热凝胶多糖产生菌株的复合诱变选育

来源 :安徽农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vertra
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要[目的]提高热凝胶多糖产量和凝胶特性。[方法]采用紫外线和亚硝基胍对土壤杆菌714进行诱变;通过平板-摇瓶筛选方法,得到2株高产菌。[结果]突变菌株0.6-45和0.5-50的热凝胶多糖粗提得率分别为26.5和26.4 g/L,分别是出发菌株粗提得率(3.8 g/L)的7.0和6.9倍,热凝胶多糖精提得率分别为19.4和18.0 g/L。凝胶特性分析表明,突变菌株热凝胶多糖凝胶的破裂强度、破裂位移、弹性、内聚性、恢复性较好,均高于市售样品,而凝胶强度、硬度、胶着性和咀嚼性低于市售样品。GPC测定菌株0.6-45和菌株0.5-50产热凝胶多糖的MW分别为1.57×106和1.27×106 Da。[结论]复合诱变提高了热凝胶多糖的产量并改善了多糖的凝胶特性。
  关键词热凝胶多糖;紫外诱变;亚硝基胍诱变;高产菌株;凝胶特性
  中图分类号Q93文献标识码A文章编号0517-6611(2017)11-0007-04
  Abstract[Objective] In order to improve the yield and quality of curdlan.[Method] Agrobacterium sp.714 was mutated by UV and NTG.Two highyield strains were selected by plate spreading and shakingflask fermentation.[Result] The crude yield of curdlan from the strain 0.6-45 and strain 0.5-50 were 26.4 and 26.5 g/L,and were 6.9 and 7.0 times higher than the crude yield of parent strain (3.8 g/L).The refined yield of curdlan from the strain 0.6-45 and strain 0.5-50 were 19.4 and 18.0 g/L.The characteristics of gel showed that the fracture strength,fracture distance,springiness,cohesiveness and resilience were higher than the sample from market,and the gel strength,hardness,gumminess and chewiness were lower than sample from market.GPC results showed the molecular weights were respectively 1.57×106 and 1.27×106 Da for curdlan from the strain 0.6-45 and 0.5-50.[Conclusion] Combined mutation improves the yield of curdlan and changes the characteristics of gel.
  Key wordsCurdlan;UV mutation;NTG mutation;Highyield strain;Gel characteristics
  热凝胶多糖又称可得然胶,是一种主要由土壤杆菌类微生物产生的胞外β-1,3-葡聚糖[1-3],因其在加热条件下可以形成凝胶的独特性质而得名[4]。热凝胶多糖最早是在1966年被Harada等[5]发现并开始研究,1996年被美国FDA(Food and Drug Administration)认证安全,可用作食品添加剂[6]。热凝胶多糖具有独特的加热成膠性[7]、良好的持水性[8]、冻融稳定性[9]和安全性[6]等优良特性,近年来研究还发现其具有增强免疫和抗肿瘤的特性[10],在食品[11-12]、生物医药[13-15]等领域具有广阔的应用前景。
