余瞻,趙福權(quán),徐成龍,王珍珍,張澤鑫,沙如意*,毛建衛(wèi),2*
1(浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同中心, 浙江 杭州,310023)2(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 紹興,312000)
細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose,BC)是由微生物合成的天然生物納米高聚物,因其具有高結(jié)晶度、高聚合度,強(qiáng)親水持水能力,較高的生物相容性、適應(yīng)性和良好的生物可降解性[1-2],黏稠性、凝膠性、穩(wěn)定性和完全不被人體消化[3]等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中,如以椰子水為原料發(fā)酵而成的椰果[4],代替肥肉制備低熱量發(fā)酵肉腸[5],作為食品添加劑添加進(jìn)酸奶[6]及冰淇凌中[7]等。同時(shí)作為一種膳食纖維,BC是由美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局公認(rèn)的安全食品添加劑[8]。目前限制BC廣泛應(yīng)用的主要因素在其產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高等方面。要實(shí)現(xiàn)BC的工業(yè)化生產(chǎn),尋找合適的產(chǎn)生菌和產(chǎn)量的提高顯得至關(guān)重要。
產(chǎn)BC的菌屬有醋酸桿菌屬、根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、固氮菌屬、氣桿菌屬和產(chǎn)堿菌屬等[9-10],但其中真正能應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的菌種卻很少。趙航等[11]和尹園等[12]分別利用葡糖醋桿菌J2-1和居間駒形氏桿菌進(jìn)行發(fā)酵,通過(guò)對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基中碳源、氮源、乙醇、有機(jī)酸及無(wú)機(jī)鹽的優(yōu)化,使得細(xì)菌纖維素產(chǎn)量得到有效提高,分別達(dá)到9.34和15.68 g/L。紅茶菌[13-14]是獲得高產(chǎn)BC菌種的良好來(lái)源。它是一種由糖茶水經(jīng)酵母、醋酸菌以及少量的乳酸菌的共生菌群發(fā)酵而成的茶飲料,在中國(guó)已有100多年的使用歷史。盡管目前已有一些利用紅茶菌選育優(yōu)良菌株的研究[15-16],但BC的產(chǎn)量仍無(wú)法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。因此本研究以紅茶菌發(fā)酵液中各菌種為研究對(duì)象,經(jīng)篩選、分離、鑒定,獲得BC產(chǎn)生菌株,并對(duì)該菌株發(fā)酵過(guò)程中的菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成及底物消耗動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建和研究,分析發(fā)酵過(guò)程中各指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化,為BC發(fā)酵工藝優(yōu)化及其工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。
1.1.1 試劑
紅茶菌,由浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供;蔗糖、瓊脂、蛋白胨、葡萄糖、NaOH、MgSO4、K2HPO4,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;乙醇,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;酵母浸粉,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;冰醋酸、制霉菌素,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.1.2 培養(yǎng)基
富集培養(yǎng)基:葡萄糖2 g,酵母浸粉0.5 g,蛋白胨0.5 g,檸檬酸0.1 g,MgSO40.5 g,制霉菌素500單位/L,水100 mL,pH 6.0。
分離培養(yǎng)基:葡萄糖2 g,酵母浸粉0.5 g,蛋白胨0.5 g,K2HPO40.1 g,醋酸0.15 mL,瓊脂2 g,水100 mL,pH 5.0。
發(fā)酵液體培養(yǎng)基:葡萄糖2 g,酵母浸粉1 g,MgSO41 g,K2HPO40.1 g,無(wú)水乙醇3 mL,水100 mL。
發(fā)酵固體培養(yǎng)基:葡萄糖2 g,酵母浸粉1 g,MgSO41 g,K2HPO40.1 g,無(wú)水乙醇3 mL,瓊脂2 g,水100 mL。
種子培養(yǎng)基:葡萄糖1 g,酵母浸粉1 g,無(wú)水乙醇3 mL,水100 mL,pH 6.0。
