孫 研,王永紅
(華東理工大學(xué),生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)
乳酸分子式為CH3CHOHCOOH,根據(jù)旋光性可分為 L 型和 D 型,乳酸是一種多用途的有機(jī)酸,在食品、醫(yī)藥、紡織、皮革及其他化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前,乳酸工業(yè)的巨大潛力在于用乳酸生產(chǎn)可生物合成和生物降解的聚乳酸(PLA)纖維產(chǎn)品[3-4]。
凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans)是一種產(chǎn)乳酸的兼性厭氧菌,屬于革蘭氏陽(yáng)性菌,相比于傳統(tǒng)的乳酸菌,凝結(jié)芽孢桿菌可以利用廉價(jià)原料進(jìn)行乳酸發(fā)酵,同時(shí)在高溫、不滅菌情況下可以生產(chǎn)具有高光學(xué)純度的L-乳酸[5],這些優(yōu)勢(shì)可以有效降低乳酸的生產(chǎn)成本。凝結(jié)芽孢桿菌作為一種工業(yè)乳酸生產(chǎn)菌株,生產(chǎn)過(guò)程以玉米粉/淀粉水解液為底物進(jìn)行發(fā)酵,其中,水解產(chǎn)物包含多種碳源,碳源組分含量由高到低分別為:葡萄糖、異麥芽糖、蔗糖、果糖、麥芽糖、麥芽三糖、海藻糖、麥芽四糖和麥芽酮糖[6]。這些糖類在發(fā)酵過(guò)程中并不能完全被消耗掉,發(fā)酵液的殘?zhí)侵饕ó慃溠刻呛驼崽恰S捎跉執(zhí)菚?huì)增加乳酸分離純化的難度[7],因此有效地降低殘?zhí)遣⑹蛊滢D(zhuǎn)化為乳酸是關(guān)鍵工作。
分解代謝阻遏效應(yīng)廣泛存在于細(xì)菌發(fā)酵過(guò)程中,細(xì)菌在多種碳源共存的環(huán)境中優(yōu)先利用一種(通常是葡萄糖)的現(xiàn)象[8],馬婉晴等[9]已闡明大腸桿菌葡萄糖-乳糖分解代謝產(chǎn)物阻遏效應(yīng)原理,潘柯莉等[10]對(duì)大腸桿菌pgi基因的敲除從而解除分解代謝阻遏,Mohamed等[11]通過(guò)選擇合適的葡萄糖和木糖碳源組成比例來(lái)達(dá)到消除葡萄糖代謝阻遏效應(yīng)這一效果。
異麥芽糖是由兩分子α-1,6糖苷鍵連接的雙糖,沒(méi)有天然存在的異麥芽糖[11],通過(guò)淀粉酶催化能夠得到低聚異麥芽糖[12],純品異麥芽糖價(jià)格昂貴,因此在研究過(guò)程中多以低聚異麥芽糖替代,在食品行業(yè)中,低聚異麥芽糖作為甜味劑、風(fēng)味劑已被廣泛使用,也被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域,如飼料工業(yè)、醫(yī)療保健品工業(yè)中[13]。由于異麥芽糖本身是一種非發(fā)酵性碳源,微生物對(duì)其利用能力較低,因此相關(guān)報(bào)道較少。目前,已報(bào)道的產(chǎn)L-賴氨酸的大腸桿菌通過(guò)分子改造可以有效利用異麥芽糖生成L-賴氨酸[14]。因此選擇優(yōu)勢(shì)菌株或?qū)旮脑炜梢宰鳛榻鉀Q乳酸發(fā)酵過(guò)程中殘?zhí)菬o(wú)法利用問(wèn)題的突破口[15]。
為尋找一株利用上述混合碳源并且代謝阻遏效應(yīng)較弱的優(yōu)勢(shì)菌株,本文選擇了本實(shí)驗(yàn)室乳酸發(fā)酵較為優(yōu)勢(shì)的三株凝結(jié)芽孢桿菌,分別為BH1、HL5和36D1,主要研究了三株菌對(duì)不同混合碳源的發(fā)酵特性。首先考察三株菌在不同單一碳源情況下發(fā)酵特性;然后進(jìn)一步研究在葡萄糖存在情況下,添加不同緩效碳源進(jìn)行乳酸發(fā)酵,考察不同菌株在混合碳源下葡萄糖阻遏效應(yīng)情況以及在葡萄糖利用完后菌體代謝其他碳源的情況;最后借助5 L生物反應(yīng)器構(gòu)建穩(wěn)定的發(fā)酵體系,考察三株菌對(duì)混合碳源(即葡萄糖加異麥芽糖)的利用特性,從而最終選定可以較好利用殘?zhí)墙M分的菌株作為進(jìn)一步進(jìn)行高通量篩選的出發(fā)菌株。