  为提高热凝胶多糖的产量,降低生产成本,国内外研究人员多采用优化发酵工艺提高热凝胶多糖的产量。West[16]对菌株进行了诱变并结合培养基优化提高多糖的产量;Lee等[17]通过热凝胶多糖发酵中pH控制策略提高多糖产量;Lawford等[18]从反应器设计方面提高多糖的发酵产量;国内自20世纪90年代开始进行热凝胶多糖的研究[19],詹晓北等主要从发酵工艺[20-21]和生物反应器[22]方面提高多糖的产量。少数研究者通过菌种改造提高热凝胶多糖产量,Kim等[23]对一株土壤杆菌进行亚硝基胍诱变,显著提高了产量,刘楠[24]利用紫外诱变和李卫旗等[25]利用60Co γ-射线诱变对菌株进行选育,山东省食品发酵工业研究设计院对从土壤中分离出的产热凝胶多糖菌株进行性能研究和发酵优化并已投入工业生产[26],但目前产品的产量和质量水平仍然无法满足市场需求。热凝胶多糖作为一种食品凝胶应用时,不仅需要高的产量更需要好的凝胶特性,但目前为止,国内外对热凝胶多糖的研究主要集中于提高产量,而很少关注热凝胶多糖的凝胶特性。笔者以实验室保存的一株土壤杆菌为出发菌,分别对其进行了紫外诱变和亚硝基胍诱变,利用不同诱变剂间的协同效应,既提高了热凝胶多糖的产量又改善了其凝胶特性,旨在为热凝胶多糖的工业化生产和应用提供理论依据。
  1材料与方法
  1.1材料
  1.1.1菌株。 土壤杆菌(Agrobacterium sp.)714,由东华大学化学化工与生物工程学院实验室保存。
  1.1.2培养基。斜面培养基:葡萄糖10.00 g/L,牛肉膏3.00 g/L,蛋白胨5.00 g/L,NaCl 5.00 g/L,玉米浆1.50 g/L,琼脂15.00 g/L,pH 7.0。种子培养基:葡萄糖20.00 g/L,(NH4)2HPO4 5.00 g/L,玉米浆1.50 g/L,KH2PO4 1.50 g/L,MgSO4·7H2O 1.00 g/L,pH 7.0。平板筛选培养基:葡萄糖70.00 g/L,酵母提取物4.00 g/L,苯胺蓝0.05 g/L,琼脂15.00 g/L,pH 7.0。发酵培养基:葡萄糖50.00 g/L,玉米浆2.00 g/L,(NH4)2HPO4 2.00 g/L,KH2PO4 2.00 g/L, MgSO4·7H2O 1.00 g/L,CaCO3 2.00 g/L,pH 7.0。   1.2方法
  1.2.1菌悬液制备及菌落单位计数。 从斜面挑取一环菌落接入50 mL种子培养基,250 r/min、30 ℃振荡培养20 h。取培养液4 000 r/min离心5 min,去上清,沉淀中加入与上清等体积生理盐水,振荡重悬制成菌悬液,稀释10N倍,取0.1 mL涂布于苯胺蓝平板,30 ℃培养2~3 d,进行计数,平板上平均菌落数记为A,则该菌悬液密度(CFU/mL)=A×10N+1。
  1.2.2紫外诱变。 取900 μL菌悬液(1×108 CFU/mL)于60 mm细胞板中,进行不同时间的紫外照射,紫外灯功率为15 W,待处理菌液与紫外灯距离为30 cm。
  1.2.3亚硝基胍诱变。 称取0.01 g亚硝基胍溶于1 mL丙酮,加9 mL去离子水,制成1 mg/mL亚硝基胍溶液,过滤除菌,现配现用。分别取1 mL菌悬液加入50 mL锥形瓶中,加入不同体积的亚硝基胍母液及PBS缓冲液,使反应体系中菌液的OD600为0.6, 30 ℃振荡处理30 min,再用生理盐水洗3次终止诱变反应,稀释涂布于苯胺蓝平板。
  1.2.4致死率计算。 诱变后菌液的活菌数为CFU1,未处理菌液的活菌数为CFU2,计算致死率。
  1.2.5突变菌株的筛选。 平板筛选:待诱变菌液涂布于筛选平板上,挑選平板上菌落较大、显色较早或显色较深的菌落。摇瓶发酵筛选参考文献[27]。
  1.2.6热凝胶多糖得率测定。 包括粗提得率和精提得率测定[27]。
  1.2.7凝胶的质构分析。 2%热凝胶多糖的凝胶强度测定参考国标(GB 28304—2012)方法[28]。6%热凝胶多糖的TPA分析:称取0.9 g样品于15 mL蒸馏水中,用高速匀浆机在4 000 r/min转速下分散5 min,将悬浊液置于95 ℃水浴加热10 min,取出后在冷水中冷却,用压缩法测TPA。测定条件:Texture Analyser TA XT plus,p/50的不锈钢圆柱探头,测前速度1 mm/s,测中速度1 mm/s,测后速度1 mm/s,时间5 s,形变量75%,感应力5 g。
  1.2.8GPC测热凝胶多糖的分子量。 使用Viscotek GPCmax及Viscotek TDA检测(英国,马尔文仪器有限公司),样品溶于DMSO,100 ℃水浴4 h助溶;测定柱温5 ℃,流动相DMSO(美国天地,色谱纯),流速0.5 mL/min,进样体积100 μL。
  2结果与分析