以上培養(yǎng)基均121 ℃滅菌15 min;無(wú)水乙醇均在各培養(yǎng)基滅菌后,無(wú)菌條件下進(jìn)行添加。
GZX-9140MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱、YXQ-LS-75SII立式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;Allegra X-12R冷凍離心機(jī),美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司;EM-1011電子顯微鏡,日本電子公司。
1.3.1 產(chǎn)細(xì)菌纖維素菌株的篩選
將紅茶菌接于富集培養(yǎng)基中,30 ℃、160 r/min,搖床培養(yǎng)24 h。隨后準(zhǔn)確移取100 μL梯度稀釋后的菌液至分離培養(yǎng)基中涂布分離[17]。挑選分離培養(yǎng)基平板上生長(zhǎng)較好的單菌落,于發(fā)酵液體培養(yǎng)基中30 ℃培養(yǎng),觀察并挑選出具有菌膜的菌株即為BC生產(chǎn)菌株。將篩選所得菌株按1%的接種量接種于液體發(fā)酵培養(yǎng)基中,每組3個(gè)平行,30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 d,取出BC膜,經(jīng)過(guò)0.1 mol/L的NaOH溶液處理后,烘干稱量挑選產(chǎn)量高且遺傳性狀穩(wěn)定的菌株,保存于4 ℃冰箱中備用。
1.3.2 菌種鑒定
1.3.2.1 形態(tài)及生理生化特征鑒定
將挑選出的菌株分別同時(shí)接種于發(fā)酵固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基中,30 ℃恒溫培養(yǎng)72 h,記錄菌落大小、形狀、顏色、液面是否有菌醭或菌島,底層是否有沉淀等。對(duì)菌種進(jìn)行革蘭氏染色,于顯微鏡下觀察細(xì)菌的形態(tài),記錄菌體大小、形狀、繁殖方式等。
根據(jù)《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)》[18]和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》[19]進(jìn)行生理生化特征檢測(cè),主要包括:色素實(shí)驗(yàn)、生酮實(shí)驗(yàn)、唯一氮源實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)5-酮基葡萄糖酸鹽、運(yùn)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)、高糖實(shí)驗(yàn)、乙醇生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)醋酸定性試驗(yàn)、氧化乙酸實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)BC試驗(yàn)等。
1.3.2.2 分子生物學(xué)鑒定
對(duì)挑選出的菌株進(jìn)行16S rDNA序列檢測(cè)(委托生工生物工程(上海)股份有限公司),將菌株測(cè)序的序列提交至美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information, NCBI)Genbank數(shù)據(jù)庫(kù),采用基本檢索工具進(jìn)行同源性序列比對(duì)相似性分析,并利用分子進(jìn)化遺傳分析軟件MEGA 8.0構(gòu)建16S rDNA基因的系統(tǒng)發(fā)育樹,采用鄰接(neighbor-joining, NJ)法進(jìn)行菌株16S rDNA基因分析,以確定菌株種屬。
1.3.3 細(xì)菌纖維素的發(fā)酵制備
將篩選所得菌株接種至種子培養(yǎng)基中,30 ℃、150 r/min恒溫活化培養(yǎng)24 h。隨后將活化后的種子液以6%接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基中,30 ℃恒溫靜置培養(yǎng)14 d獲得BC膜,每隔24 h取樣測(cè)量菌體濃度、還原糖含量以及BC產(chǎn)量并記錄。每個(gè)菌株做3個(gè)平行。
1.3.4 菌體濃度的測(cè)定
在培養(yǎng)基(培養(yǎng)14 d)中加入2 mL在0.1 mol/L的醋酸鉀-醋酸緩沖液中活化完全的纖維素酶溶液(100 IU/g),于50 ℃,pH 5.0的條件下充分水解 2 h。取適量稀釋后水解液在610 nm波長(zhǎng)下測(cè)量菌體濃度OD610。
1.3.5 還原糖含量的測(cè)定
使用DNS法[20]測(cè)定發(fā)酵液中還原糖含量。
1.3.6 細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的測(cè)定[21]
將BC膜取出水洗后,置于0.1 mol/L的NaOH溶液溶液中,100 ℃水浴30 min以除去殘余的培養(yǎng)基和細(xì)菌殘骸,用純水反復(fù)洗滌或浸泡直至中性,得到白色透明狀的BC膜。將膜置于烘箱中105 ℃烘干至恒重,稱量記錄。
1.3.7 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型的建立