凝結(jié)芽孢桿菌(B.coagulans)36D1為NCBI上已記錄的菌株 購(gòu)于中國(guó)農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心;HL5 實(shí)驗(yàn)室篩選得到的利用碳源能力較強(qiáng)以及乳酸產(chǎn)量較高的優(yōu)勢(shì)菌株[16];BH1 對(duì)凝結(jié)芽孢桿菌HL5-C(由HL5篩選得到的耐高溫菌株)和熱葡糖苷地芽孢桿菌(Bacillusthermogluc-osidius)KP1006進(jìn)行原生質(zhì)體融合得到[17],熱葡糖苷地芽孢桿菌KP1006在發(fā)酵過(guò)程異麥芽糖酶活和麥芽糖酶活較高;一水葡萄糖 上海泰坦生物技術(shù)有限公司;碳酸鈣 凌峰化學(xué)試劑有限公司(上海);蛋白胨、酵母膏 英國(guó)OXOID;麥芽糖 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;牛肉膏、木糖、海藻糖、蔗糖 上海生工生物工程股份有限公司;50% NaOH(色譜級(jí)) 美國(guó)Thermo公司;低聚異麥芽糖 南京都萊生物技術(shù)公司,本次研究中使用的較為便宜的低聚異麥芽糖替代高昂的異麥芽糖,其中含有異麥芽糖、異麥芽糖三糖、異麥芽糖四糖、異麥芽五糖和潘糖等,同時(shí)含有少量的葡萄糖以及麥芽糖,經(jīng)測(cè)定異麥芽糖含量占比為25%左右,麥芽糖占比5%左右,葡萄糖占比0.4%左右,糖類檢測(cè)方法見(jiàn)1.2.4。
pH計(jì) 瑞士Mettler Toledo公司;離子色譜HPAEC-PAD 美國(guó)Thermo 公司;SBA-40E生物傳感分析儀 山東省科學(xué)院生物研究所;低溫離心機(jī) 德國(guó)eppendorf公司;DHP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海華連醫(yī)療器械有限公司;ZWY-211C恒溫?fù)u床振蕩培養(yǎng)柜 上海智城分析儀器制造有限公司;可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司。
1.2.1 培養(yǎng)基配制 斜面培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖40,蛋白胨10,牛肉浸膏6,酵母提取物10,檸檬酸二胺2,磷酸氫二鉀2,乙酸鈉4,硫酸鎂0.2,硫酸錳0.2,瓊脂18,吐溫80 1 mL,碳酸鈣10,1 mol/L HCl調(diào)pH6.0。
MRS種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖40,蛋白胨10,牛肉膏10,酵母膏10,檸檬酸二胺2,磷酸氫二鉀2,每升培養(yǎng)基添加10 mL 100 倍母液(MgSO42,MnSO42,NaCl 0.3,FeSO40.1)和1 mL吐溫 80,乙酸鈉4,碳酸鈣10,1 mol/L HCl調(diào)pH6.0。
發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖40,蛋白胨13.33,酵母膏13.33,每升培養(yǎng)基中添加1 mL1000倍母液(MgSO41.33,MnSO41.33,NaCl 1.33,FeSO41.33),乙酸鈉0.67,碳酸鈣20,1 mol/L HCl調(diào)pH6.0。其中葡萄糖可以替換成麥芽糖、蔗糖、低聚異麥芽糖、海藻糖、木糖,同時(shí)在混合碳源培養(yǎng)條件下,碳源替換成葡萄糖20和其他碳源20 。
