L-异亮氨酸补料分批发酵的研究
2024-01-20
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第28卷第4期 天津师范大学学报(自然科学版) Journal of Tianjin Normal University(Natural Science Edition) VoI.28 No.4 0ct.2008 2008年10月 文章编号:1671—1114(2008)04—0006—03 L-异亮氨酸补料分批发酵的研究 宋文军 (天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津300134) 摘要:研究了不同初糖浓度、葡萄糖及氮的补加方式在L一异亮氨酸发酵过程中对其产酸率、转化率等参数的影 响,确定了L一异亮氨酸补料分批发酵的最佳条件,在最佳补料分批发酵条件下,L一异亮氨酸产量达21.96 g/L,糖 酸转化率达15.34%. 关键词:L一异亮氨酸;补料分批发酵;条件优化 中图分类号:Q517;TQ922 文献标识码:A Study on fed__batch fermentation conditions of L・-isoleucine SONG Wenj (School of Biological Technology and Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China) Abstract:The effects of different initial glucose concentration,the supplement quomodo of glucose and nitrogen on some pa— rameters,such as yield of L-isoleucine and conversion rate during the fermentation process of L-isoleueine were studied. The optimum conditions of fe&batch fermentation on L-isoleucine were confimed.Under these optirmum conditions,the yield of L-isoleucine attained to 21.96 g/L and the conversion rate of glucose was 15.34 . Key words:L—isoleucine;fed—batch fermentation;optimal conditions L一异亮氨酸是人体8种必需氨基酸之一,又是3 种支链氨基酸之一,因其特殊的结构和功能,在人类 生命代谢中具有特别重要的地位.L一异亮氨酸除用 于一般营养型复合氨基酸输液、要素膳外,还作为特 殊的支链氨基酸之一被大量用于配制治疗型特种氨 基酸输液如肝安、肾安氨基酸输液,特别是以L_异亮 AEC ),本实验室保藏菌种. 1.2培养基 1)种子培养基:蔗糖3O g,尿素2 g,CH3COON ̄ 3.7 g,KH2PO4・3H2O 3 g,MgSO4・7H2O 0.4 g, FeSO4・7H2O 0.01 g,MnSO4・H2 O 0.01 g,豆饼 水解液16 g,VH 2 mg,VB1 1 mg,pH一7.O~7.2, 0.075 MPa 15 rain. 氨酸为主要原料生产的高支链氨基酸输液、肝安糖 浆、肝醒灵口服液,对治疗各种肝脏疾病具有显著疗 效,因此,其用量逐年增长L1q].据文献报道_4 ],在发 酵中采用较高浓度的葡萄糖进行分批发酵的转化率 很低,其主要原因是分批发酵方式使高浓度的初糖 2)发酵培养基:葡萄糖150 g,(NH ) SG 10 g, KH2P04・3H2O 1.5 g,K2HPO4・3H2O 3 g,MgSO4 ・7H2O 0.5 g,FeSO4・7H2O 0.015 g,MnSO4・H2O 0.015 g,VH 130/ig,VB1 1 mg,Met 2O mg,豆饼水 抑制了菌体的产酸能力,而致糖酸转化率下降 . 本研究通过补料分批培养方式较好地解决了这一问 题,具体以黄色短杆菌SW0370作为实验菌株,对L一 异亮氨酸补料分批发酵条件进行了研究. 解液20 g,pH一7.2~7.5,CaCO3 30 g(分消), 0.075 MPa 10 min,其中补料成分及补料量随实验 要求添加. 1.3实验方法 1材料与方法 1.1菌种 黄色短杆菌SW0370(Met一+Leu一+a—AB + 1)种子培养:接一环生长良好的斜面种子至装 有30 mL种子培养基的250 mL摇瓶中,8层纱布 封1:3,固定于旋转式摇床上(200 r/min),31℃振荡 培养至对数生长中后期. 