周有彩,肖雪花,梁志波,何勇錦,2,陳必鏈,2*
1(福建師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州,350117)2(工業(yè)微生物教育部工程研究中心(福建師范大學(xué)),福建 福州,350117)
小球藻(Chlorellasp.)富含蛋白質(zhì)、色素、多種脂肪酸和淀粉,是食品、醫(yī)藥和能源產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)來(lái)源[1- 2]。當(dāng)前,小球藻的全球年產(chǎn)量可達(dá)2 500 t,但仍處于供不應(yīng)求的局面[3]。原因在于,小球藻的培養(yǎng)主要是利用開放池和光反應(yīng)器2種形式,這種通過(guò)吸收光能的自養(yǎng)培養(yǎng)模式存在很多弊端,如培養(yǎng)周期長(zhǎng)、產(chǎn)量低和采收成本高等問(wèn)題[4]。為填補(bǔ)市場(chǎng)缺口,微藻生產(chǎn)商只能通過(guò)加大用地面積,加大培養(yǎng)規(guī)模來(lái)提高產(chǎn)量。而擴(kuò)培手段又無(wú)法從根本上解決小球藻培養(yǎng)成本高和產(chǎn)率低的問(wèn)題,如何經(jīng)濟(jì)高效地培養(yǎng)小球藻一直都是學(xué)者和生產(chǎn)商的研究熱點(diǎn)。
研究發(fā)現(xiàn),部分小球藻可以利用有機(jī)碳源來(lái)獲取能量以提供自身細(xì)胞代謝合成,進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。與光自養(yǎng)相比,異養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻菌株能有效利用葡萄糖,極大提高生長(zhǎng)速率,獲得更高的產(chǎn)量[5]。小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中,培養(yǎng)基的組成及用量是影響細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[6-7]。適合的培養(yǎng)基往往能使小球藻具有較快的生長(zhǎng)速率以及高的細(xì)胞密度[8]。因此通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)基的組分及用量既可以降低小球藻的生產(chǎn)成本又可以提高產(chǎn)量。然而,小球藻細(xì)胞在異養(yǎng)條件下通常產(chǎn)生低蛋白質(zhì)(<40%)和高脂肪/碳水化合物含量的生物量[9-10]。為有效地提高異養(yǎng)小球藻的蛋白質(zhì)含量,研究人員開發(fā)了一些有效的工藝來(lái)促進(jìn)微藻的蛋白質(zhì)合成,如串聯(lián)異養(yǎng)/自養(yǎng)培養(yǎng)法[11]和氮饑餓-過(guò)度補(bǔ)償法[12]。但這些工藝具有過(guò)程繁瑣、培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)以及成本昂貴等弊端,因此需要探索更為簡(jiǎn)單、有效的方法。
本文用實(shí)驗(yàn)室保藏的1株小球藻MBFJNU-17,研究不同氮源對(duì)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)及生理生化的影響,并對(duì)小球藻生長(zhǎng)培養(yǎng)基關(guān)鍵影響成分的用量進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)小球藻的細(xì)胞組分進(jìn)行分析,評(píng)估蛋白質(zhì)的氨基酸品質(zhì),旨在為開發(fā)優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料或人類食品蛋白質(zhì)來(lái)源提供理論依據(jù)。
小球藻Chlorellasp.MBFJNU-17,由本實(shí)驗(yàn)室保藏。保種斜面瓊脂培養(yǎng)基為添加了5 g/L葡萄糖和20 g/L瓊脂的BG11[13]培養(yǎng)基。
HA-SK培養(yǎng)基[11](g/L):葡萄糖 30、MgSO4·7H2O 0.7、CaCl25 mL/L、Fe-EDTA 16 mL/L、KNO39.25、KH2PO40.7、微量元素母液2.5 mL/L,配制完成后將pH調(diào)節(jié)至7.5。
Fe-EDTA母液:稱取Fe2SO4·7H2O 1.745 g、EDTA 8.2 g,溶于少量蒸餾水后定容至1 L。
CaCl2母液:無(wú)水CaCl220.6 g,H2O 1 L。
微量元素母液(g/L):H3BO311.42、ZnSO4·7H2O 8.22、MnCl2·4H2O 1.95、Co(NO3)2·6H2O 0.49、(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.870 7、CuSO4·5H2O 1.57。
所有培養(yǎng)基使用前于115 ℃滅菌20 min。
1.2.1 儀器