5 L生物反應(yīng)器發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖45,低聚異麥芽糖45,蛋白胨13.33,酵母膏13.33,每升培養(yǎng)基中添加1 mL 1000倍母液(MgSO41.33,MnSO41.33,NaCl 1.33,FeSO41.33),乙酸鈉0.67,NaOH控制pH6.0。
通過(guò)體外殺菌試驗(yàn)證明,在一定條件下,微酸性電解水加入甘油后其消毒效果達(dá)到聚維酮碘的同等效果。其意義在于,微酸性電解水與傳統(tǒng)碘制劑相比安全、無(wú)殘留、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),加入甘油后有一定的保護(hù)乳頭作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)開(kāi)發(fā)一種安全、有效、環(huán)保的新型乳頭藥浴劑提供了理論基礎(chǔ)。
1.2.2 凝結(jié)芽孢桿菌培養(yǎng)方法 種子培養(yǎng):從本實(shí)驗(yàn)保存的凝結(jié)芽孢桿菌甘油管取200 μL菌液均勻涂布于茄子瓶斜面培養(yǎng)基中,50 ℃(其中BH1培養(yǎng)溫度55 ℃),24 h培養(yǎng)后得到一級(jí)斜面,進(jìn)而用將一級(jí)斜面上菌體一分為二刮下涂布于新的兩個(gè)斜面中,同樣溫度培養(yǎng)14 h,用50 mL無(wú)菌水將活化菌株從茄子瓶斜面培養(yǎng)基中洗脫下來(lái)后接入(15%,V/V接種量)種子搖瓶培養(yǎng)基中,同樣溫度,100 r/min,培養(yǎng)12 h。
搖瓶發(fā)酵培養(yǎng):將已準(zhǔn)備的種子液接入(按10% V/V接種量)發(fā)酵搖瓶培養(yǎng)基中,50 ℃(其中BH1培養(yǎng)溫度55 ℃),轉(zhuǎn)速100 r/min,其中單一碳源培養(yǎng)24 h,混合碳源培養(yǎng)60 h。
5 L生物反應(yīng)器培養(yǎng):將已準(zhǔn)備的種子液接入(按10% V/V接種量)5 L生物反應(yīng)器中,50 ℃(其中BH1培養(yǎng)溫度55 ℃)培養(yǎng),轉(zhuǎn)速100 r/min,通氣量7.2 L/h,pH6.0。
1.2.3 檢測(cè)方法 菌體光密度:吸光度值在波長(zhǎng)620 nm處測(cè)定;乳酸濃度:使用生物傳感分析儀測(cè)定(定量前需將樣品稀釋至量程范圍內(nèi),乳酸測(cè)定范圍為 0~0.5 g/L);葡萄糖、海藻糖、異麥芽糖、蔗糖、木糖和麥芽糖的測(cè)定:利用離子色譜系統(tǒng)(HPIC)檢測(cè),搭配Dionex Carbopac PA 20分離柱(3 mm×150 mm)和Dionex Carbopac PA 20保護(hù)柱(3 mm×30 mm),淋洗液體系由18 MΩ超純水、200 mmol/L NaOH溶液兩部分組成,需要實(shí)時(shí)接入氮?dú)?防止空氣組分(主要是CO2)與淋洗液NaOH長(zhǎng)期接觸生成Na2CO3等污染物。
1.2.4 凝結(jié)芽孢桿菌發(fā)酵過(guò)程殘?zhí)菨舛葴y(cè)定方法 通過(guò)離子色譜檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程中殘?zhí)菨舛茸兓闆r,樣品前處理方法[18]:將發(fā)酵液樣品4 ℃,4000 r/min,10 min離心,取上清;配制飽和草酸鈉溶液,樣品和飽和草酸鈉溶液比例按照1∶3進(jìn)行混合,除去發(fā)酵液中Ca2+,4 ℃,4000 r/min,23 min離心,留上清;然后將上清和無(wú)水乙醇比例按照1∶5的比例混合,沉淀蛋白質(zhì),常溫靜置8 h以上,離心。檢測(cè)過(guò)程中梯度洗脫方法:18 MΩ超純水和200 mmol/L NaOH按照9∶1比例洗脫18 min,然后將比例調(diào)整為2∶8洗脫17 min,最后調(diào)整洗脫液比例為9∶1平衡柱子35 min。實(shí)驗(yàn)中涉及的6種糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)表1。