收稿日期:2007—10—10 作 者:宋文军(1967一),男,副教授,博士,主要从事生物工程方面的研究 第28卷第4期 宋文军:L一异亮氨酸补料分批发酵的研究 ・ 7 ’ 2)摇瓶补料发酵:按10 9/6接种量将种子液3 mL 接人装有27 mL发酵培养基的500 mL三角瓶中,8 层纱布封口,置旋转式摇床(220 r/rain)上,3l℃下 振荡培养96 h.发酵过程补料量为8 mL,总装液量 由图1—3及表1可见,采用较低的初糖浓度,菌 体浓度增长快,可促进菌体生长.但随着葡萄糖浓度 的增加,在发酵中后期细胞生长速度与葡萄糖消耗速 度明显下降,糖酸转化率也相应降低.因此,单纯用 为38 mL,补料次数、补料时间、每次补料体积随试 提高初糖浓度的措施并不能有效地增加糖酸转化率. 验要求操作.每种条件做3瓶,L一异亮氨酸产量取 平均值. 1.4分析方法 菌体生长测定为离心菌体后于105℃烘干至恒 重;pH用pH:6.4~8.0精密pH试纸测定;残糖 用SBA一40A型葡萄糖一谷氨酸分析仪测定;氨基酸 用化学比色法测定. 2结果与讨论 2.1 不同初糖浓度与上厂异亮氨酸积累的关系 在发酵培养基中加入不同起始浓度的葡萄糖 (80,130,190 g/L)进行分批发酵,发酵过程中取样 测定菌体干重、残糖和L一异亮氨酸产量,结果如图 1—3所示. t/h 图1不同初糖浓度葡萄糖的消耗量 t/h 图2不同初糖浓度菌体生长曲线 0 16 24 4O 56 64 72 78 9O 96 t/h 图3不同初糖浓度I,异亮氨酸产量曲线 表1不同初糖浓度对发酵的影响 P初糖浓度/IDr,异亮氨酸/ID苗体浓度/ 发酵周 糖酸转 (g・L一 )(g・L一 )(g・L一 ) 期/h 化率/ 80 9.5O 15.47 4O 11.88 13O 14.10 16.7O 72 1O.85 19O 19。66 17.2O 96 1O.8O 2.2不同补糖方式对发酵的影响 试验中保持葡萄糖浓度(150 g/L)和初糖浓度 (80 g/L)不变,考查了补糖次数、不同补糖时间对 L一异亮氨酸发酵的影响.接种后每瓶装液量为 30 mL,含糖2.4 g;每瓶补糖(浓度为412 g/L)量 为:方式A和方式B分别于发酵24和32 h后,一 次性补加剩余的糖各8 mL(含3.3 g);方式C于发 酵24和32 h后各补糖4 mL;方式D于发酵32,48, 6O和80 h后,每次补糖2 mL,实验结果见表2. 表2不同补糖方式的补料分批发酵结果 从表2可知,以补糖方式D即发酵过程第32, 48,60和80 h分4次补糖的发酵效果比其他3种补 糖方式好.因为菌体在较低浓度葡萄糖下生长,不 存在底物葡萄糖对菌体生长和产酸的抑制作用.发 酵24 h,菌体处于对数生长初期,残糖为39 g/L左 右.方式A补糖后葡萄糖浓度为117.6 g/L,与分 批发酵相比,菌体仍在高浓度葡萄糖下生长,葡萄糖 对菌体生长和产酸的抑制作用没有明显减轻,因而 L一异亮氨酸产量提高不多.发酵32 h,菌体处于对 数生长中期,残糖为18 g/L左右,补糖后葡萄糖浓 度以方式B的最高,达101 g/L,由于环境改变较 快,对菌体生长影响较大,因而产酸量相对较低. 2.3初铵浓度不同与发酵过程一次补铵对发酵的 影响 铵盐在L_异亮氨酸发酵中具有非常重要的作用, 它不但可以补充培养基中的氮源,而且可以调节发酵 液的pH环境.因此,实验保持葡萄糖浓度(150 g/L) 不变,考查了不同初铵浓度在发酵48 h后一次性补 加剩余(NH )。SO 的发酵工艺对产酸的影响.每 瓶实际补铵体积见表3,补铵后每瓶总装液量仍为 ・ 8 ・ 天津师范大学学报(自然科学版) 2008年1O月 38 mL,实验结果见表4. 表3补铵体积说明表 补铵液浓度为4o g/L(NH4)2SO4溶液 表4初铵浓度不同的补料分批发酵结果 分析表4得知,以初铵浓度6 g/L为佳.补铵之 前,初铵浓度偏低,发酵48 h补铵量相对最大,补铵 后与分批发酵的基质条件相差不大,仍属于在较高浓 度铵盐环境下发酵,因而产酸量提高不明显;补铵之 后,初铵浓度较大,发酵48 h的铵盐浓度仍较大,补 铵后菌体仍处于较高浓度铵盐环境下发酵,在未补酸 的情况下pH偏高,对菌体生长有一定的抑制作用, 致使产酸速率有所下降,因而产酸量亦相对较低. 2.4不同补铵方式对发酵的影响 实验考查了葡萄糖浓度(150 g/L)、初铵浓度 ((NH )。SO 为6 g/L)相同而补铵次数、补铵时间 不同对L一异亮氨酸发酵的影响,实验结果见表5. 每瓶实际补铵时间和体积见表6. 表5不同补铵方式的补料分批发酵结果 补铵液浓度为5O g/L(NH4)2SO4溶液,每瓶补铵体积均为8 mL, 总装液量仍为50 mL. 