利用Origin 8.0 軟件對(duì)BC發(fā)酵過(guò)程中菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成以及底物消耗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,分別建立菌體生長(zhǎng)模型、產(chǎn)物生成模型以及底物消耗動(dòng)力學(xué)模型。
1.3.7.1 菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型
選用Logistic方程模擬菌體生長(zhǎng)趨勢(shì),建立菌體生長(zhǎng)模型。菌體生長(zhǎng)模型的微分表達(dá)式如公式(1)所示:
(1)
公式(1)積分可得公式(2):
(2)
式中:X0為菌體初始生物量,OD值;Xm為菌體最大生物量,OD值;X為t時(shí)刻的菌體生物量,OD值;μm為最大比生長(zhǎng)速率,h-1;t為發(fā)酵時(shí)間,d。
將公式(2)積分變形得到公式(3):
(3)
1.3.7.2 產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型
選取Luedeking-Piret方程[30]來(lái)描述BC產(chǎn)物的生成模型,如公式(4)所示:
(4)
式中:P為產(chǎn)物濃度,g/L;X為菌體生物量,OD值;t為發(fā)酵時(shí)間,d;α為與菌體生長(zhǎng)有關(guān)的合成常數(shù);β為與菌體量有關(guān)的合成常數(shù)。
將公式(1)、(2)代入公式(4)式并積分得公式(5):
(5)
(6)
1.3.7.3 底物消耗動(dòng)力學(xué)模型
底物消耗的模型表達(dá)式如公式(7)所示:
(7)
式中:S為底物濃度,g/100mL;YX/S為菌體對(duì)底物的得率系數(shù);YP/S為產(chǎn)物對(duì)底物的得率系數(shù);m為細(xì)胞維持系數(shù);t為時(shí)間,d。
將公式(4)代入公式(7)可得公式(8):
(8)
(9)
(10)
分別將公式(1)、(2)代入公式(9)并積分可得
S=S0-k1C(t)-k2D(t),即如公式(11)所示:
(11)
采用涂布分離法分離得到5株BC生產(chǎn)菌株,將它們分別命名為C1、C2、C3、C4、C5,并在相同的條件下進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng),形態(tài)特征和產(chǎn)BC的能力如表1所示。5株菌均為白色圓形菌落,菌落光滑不透明且邊緣整齊,微凸黏稠,無(wú)沉淀和菌醭,在培養(yǎng)特征以及細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征上并無(wú)明顯差別,初步判定為同一菌屬。5株菌發(fā)酵4 d后都具有比較良好的BC的產(chǎn)量,其中C1菌株產(chǎn)量最高。進(jìn)一步對(duì)C1菌株進(jìn)行電鏡觀察,如圖1所示,C1菌體表面光滑,呈近似棒狀,菌體之間有絲狀物連接,符合產(chǎn)纖維類桿菌菌細(xì)胞及形態(tài)的特征。
表1 分離菌株細(xì)菌纖維素產(chǎn)量及形態(tài)特征觀察Table 1 Morphological characteristics and the production of bacteria cellulose of the isolated strains
圖1 C1電鏡觀察圖Fig.1 Electron microscope picture of C1
從5株菌中挑選BC產(chǎn)量最高的C1進(jìn)一步進(jìn)行鑒定實(shí)驗(yàn)。對(duì)C1進(jìn)行生理生化鑒定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。該菌株產(chǎn)生5-酮基葡萄糖酸鹽;沒有生酮作用;不能氧化利用乙酸;不產(chǎn)生褐色素;能在乙醇中生長(zhǎng);不利用硫酸銨作為唯一氮源,即不屬于氮源自養(yǎng)型微生物;不具有鞭毛,不具有運(yùn)動(dòng)性;能產(chǎn)生醋酸;在高糖環(huán)境下不能生存;革蘭氏染色呈陰性。將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)》和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》對(duì)比,得出該菌株為醋酸菌屬。
表2 菌株生理生化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Physiological and biochemical test results of strains
利用ITS1和ITS4、NS1和NS6兩對(duì)引物擴(kuò)增供試菌16S rDNA近5′端的區(qū)域,得到約600、1 300 bp片段,供試菌的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)1和2、16S rDNA電泳結(jié)果見圖2。將該菌序列結(jié)果在GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),同源菌株基因用MEGA 8軟件處理,得到系統(tǒng)進(jìn)化樹如圖3所示,C1與木糖駒形氏桿菌(Komagataeibacterxylinus)在同一分支且具有極高同源相似性。結(jié)合菌株C1形態(tài)學(xué)特征分析,將菌株C1鑒定為木糖駒形氏桿菌。