表1 六種糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 1 Six kinds of standard curves of sugars
1.2.5 糖酸轉(zhuǎn)化率計(jì)算 凝結(jié)芽孢桿菌在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)利用葡萄糖等碳源生成乳酸,在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中,可以通過(guò)計(jì)算糖酸轉(zhuǎn)化率來(lái)分析發(fā)酵特性,由于過(guò)程中涉及到的碳源不同,按照下面公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算糖酸轉(zhuǎn)化率:
糖酸轉(zhuǎn)化率(%)=100×(檢測(cè)點(diǎn)乳酸濃度-初始乳酸濃度)/(初始糖濃度×系數(shù)-檢測(cè)點(diǎn)糖濃度×系數(shù))
式中:糖濃度包括能檢測(cè)出的葡萄糖、異麥芽糖、麥芽糖、木糖、海藻糖和蔗糖濃度;系數(shù)代表異麥芽糖、麥芽糖、海藻糖和蔗糖等雙糖水解成單糖的系數(shù),分別均為1.05,葡萄糖和木糖屬于單糖,系數(shù)為1。
采用Excel和DPS(6.55專業(yè)版)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每組樣品設(shè)置三個(gè)重復(fù),每個(gè)樣品進(jìn)行三次平行測(cè)定,數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差法(P<0.05)。
2.1.2 三株凝結(jié)芽孢桿菌利用單一碳源發(fā)酵菌濃和乳酸產(chǎn)量比較 為進(jìn)一步研究三株菌株在不同碳源下乳酸轉(zhuǎn)化情況,隨后比較了產(chǎn)物產(chǎn)量和菌體生長(zhǎng)情況。對(duì)比圖1和圖2可以看到,三株菌在單一碳源下發(fā)酵得到的產(chǎn)物產(chǎn)量和菌體濃度與前一節(jié)中殘?zhí)菨舛惹闆r基本一致,36D1對(duì)單一碳源的利用能力以及產(chǎn)酸能力較其他兩株菌有一定的優(yōu)勢(shì),能夠高效利用不同碳源產(chǎn)生乳酸,但對(duì)麥芽糖的利用能力較差。在以異麥芽糖為底物發(fā)酵過(guò)程中,從圖2中可以看到,BH1的乳酸產(chǎn)量高于其他兩株菌,但與檢測(cè)到的異麥芽糖消耗量不相符,可能原因是BH1可以利用低聚異麥芽糖中的其他組分,而這些組分并未檢出,低聚異麥芽糖本身是一種混合碳源,出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是BH1對(duì)其他未知碳源的利用,與該菌的特性[18]有一定關(guān)系。

圖1 凝結(jié)芽孢桿菌BH1、HL5和36D1發(fā)酵過(guò)程殘?zhí)亲兓容^Fig.1 Residual concentrations of various carbon sources in fermentation process of B. coagulans BH1,HL5 and 36D1注:字母表示同一株菌不同時(shí)間數(shù)據(jù)差異顯著性(P<0.05)。