分析表5可知,以补铵方式H即多次少量补铵、 维持较低铵盐浓度的发酵效果最好. 2.5全组分补料方式对发酵的影响 每瓶初始培养基27 mL,含3O mL体积的发酵培 养基全成分,其中初糖浓度为80 g/L,即2.4 g/瓶,初 始(NH )zSO4浓度为6 g/L,接种量3 mL,即初始装 液量为3O mL,于发酵过程24,48,6O和80 h时,每 瓶每次补加2.5 mL全组分补料液,补料液含葡萄 糖360 g/L和(NH )2SO 25 g/L,补料完毕,每瓶 总装液量为4O mL,实验结果见表7. 本实验是在初糖和初铵浓度均较低条件下,于 发酵过程24 h后分4次补加全组分培养基.每次补 料前残糖15~25 g/L,补料后残糖80 g/L左右, (NH ) SO 浓度都低于6 g/L,并且每次补加的都 是新鲜培养基,从而改善了基质环境,更有利于菌体 生长和代谢产酸.试验结果显示,上述补料分批发 酵工艺的L一异亮氨酸产量及糖酸转化率,分别比摇 瓶分批发酵提高了7.29 9/6和6.93 9/6. 表7全组分补料摇瓶发酵试验结果 3 结论 1)在其他发酵条件相同的情况下,采用不同初 糖浓度的分批发酵,其结果为采用较高的初糖浓度 会使发酵周期延长,糖酸转化率降低;而较低浓度的 初糖可以使菌体增长快,耗糖速度加快,但是产酸率 没有达到最高值.所以单纯用提高初糖浓度的方法 并不能有效地增加L一异亮氨酸的产率和转化率. 2)以摇瓶分批发酵优化条件为基础,进行了不同 补糖方式的摇瓶分批发酵研究,结果为初糖浓度在 80 g/L,于发酵过程第24,32,6O和80 h分4次补加 补料液,发酵96 h时,产L一异亮氨酸为21.96 g/L, 比摇瓶分批发酵提高了7.29%,糖酸转化率达到 15.34%. 参考文献: [1]Shiio I.Production of L—isoleucine by AHV resistant mutants of brevibacterium falvum[J].Agric Biol Chem,1973(37): 2053—2058. [2]Ikeda S.Screening of L—isoleucine producers among Ethionine resistant mutants of L—threonine producing bacteria[J].Agric Biol Chem,1976(40):511—516. [3]Ideda S.Culture conditions of L—isoleucine fermentation from acetic acid[J].Agric Biol Chem,1976(40):517—522. [4]Guillouet S,Rodal A A,An G H,et a1.Expression of the Esche— richia coli catabolic threonine dehydratase in Corynebacterium glu— tamicum and its effect on isoleucine production[J].Appl Envi— ron Microbiol,1999,65(7):3100—3107. (下转第18页) 天津师范大学学报(自然科学版) 2008年1O月 在Brock幼苗中共检测到约300个蛋白质斑 参考文献: [1] 齐莉莉,陈佩度,刘大钧,等.小麦白粉病新抗原一基因 Pm21EJ].作物学报,2007,3(21):258—262. E23 Hu X Y,Ohm H W,Dweikat I.Identification of RAPD mark— ers linked to the gene PM1 for resistance to powdery mildew in 点;分子量为8~110 kD,等电点在pH一4.5~8.6 时,Brock、京411和杂交及回交后代的双向电泳蛋 白质谱型基本一致.但在京411中,存在一个分子 量约为8 kD、等电点约为5.3的特异蛋白,此特异 蛋白在Brock中不存在;在京411与Brock杂交、回 交后所得后代近等基因系中,也没有检测到8 kD/ pI 5.3特异蛋白,而此近等基因系的双向电泳谱型 与抗病亲本Brock完全一致,在幼苗蛋白质谱型上 呈Brock显性遗传. wheat[J].Theor Appl Genet,1997,94:832—840. E3]张维佳,李纯正,黄海泉,等.玉米T型细胞质雄性不育系与 相应保持系线粒体蛋白质组中的差异蛋白EJ].