升后下降；K2HPO3含量一定時，菌絲體生物量隨著蔗糖的增大表現為上升趨勢，當蔗糖含量達到一定時，菌絲體生物量隨著蔗糖含量的增大趨于平緩。圖2D說明酵母浸膏含量和KH2PO3含量之間交互作用不顯著；酵母浸膏含量一定時，菌絲體生物量隨著KH2PO3含量的增大而上升；KH2PO3含量一定時，菌絲體生物量隨著酵母浸膏含量的增加趨于平緩。圖2E說明酵母浸膏含量和K2HPO3含量之間交互作用顯著；酵母浸膏含量一定時，菌絲體生物量隨著K2HPO3含量的增大而下降；K2HPO3含量一定時，菌絲體生物量隨著酵母浸膏含量的增大表現為先上升后下降。圖2F說明KH2PO3含量和K2HPO3含量之間交互作用不顯著；KH2PO3含量一定時，菌絲體生物量隨著K2HPO3含量的增大而下降；K2HPO3含量一定時，菌絲體生物量隨著KH2PO3含量的增大而下降。

表2 響應面實驗設計結果

表3 回歸模型方差分析

圖2 各交互作用對菌絲體生物量影響的響應曲面

2.2.3驗證性試驗 使用Design Expert 8.05b 對回歸方程進行求解，得出最優(yōu)發(fā)酵工藝為：蔗糖含量20.31 g·L-1，酵母浸膏含量5.17 g·L-1，KH2PO3含量1.00 g·L-1，K2HPO3含量1.00 g·L-1，菌絲體生物量預測值為1.660 79 g。考慮實際情況，確定最優(yōu)發(fā)酵工藝為：蔗糖含量20 g·L-1，酵母浸膏含量5 g·L-1，KH2PO3含量1.00 g·L-1，K2HPO3含量1.00 g·L-1。

按照上述工藝，平行發(fā)酵3瓶發(fā)酵液，測定實際平均菌絲體生物量為1.647 g，與預測值之間偏差較小，表明此回歸模型能與實際情況較好擬合。

3 討論

微生物的發(fā)酵是一個非結構化、曲線的復雜過程，在發(fā)酵工業(yè)中，發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化對發(fā)酵水平的提高起著舉足輕重的作用[17]。響應面法試驗設計，克服了正交設計只能處理離散的水平值，而無法找出整個區(qū)域上因素的最佳組合和響應值的最優(yōu)值的缺陷，并能減少試驗次數，分析幾種因素間的交互作用，以達到較全面地反映各因素水平的效果[18-20]。為了獲得最佳的發(fā)酵條件本實驗采用響應面法，將因素與結果的關系進行多項式擬合，優(yōu)選出最佳促菌絲體生物量的發(fā)酵工藝。首先采用單因素試驗確定因素水平，進一步應用響應面分析法考察因素對菌絲體生物量的影響，采用二次回歸設計菌絲體生物量回歸模型，驗證試驗表明了該模型的可靠性。