  2.1土壤杆菌714的紫外诱变与突变菌株筛选出发菌株714是一株产大量水溶性多糖而产少量热凝胶多糖的菌株。为提高该菌株的热凝胶多糖产量,先对该菌株进行紫外诱变。紫外照射时间与致死率的关系见图1。当紫外照射时间为10 s时,致死率较低,在50%~60%。随着诱变时间的延长,致死率逐渐上升。照射时间为20 s时,致死率在90%左右。当照射时间为30 s时,致死率接近100%。试验选择15和25 s 2个诱变剂量进行紫外诱变。
  诱变后的菌液稀释涂布于苯胺蓝平板上,挑选显色较早、较深且表面较干的菌落。经过多批紫外诱变试验,共挑选出35株形态正突变菌,将其接种摇瓶进一步发酵筛选。取发酵液95 ℃加热10 min,发现其中14株菌发酵液可以形成凝胶,对这14株菌的发酵液进行热凝胶多糖粗提并计算粗提得率,结果如图2所示。
  将摇瓶发酵初筛粗提得率较高的前5株菌株再次接摇瓶发酵复筛,发酵液热凝胶多糖粗提得率如图3所示,出发菌株的热凝胶多糖粗提得率为3.8 g/L,突变菌株25-19-2的粗提得率为18.8 g/L,为出发菌株的热凝胶多糖粗提得率的4.9倍。菌株25-19-2用作后续亚硝基胍诱变的出发菌株。
  2.2菌株25-19-2的亚硝基胍诱变及突变菌株筛选在紫外诱变的基础上,以紫外诱变获得的高产菌株25-19-2为出发菌株,进行亚硝基胍诱变。首先考察了亚硝基胍浓度与致死率之间的关系,诱变处理时间为30 min,结果如图4所示,致死率随亚硝基胍浓度升高而升高。当亚硝基胍浓度为0.1 mg/mL时,致死率较低为66.73%;亚硝基胍浓度为0.4 mg/mL时,致死率较高为91.70%;当亚硝基胍浓度为0.6 mg/mL时,致死率已接近100%。
  在不同剂量下对菌株25-19-2进行了多轮亚硝基胍诱变,在苯胺蓝平板上共挑选出344株形态正突变菌,经摇瓶发酵初筛,诱变菌株的热凝胶多糖粗提得率在各剂量下分布如图5所示。当亚硝基胍浓度低于0.1 mg/mL的低剂量下,所挑选突变菌株热凝胶多糖粗提得率没有显著提高,而在较高剂量下,即亚硝基胍浓度大于0.5 mg/mL时,所选突变菌株的热凝胶多糖得率提高较多,即更有可能筛得高产菌株。
  选取摇瓶初筛中粗提得率较高且比对照高10%的19株菌再次接摇瓶发酵复筛,发酵液热凝胶多糖得率结果如图6所示。最终筛选出2株高产菌0.5-50和0.6-45,热凝胶多糖的粗提得率分别为26.5和26.4 g/L,为出发菌株714粗提得率(3.8 g/L)的6.9和7.0倍。菌株0.6-45和菌株0.5-50的热凝胶多糖精提得率为19.4和18.0 g/L,表明尽管热凝胶多糖的粗提得率相近,但菌株0.6-45的精提得率较高,说明菌株0.6-45产热凝胶多糖的能力更强。
  2.3凝胶特性分析以市售的进口热凝胶多糖样品为对照,对诱变所得高产菌株0.6-45和0.5-50的热凝胶多糖凝胶性能进行测定,结果见表1。市售样品的凝胶强度为483.784 g/cm2,菌株0.6-45和菌株0.5-50的热凝胶多糖的凝胶强度偏低,分别为359.115和326.241 g/cm2,而突变菌株热凝胶多糖的凝胶破裂强度和破裂位移均高于市售样品,表明凝胶的韧性好于市售样品。   凝胶的TPA分析结果见表2,诱变菌株多糖样品凝胶的硬度、胶着性和咀嚼性都低于市售样品,而弹性、内聚性、恢复性都高于市售样品,表明诱变菌株所产热凝胶多糖样品相比于市售样品更韧、弹性更大,这与凝胶的破裂位移较大是一致的。
  2.4突变菌株热凝胶多糖分子量诱变菌株0.6-45、0.5-50所产热凝胶多糖精提样品的GPC分析结果见表3。 菌株0.5-50多糖的MW在1.27×106 Da左右,菌株0.6-45多糖的MW在1.57×106 Da左右,2株菌所产热凝胶多糖的分子量均大于市售样品多糖。结合上述测定的凝胶特性可以看出,多糖分子量大时所形成的凝胶偏韧。
  3结论与讨论
  该研究首次在筛选菌株时不仅考察热凝胶多糖的产量而且测定多糖的凝胶特性,采用紫外诱变结合亚硝基胍诱变以及平板筛选-摇瓶初筛-摇瓶复筛的筛选体系,筛得2株热凝胶多糖高产菌0.6-45和0.5-50。菌株0.6-45和0.5-50的热凝胶多糖粗提得率分别为26.5和26.4 g/L,分别是出发菌株714(3.8 g/L)的7.0和6.9倍。2株高产菌产热凝胶多糖的凝胶特性差异不大,所产热凝胶多糖的MW分别为1.57×106和1.27×106 Da,凝胶强度均略低于市售样品,但比市售样品凝胶更韧、弹性更大,可利用这个性质将该多糖用于需要一定韧性和弹性的产品中,为热凝胶多糖的工业化生产和应用奠定基础,同时可看出热凝胶多糖的产量和凝胶特性间没有相关性,因此,菌株的诱变筛选中应结合产量和凝胶特性综合评价菌株的特性。
  参考文献