分子细胞生物 学报,2007,6(4O):419—427. [4]Miguel Curto,Emilio Camafeita,Juan A Lopez,et a1.A pro— teomic approach to study pea(Pisum sativum)responses to powdery mildew(Erysiphe pisi)[J].Proteomics,2006,6: 3 结论 京411是严重感染白粉病的一个小麦品种,当 S163一S174. [5]Bradford M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of pro— 与抗病品种Brock杂交后,后代由感病转变为抗病, 双向电泳检测所得蛋白质组成结果与上述现象相一 tein—dye binding[J].Anual Biochem,1976,72:248—254. E6]0 Farrel P H.High resolution of two dimensional electropho— 致,在感病品种京411中存在的8 kD/pI 5.3特异 蛋白,却在与Brock杂交后的后代近等基因系中不 存在.幼苗蛋白质谱型与Brock相一致,近等基因 系中蛋白质谱型的遗传与抗性的遗传相一致,这虽 resis of proteins[J].Biochem,1975,250:4007—4021. [7]Laemmli U K.Cleavage of structure proteins during the as— sembly of the head of bacteriophase T4 EJ].Nature(Lond), 1970,227:680—685. .E8]Wary W,Boulikas T,Wary V P,et at.Silver staining of proteins in polyacrylamide gels[J].Ann Biochem,1981,118:197—203. 然还不能肯定京411中存在的特异蛋白是否与其感 病特性相关,但此至少可以为今后小麦白粉病的抗 [9]Wang Z Y,Zhao P,Chen H,et a1.Identifiation of RAPD markers and development of SCAR markers linked to a powdery mildew re— sistance gene,and their location on chromosome in wheat cultivar 性鉴别提供一种参考依据.这在小麦白粉病抗、感 特性的实验室内检测及抗白粉病小麦新品种的选育 等方面可能是有意义的. Brock[J ̄.Plant Production Science,2005,8(5):578—585. (责任编校 南凤仙) (上接第8页) E5J Guillouet S,Rodal A A,An G H,et a1.Metabolic redirection of carbon flow toward isoleucine by expressing a catabolic thre— onine dehydratase in a threonine— overproducing Corynebacteri—— during the fermentation process of fish sauce E J].Amino Acids,2003,24(1—2):81—87. E8]张伟国.L一异亮氨酸的发酵条件[J].无锡轻工大学学报, 1998,17(3):46—48. “ glutamicum[J].Appl Microbiol Biotechnol,2001,57(5— 6):667—673. [9] 张伟国.供氧对L一异亮氨酸分批发酵的影响[J].无锡轻工大 学学报,2001,20(5):538—539. E6]Eden A,Van Nedervelde L,Drukker M,et a1.Involvement of branched-chain amino acid aminotransferases in the production of [1O3许正宏,陈小静.营养及环境条件对黄色短杆菌WL-10发酵 生产L一异亮氨酸的影响[J].食品与发酵工业,2002,28(5): 14—17. fusel alcohols during fermentation in yeast EJ].Appl Microbiol Biotechnol,2001,55(3):296—300. E7] Sanceda N G,Suzuki E,Kurata T.Branched chain amino acids as source of specific branched chain volatile fatty acids [11] 浦军平,陈刚.L一异亮氨酸发酵工艺条件的研究.食品与发 酵工业,2003,29(2):93—96. (责任编校 南风仙)