圖2 凝結(jié)芽孢桿菌BH1、HL5、36D1利用單一碳源發(fā)酵24 h后菌體濃度和乳酸濃度Fig.2 Bacterial and lactic acid concentration from the fermentation of Bacillus coagulans BH1,HL5,36D1 with single carbon source for 24 h注:字母表示同一參數(shù)不同菌株數(shù)據(jù)差異顯著性(P<0.05)。
在2.1以40 g/L葡萄糖作為碳源培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在12 h時(shí),三株菌均可以利用葡萄糖20 g/L左右,以20 g/L葡萄糖和20 g/L其他碳源為底物進(jìn)行搖瓶發(fā)酵,在12 h左右檢測(cè)到葡萄糖消耗完全,因此以12 h為中間節(jié)點(diǎn),考察葡萄糖消耗完前后其他緩效碳源消耗情況,分析各菌株葡萄糖阻遏效應(yīng)。凝結(jié)芽孢桿菌36D1在以葡萄糖和其他碳源作為混合碳源發(fā)酵過(guò)程中,表現(xiàn)出葡萄糖阻遏效應(yīng),優(yōu)先利用葡萄糖,木糖和海藻糖的利用則被抑制(表2)。

表2 三株菌在葡萄糖消耗完前后其他緩效碳源消耗Table 2 Consumption of other carbon sources by cells before and after the depletion of glucose
在以葡萄糖和麥芽糖為混合碳源的發(fā)酵過(guò)程中,三株菌出現(xiàn)不一樣特性,由2.1.1可知,36D1對(duì)麥芽糖的利用不明顯;對(duì)于凝結(jié)芽孢桿菌BH1和HL5(如圖3),在0~24 h,BH1對(duì)麥芽糖的利用能力大于對(duì)葡萄糖的利用能力,麥芽糖消耗完全,葡萄糖仍有剩余。由此可以得到,BH1在發(fā)酵過(guò)程中,代謝麥芽糖相關(guān)酶的活力明顯更強(qiáng)。與之相反的是,HL5對(duì)葡萄糖的利用優(yōu)先對(duì)麥芽糖的利用,HL5在24 h內(nèi)可以將葡萄糖和麥芽糖全部消耗,說(shuō)明HL5對(duì)以葡萄糖和麥芽糖為混合碳源的利用更充分。

圖3 以葡萄糖和麥芽糖作為底物凝結(jié)芽孢桿菌BH1(A)和HL5(B)發(fā)酵特性對(duì)比Fig.3 Comparison of fermentation characteristics of Bacillus coagulans BH1(A)and HL5(B) using glucose and maltose as substrates
以低聚異麥芽糖和葡萄糖作為混合碳源進(jìn)行發(fā)酵,為保證總碳源濃度一致,添加的低聚異麥芽糖經(jīng)過(guò)換算異麥芽糖含量為5 g/L左右,對(duì)比三株菌利用情況,HL5代謝異麥芽糖的能力較好。
綜上,混合碳源發(fā)酵時(shí),BH1和HL5可以對(duì)麥芽糖和葡萄糖可以同時(shí)高效利用,特別地,BH1對(duì)麥芽糖的利用能力優(yōu)于對(duì)葡萄糖的利用能力。36D1在混合碳源下表現(xiàn)出明顯的葡萄糖阻遏效應(yīng),HL5在混合碳源下對(duì)異麥芽糖的利用能力較好。
在工業(yè)乳酸發(fā)酵過(guò)程中,發(fā)酵液中殘?zhí)浅煞种饕钱慃溠刻呛驼崽?二者合計(jì)占?xì)執(zhí)橇康?0%左右[6],因此本研究以葡萄糖和低聚異麥芽糖作為混合碳源在復(fù)合培養(yǎng)基中進(jìn)行5 L罐發(fā)酵實(shí)驗(yàn),整個(gè)發(fā)酵過(guò)程可以分為葡萄糖和異麥芽糖共利用階段和殘?zhí)抢秒A段(圖4、圖5和圖6)。36D1、BH1和HL5將葡萄糖完全利用的時(shí)間分別為13、48和24 h,從表3中可以看到,36D1消耗葡萄糖的速度最快;在葡萄糖存在期間,HL5消耗異麥芽糖的速率最大,HL5的糖酸轉(zhuǎn)化率較高,達(dá)到96.14%±0.71%,但BH1的糖酸轉(zhuǎn)化率超過(guò)100%,說(shuō)明有其他碳源被利用生成乳酸,這與2.1.2中的現(xiàn)象相同。36D1和HL5這兩株菌種并無(wú)這一現(xiàn)象,在葡萄糖利用結(jié)束后,菌體產(chǎn)酸能力明顯下降,此階段糖酸轉(zhuǎn)化率分別為44.80%±0.92%和42.90%±0.76%。