SBA-40E生物傳感分析儀,山東省科學(xué)研究院;海能K9840全自動(dòng)凱氏定氮儀,濟(jì)南海能儀器股份有限公司;BS224S電子秤,北京賽多利斯系統(tǒng)儀器有限公司;HVE50高壓蒸汽滅菌鍋,中遠(yuǎn)機(jī)械有限公司;DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科技有限公司;SW-CJ-2FD超凈工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司;H1650-W湘儀離心機(jī),湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司;DELTA320 pH計(jì),梅特勒-托利多儀器上海有限公司;IS-RDS3恒溫振蕩搖床,賽伯樂(lè)上海儀器有限公司。
1.2.2 試劑
酵母粉,索萊寶生物科技有限公司;蛋白胨粉,生工生物工程(上海)股份有限公司;KNO3、尿素,西隴科學(xué)股份有限公司。
1.3.1 藻種制備
從葡萄糖BG11培養(yǎng)基斜面挑取適量小球藻體,接種于裝有100 mL HA-SK培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中,置于28 ℃恒溫振蕩搖床中培養(yǎng),搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min,培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)約72 h。
1.3.2 小球藻生長(zhǎng)曲線的繪制
取培養(yǎng)至72 h的新鮮小球藻種子液,以體積分?jǐn)?shù)為10%的接種量接入HA-SK培養(yǎng)基,與藻種相同條件下培養(yǎng),培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)168 h,每天取樣測(cè)定生物量,并繪制其生長(zhǎng)曲線。
1.3.3 氮源種類的優(yōu)化
根據(jù)HA-SK培養(yǎng)基的初始氮含量,探究相同氮質(zhì)量濃度(以總氮分子質(zhì)量計(jì))的4種不同氮源對(duì)小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)以及生物質(zhì)組分的影響,即KNO3(9.25 g/L)、酵母粉(9.21 g/L)、蛋白胨粉(9.21 g/L)和尿素(2.8 g/L),篩選出小球藻MBFJNU-17異養(yǎng)培養(yǎng)的最適氮源。將小球藻MBFJNU-17藻種以10%的接種量,接種于裝有100 mL不同氮源HA-SK培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中,置于恒溫振蕩搖床中培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度為28 ℃,搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min,黑暗條件下培養(yǎng)5 d。每天測(cè)定培養(yǎng)液的pH,并測(cè)定最終的小球藻生物量、蛋白質(zhì)、碳水化合物以及油脂等理化組分。
1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化
以Plackett-Burman設(shè)計(jì)法[14],設(shè)計(jì)以培養(yǎng)基中葡萄糖、氮源、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2母液、Fe-EDTA母液和微量元素母液為不同因素,在原始HA-SK培養(yǎng)基各因素濃度的附近取高低2個(gè)水平,其中高水平為低水平的2倍,并以小球藻培養(yǎng)120 h的生物量為響應(yīng)值,篩選出HA-SK培養(yǎng)基成分中對(duì)小球藻MBFJNU-17生長(zhǎng)最重要的幾個(gè)因素。隨后用最陡爬坡來(lái)快速逼近各重要因素最佳用量的區(qū)域。最后再利用響應(yīng)面法[15]優(yōu)化得到各培養(yǎng)基的最佳用量。
1.4.1 小球藻生物量的測(cè)定
采用干重法測(cè)定小球藻的生物量。取1 mL的小球藻藻液,移至預(yù)先烘干稱重的2 mL離心管中,離心棄上清液,加純水重復(fù)離心,洗滌3次,置于80 ℃烘箱內(nèi)至恒重,稱重并記錄。
1.4.2 小球藻生物質(zhì)主要成分的分析
采用凱氏定氮法測(cè)定微藻蛋白質(zhì)含量[16]。采用苯酚硫酸法測(cè)定微藻的碳水化合物含量[17]。采用氯仿-甲醇法測(cè)定微藻細(xì)胞的油脂含量[18]。
1.4.3 蛋白質(zhì)中氨基酸組成測(cè)定及品質(zhì)評(píng)價(jià)
采用高效液相色譜法測(cè)定小球藻蛋白質(zhì)的氨基酸組分[19]。利用必需氨基酸指數(shù)(essential amino acids index,EAAI)評(píng)價(jià)小球藻的蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,將小球藻MBFJNU-17的必需氨基酸與FAO /WHO的建議模式進(jìn)行比較[20]。
1.4.4 培養(yǎng)基氮含量計(jì)算
培養(yǎng)基氮含量計(jì)算如公式(1)所示:
(1)
式中:ρ(N),培養(yǎng)基中氮含量,g/L;m,氮源質(zhì)量,g;Pn,氮源的總氮占比,%;L,培養(yǎng)基體積,L。