  [1] SHIH I L,YU J Y,HSIEH C,et al.Production and characterization of curdlan by Agrobacterium sp.[J].Biochemical engineering journal,2009,43(1):33-40.
  [2] 朱思明,于淑娟,杨连生,等.热凝胶多糖及其衍生物的结构与功能研究进展[J].现代食品科技,2004,20(Z1):78-81.
  [3] ZHANG R R,EDGAR K J.Properties,chemistry,and applications of the bioactive polysaccharide curdlan[J].Biomacromolecules,2014,15(4):1079-1096.
  [4] 李明源,王继莲,魏云林,等.细菌胞外多糖的特性及应用研究[J].生物技术通报,2014(6):51-56.
  [5] HARADA T,MASADA M,FUJIMORI K,et al.Production of a firm,resilient gelforming polysaccharide by a mutant of Alcaligenes faecalis var.myxogenes 10C3[J].Agricultural & biological chemistry,1966,30(2):196-198.
  [6] DEMLEITNER S,KRAUS J,FRANZ G.Synthesis and antitumour activity of sulfoalkyl derivatives of curdlan and lichenan[J].Carbohydrate research,1992,226(2):247-252.
  [7] MAEDA I,SAITO H,MASADA M,et al.Properties of gels formed by heat treatment of curdlan,a bacterial β1,3 glucan[J].Agricultural and biological chemistry,1967,31(10):1184-1188.
  [8] WILLIAMS P D,SADAR L N,LO Y M.Texture stability of hydrogel complex containing curdlan gum over multiple freezethaw cycles[J].Journal of food processing & preservation,2009,33(1):126-139.
  [9] TAKAHASHI F,HARADA T.Resistance of curdlan gel against freezethawing[J].Journal of home economics of Japan,1986,37(4):251-256.
  [10] YOSHIDA T,HATANAKA K,URYU T,et al.Synthesis and structural analysis of curdlan sulfate with a potent inhibitory effect in vitro of AIDS virus infection[J].Macromolecules,2002,23(16):3717-3722.
  [11] 劉亭君,任红,杨洋,等.凝胶多糖的制备及其在可食性膜的应用[J].现代食品科技,2006,22(4):57-60.
  [12] 詹晓北,韩杰.热凝胶的性质及其在食品中的应用[J].食品工业科技,2001,22(2):85-88.
  [13] GORDON M,GURALNIK M,KANEKO Y,et al.Further clinical studies of curdlan sulfate (CRDS):An antiHIV agent[J].Journal of medicine,1995,26(3/4):97-131.   [14] LAROCHE C,MICHAUD P.New developments and prospective applications for β (1,3) glucans[J].Recent patents on biotechnology,2007,1(1):59-73.
  [15] KIM B S,JUNG I D,KIM J S,et al.Curdlan gels as protein drug delivery vehicles[J].Biotechnology letters,2000,22(14):1127-1130.