圖4 凝結(jié)芽孢桿菌36D1混合碳源5L罐發(fā)酵結(jié)果Fig.4 Fermentation results of Bacillus coagulans 36D1 in 5 L bioreactor with mixed carbon source

圖5 凝結(jié)芽孢桿菌BH1混合碳源5 L罐發(fā)酵結(jié)果Fig.5 Fermentation results of Bacillus coagulans BH1 in 5 L bioreactor with mixed carbon source

圖6 凝結(jié)芽孢桿菌HL5混合碳源5L罐發(fā)酵結(jié)果Fig.6 The fermentation results of Bacillus coagulans HL5 in 5 L bioreactor with mixed carbon source

表3 三株菌在發(fā)酵過(guò)程中不同時(shí)期碳源消耗速率和糖酸轉(zhuǎn)化率Table 3 Carbon source consumption rate and sugar-acid conversion rate of three strains at different periods during fermentation
乳酸代謝分為同型乳酸代謝和異型乳酸代謝,前者的理論轉(zhuǎn)化率為100%,后者的理論轉(zhuǎn)化率為50%[20]。36D1和HL5在葡萄糖消耗后的階段糖酸轉(zhuǎn)化率低于50%,推測(cè)代謝途徑發(fā)生了遷移,由同型乳酸發(fā)酵轉(zhuǎn)變成異型乳酸發(fā)酵。代謝遷移在其他菌株中也有發(fā)現(xiàn),如大腸桿菌Escherichiacoli和釀酒酵母Saccharomycescerevisia中的呼吸和發(fā)酵的轉(zhuǎn)變[21-22]、乳酸乳球菌Lactococcuslactis中的混合酸與乳酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)變[23]、植物桿菌Lactobacillusplantarum中CcpA基因的失活導(dǎo)致同型乳酸發(fā)酵向混合酸發(fā)酵轉(zhuǎn)變[24-25]等,后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步研究。
本文通過(guò)對(duì)三株凝結(jié)芽孢桿菌在六種單一碳源下發(fā)酵培養(yǎng),得到三株菌對(duì)不同碳源的利用情況,能夠被36D1利用的碳源種類最多。在對(duì)三株菌株混合碳源發(fā)酵考察中,36D1存在明顯的葡萄糖阻遏效應(yīng),而B(niǎo)H1和HL5對(duì)葡萄糖和麥芽糖混合碳源培養(yǎng)時(shí),幾乎無(wú)這一現(xiàn)象,利用較為完全,通過(guò)對(duì)比葡萄糖消耗完前后異麥芽糖的消耗量,HL5對(duì)異麥芽糖的利用較其它兩株菌有一定優(yōu)勢(shì)。最后通過(guò)5 L生物反應(yīng)器對(duì)三株菌株以葡萄糖和低聚異麥芽糖作為混合碳源發(fā)酵,進(jìn)一步確定HL5具有較好的利用異麥芽糖能力,由于工業(yè)乳酸發(fā)酵殘?zhí)墙M分中異麥芽糖占比較高,為解決這一問(wèn)題,HL5可以作為后期研究的主要菌株,鑒于對(duì)凝結(jié)芽孢桿菌的分子改造較為困難,后期擬采用物理和化學(xué)誘變對(duì)該菌進(jìn)行改良,從而進(jìn)一步增加其對(duì)異麥芽糖的利用能力,最終目標(biāo)是解決工業(yè)乳酸發(fā)酵中的殘?zhí)菃?wèn)題。