圖2 供試菌的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)1和2、16S rDNA凝膠電泳圖Fig.2 The internal transcribed spacers 1 and 2 and 16S rDNA gel electrophoresis of the tested bacteria
圖3 C1菌株系統(tǒng)進(jìn)化樹分析Fig.3 Phylogenetic tree analysis of C1
糖駒形氏桿菌發(fā)酵過(guò)程中pH、菌體濃度、BC產(chǎn)量以及還原糖消耗量變化如圖4所示。
圖4 細(xì)菌纖維素發(fā)酵過(guò)程中各參數(shù)變化Fig.4 Changes of various parameters during bacteria cellulose fermentation
由圖4可知,木糖駒形氏桿菌的菌體生長(zhǎng)總體呈現(xiàn)S型曲線,在1~7 d處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,7 d之后趨于平緩進(jìn)入平穩(wěn)期。同時(shí)隨著菌體濃度上升,BC的產(chǎn)量同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì),還原糖含量和pH值呈下降趨勢(shì);當(dāng)菌體進(jìn)入穩(wěn)定期后,BC生成速率大幅提高,還原糖的消耗速率以及pH值的變化逐漸趨勢(shì)平緩。發(fā)酵初期菌種生長(zhǎng)代謝旺盛,大量產(chǎn)酸,導(dǎo)致pH快速下降;而隨著發(fā)酵過(guò)程的繼續(xù)推進(jìn),菌體生長(zhǎng)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定期,菌種少量產(chǎn)酸甚至不產(chǎn)酸,pH也相應(yīng)的緩慢下降至穩(wěn)定。發(fā)酵第14天產(chǎn)BC達(dá)到最高產(chǎn)量4.26 g/L。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出在BC的發(fā)酵過(guò)程中還原糖的消耗主要被用于菌體的生長(zhǎng),而BC在發(fā)酵初期隨著菌體的生長(zhǎng)而緩慢合成,其合成速率主要取決于菌體濃度的多少。木糖駒形氏桿菌產(chǎn)BC的發(fā)酵過(guò)程屬于部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型,這與察可文等[22]認(rèn)為的BC生成與菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)以及細(xì)胞的濃度均有相關(guān)性相一致。而邵偉等[23],齊香君等[24]通過(guò)對(duì)木醋桿菌發(fā)酵產(chǎn)BC過(guò)程中各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)相同時(shí)間內(nèi)BC干重的變化趨勢(shì)與菌體生長(zhǎng)趨勢(shì)相似,推測(cè)BC的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)呈相關(guān)關(guān)系,BC是細(xì)胞代謝的產(chǎn)物,BC的發(fā)酵過(guò)程屬于生長(zhǎng)偶聯(lián)型。這主要是由利用的菌種和培養(yǎng)條件差異所致。
2.5.1 菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型
Monod模型是最早應(yīng)用于菌體生長(zhǎng)的模型,但是該模型把限制性底物的濃度作為影響菌體生長(zhǎng)過(guò)程中比生長(zhǎng)速率的唯一因素,具有較大的局限性。Logistic模型則是一個(gè)典型的S型曲線,在符合菌體生長(zhǎng)趨勢(shì)的同時(shí)[25-26],也能夠較好地反映菌體自身生長(zhǎng)而表現(xiàn)出對(duì)自己的抑制作用[27]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,木糖駒形氏桿菌的生長(zhǎng)同樣呈現(xiàn)S型,因而選用Logistic模型來(lái)描述菌體的生長(zhǎng)。
將X0=0.109,Xm=1.618,μm=0.791代入公式(2)得到菌體的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型:
菌體的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線如圖5所示,相關(guān)系數(shù)R2=0.998,說(shuō)明該方程的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合良好,可以以此描述BC生長(zhǎng)控制的模型。
圖5 菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線Fig.5 The fitting curve of kinetic model of bacterial growth