  [16] WEST T P.Elevated curdlan production by a mutant of Agrobacterium sp.ATCC 31749[J].Journal of basic microbiology,2009,49(6):589-592.
  [17] LEE J H,PARK Y H.Optimal production of curdlan by Agrobacterium sp.with feedback inferential control of optimal pH profile[J].Biotechnology letters,2001,23(7):525-530.
  [18] LAWFORD H G,ROUSSEAU J D.Bioreactor design considerations in the production of highquality microbial exopolysaccharide[J].Applied biochemistry & biotechnology,1991,28(1):667-684.
  [19] 王澤建.凝胶多糖高产菌株的选育、发酵工艺条件优化及发酵动力学研究[D].南宁:广西大学,2004.
  [20] 詹晓北,韩杰,李珍雨,等.一株粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)产热凝胶的发酵条件[J].无锡轻工大学学报,2001,20(4):347-350.
  [21] ZHANG H T,ZHAN X B,ZHENG Z Y,et al.Improved curdlan fermentation process based on optimization of dissolved oxygen combined with pH control and metabolic characterization of Agrobacterium sp.ATCC 31749[J].Applied microbiology & biotechnology,2012,93(1):367-379.
  [22] 张洪涛,詹晓北,郑志永,等.热凝胶的高产策略及功能研究进展[J].生物加工过程,2009,7(5):8-12.
  [23] KIM M K,RYU K E,CHOI W A,et al.Enhanced production of (1 → 3)βdglucan by a mutant strain of Agrobacterium species[J].Biochemical engineering journal,2003,16(2):163-168.
  [24] 刘楠.凝胶多糖高产菌株的筛选及其所产多糖的定性研究[D].南宁:广西大学,2001.
  [25] 李卫旗,何国庆.60Coγ射线诱变选育热凝胶多糖高产菌株的研究[J].核农学报,2003,17(5):343-346.
  [26] 詹晓北,韩杰,朱莉.一种新型的微生物多糖食品添加剂——热凝胶[J].冷饮与速冻食品工业,2001,7(1):27-31.
  [27] 刘毅超,付雅欣,陆泽斌,等.热凝胶多糖高产菌株的诱变选育[J].纤维素科学与技术,2016,24(3):12-16.
  [28] 中华人民共和国卫生部.食品添加剂 可得然胶:GB 28304—2012[S].北京:中国标准出版社,2012.
其他文献
摘要 [目的]探索密度調控對红松人工林碳汇能力的影响。[方法]对辽宁省草河口地区不同间伐强度红松人工林的碳贮量及其空间分布格局进行了对比研究。[结果]在各间伐强度红松人工林内红松各营养器官生物量和碳贮量从大到小依次为为干、根、枝、叶,不同间伐强度红松人工林乔木层、草本层、凋落物层及土壤层碳贮量均存在差异,乔木层碳贮量从大到小依次为弱度间伐区(197.52 t/hm2)、中度间伐区(197.10 t
摘要[目的]探寻防治榆紫叶甲病的生防菌株。[方法]从榆紫叶甲虫体上分离菌株后进行培养,并对室内饲养的榆紫叶甲各龄幼虫进行致病性试验。[结果]从感病榆紫叶甲成虫虫体上分离到18个菌株,其中12个菌株具有几丁质和蛋白质降解活性。5个菌株对1~2 龄幼虫表现出不同程度的致病力,在接种后1~3 d幼虫开始死亡,处理后7 d 幼虫的累积死亡率为21.2%~46.8%,其中YJA-03和YJA-10菌株的累积
由中国石材协会组织的第三届“华表杯”优质石材装饰工程评选活动,经“华表杯”优质石材装饰工程专家评委会认真公正地评审和网上公示,最终评选结果揭晓,下列参评工程获得了第三
摘要[目的]利用傅里叶变换红外光谱法(FT-IR法)鉴别中药材海金沙的正品及其掺伪品。[方法]在合适的条件下(光谱范围:4000~400 cm-1;分辨率:4 cm-1;透过率:0~100%;扫谱次数:32次;速度:0.632 9 cm/s;检测器:DTGSKBr;Thermo scientific EZ OMNIC仪器系统操作软件;图谱修正:水和二氧化碳;背景光谱管理:采集样品前采集背景),利用