2.5.2 產(chǎn)物生成模型
在分批發(fā)酵過(guò)程中,產(chǎn)物的生成與菌體生長(zhǎng)的關(guān)系分為3種:生長(zhǎng)偶聯(lián)型、非生長(zhǎng)偶聯(lián)型和部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型[28-29]。根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示,BC的產(chǎn)量在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期均持續(xù)上升,說(shuō)明BC的合成與細(xì)菌的生長(zhǎng)及其菌體濃度均具有相關(guān)性,屬于部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型。因而選取Luedeking-Piret方程[30]來(lái)描述BC的產(chǎn)物生成。
將X0=0.109,Xm=1.618,μm=0.791及β,α代入公式(5)得到BC產(chǎn)物生成的數(shù)學(xué)模型:
BC生產(chǎn)量的擬合曲線如圖6所示,相關(guān)系數(shù)R2=0.958 9,結(jié)果表明理論值與實(shí)驗(yàn)值擬合良好,該方程能夠較好地描述發(fā)酵過(guò)程中BC產(chǎn)物的生成情況。
圖6 產(chǎn)物生成模型擬合曲線Fig.6 The fitting curve of product generation model
2.5.3 底物消耗模型
一般認(rèn)為在發(fā)酵過(guò)程中,限制性底物的消耗主要分為3個(gè)部分:菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成以及細(xì)胞維持正常生命活動(dòng)的消耗[31]。因而底物消耗模型由產(chǎn)物生成及菌體生長(zhǎng)模型結(jié)合得出。
隨后以S-S0-k2D(t)~C(t)作圖,擬合后得到:S-S0-k2D(t)=-0.328 2C(t)-0.041 9,由此可得k1=0.328 2。將X0=0.109,Xm=1.618,μm=0.791及k1,k2代入公式(11),得到葡萄糖底物消耗的數(shù)學(xué)模型:
-0.222 12×ln(0.932 63+0.067 37e0.791t)
葡萄糖底物消耗的擬合曲線如圖7所示,相關(guān)系數(shù)R2=0.962 3,說(shuō)明該方程與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值擬合較好,能夠以此方程為參考描述發(fā)酵過(guò)程中葡萄糖底物的消耗情況。
圖7 底物消耗模型擬合曲線Fig.7 The fitting curve of kinetic model of substrate consumption
通過(guò)對(duì)紅茶菌中菌種進(jìn)行篩選,獲得5株產(chǎn)BC菌株C1、C2、C3、C4、C5,隨后對(duì)這5株菌進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察,初步判定為同一菌屬,符合產(chǎn)纖維類醋酸菌細(xì)胞及形態(tài)特征。隨后通過(guò)生理生化實(shí)驗(yàn)以及16S rDNA序列分析將BC產(chǎn)量較高的菌株C1鑒定為木糖駒形氏桿菌。
以篩選所得木糖駒形氏桿菌為出發(fā)菌株發(fā)酵制備BC,監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中各指標(biāo)的變化,分別構(gòu)建發(fā)酵產(chǎn)BC的菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成以及底物消耗動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明木糖駒形氏桿菌發(fā)酵14 d產(chǎn)BC最高產(chǎn)量為4.26 g/L,產(chǎn)量良好,具有進(jìn)一步的應(yīng)用價(jià)值,BC的發(fā)酵合成屬于部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型。構(gòu)建的3個(gè)模型相關(guān)系數(shù)R2分別為0.998、0.958 9和0.962 3,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)值與模型擬合良好,能可靠地描述發(fā)酵制備BC過(guò)程中各參數(shù)變化,為BC產(chǎn)量的提升以及進(jìn)一步工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。后續(xù)研究中可根據(jù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型對(duì)BC發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控如,建立流加發(fā)酵工藝等,以進(jìn)一步提高細(xì)菌菌纖維素的產(chǎn)量。