由圖1可知,小球藻MBFJNU-17種子接入HA-SK培養(yǎng)基后快速生長(zhǎng),迅速進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期,幾乎沒(méi)有延滯期。培養(yǎng)至96 h,小球藻的生物量達(dá)最大值9.32 g/L;96~168 h,不再增加,甚至輕微衰減。可能是此時(shí)培養(yǎng)體系內(nèi)某些影響小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)成分被消耗,殘余量不足以繼續(xù)供應(yīng)細(xì)胞正常的生長(zhǎng)繁殖,整個(gè)細(xì)胞群體的凋亡速度大于新細(xì)胞合成速度。因此,選擇以培養(yǎng)120 h為1個(gè)周期。
圖1 小球藻MBFJNU-17在HASK培養(yǎng)基的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of Chlorella sp.MBFJNU-17 cultivated in HA-SK medium
氮源是微藻培養(yǎng)中最重要的常量營(yíng)養(yǎng)元素,藻細(xì)胞的蛋白質(zhì)、色素和核酸合成都需要氮元素參與。由圖2-a可知,以尿素為氮源小球藻MBFJNU-17培養(yǎng)120 h后生物量最高(10.85 g/L),KNO3組為9.44 g/L。而以蛋白胨、酵母粉為氮源的實(shí)驗(yàn)組小球藻生物量遠(yuǎn)低于尿素組和KNO3組,最終生物量?jī)H約3 g/L。表明小球藻MBFJNU-17不能很好地利用酵母粉和蛋白胨等有機(jī)氮源,而更傾向于利用尿素和KNO3。肖雪花等[21]發(fā)現(xiàn),酵母粉更適于作為蛋白核小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)的氮源,與本研究結(jié)果不一致,可能是因?yàn)樵宓姆N間差異。而利用尿素為氮源比以KNO3為氮源的細(xì)胞干重略有優(yōu)勢(shì),主要是由于小球藻在選擇利用尿素時(shí),脲酶將尿素分解成氨態(tài)氮和CO2,過(guò)程不需要消耗能量[22],而利用硝態(tài)氮時(shí)需轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮才能被利用,這個(gè)過(guò)程需要多消耗能量,造成有機(jī)碳源的損耗[23]。
a-生長(zhǎng)情況;b-pH;c-理化成分圖2 不同氮源對(duì)小球藻MBFJNU-17的影響Fig.2 Effects of different nitrogen sources on Chlorella sp.MBFJNU-17
圖2-b記錄了以不同氮源培養(yǎng)異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻MBFJNU-17過(guò)程的pH變化情況。以尿素為氮源,小球藻培養(yǎng)液的pH始終在7.5左右??赡苁且?yàn)槟蛩厥欠肿邮綖镃H4N2O的有機(jī)化合物,其主要成分為碳和氮,在被微藻吸收利用后,不會(huì)殘留大量陰離子和陽(yáng)離子,因此不會(huì)影響培養(yǎng)基的pH。而以KNO3、蛋白胨和酵母粉為單一氮源則使培養(yǎng)液pH變化較大。其中以蛋白胨、酵母粉為氮源,培養(yǎng)小球藻120 h后,培養(yǎng)液的pH從7.5降至約6,而KNO3組的藻液pH迅速升高,升至9.5左右。KNO3作為微藻培養(yǎng)的氮源時(shí),微藻對(duì)NO3-的吸收比K+更多,因此有部分K+殘留在培養(yǎng)基質(zhì)中生成K2CO3等弱酸強(qiáng)堿鹽,升高了培養(yǎng)環(huán)境的pH值。而酵母粉和蛋白胨粉作為有機(jī)氮源成分相對(duì)復(fù)雜,其影響微藻培養(yǎng)pH值的機(jī)制尚不清楚,今后還需更多地利用多組學(xué)技術(shù)來(lái)闡述其代謝活動(dòng)。據(jù)報(bào)道,培養(yǎng)液pH值的變化會(huì)影響小球藻生長(zhǎng)[24]。SHI等[25]發(fā)現(xiàn)在同等氮濃度下,尿素作為氮源在藻類生長(zhǎng)過(guò)程中優(yōu)于常用的硝酸鹽,在培養(yǎng)基中引起的pH波動(dòng)小,藻類的生物量相對(duì)較高,這與本研究結(jié)果相似。
另外,氮源的種類對(duì)小球藻MBFJNU-17的理化成分影響顯著。如圖2-c所示,以尿素和KNO3為氮源更有利于蛋白質(zhì)的合成(40%~45%),而以蛋白胨和酵母粉為氮源則更有利于油脂的積累(30%~35%)。
綜上可得,以KNO3或尿素為唯一氮源時(shí),有利于小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)。此外,對(duì)生物量、蛋白質(zhì)含量和氮源添加量進(jìn)行計(jì)算可知,獲得相同生物量的小球藻時(shí),所需的KNO3質(zhì)量約為單獨(dú)使用尿素的3.8倍,且利用KNO3獲得的小球藻蛋白質(zhì)產(chǎn)量?jī)H為使用尿素為唯一氮源時(shí)的81.2%。同時(shí),在以尿素為唯一氮源時(shí)也更有利于穩(wěn)定培養(yǎng)液的pH。小球藻在規(guī)模化異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中,若頻繁調(diào)節(jié)pH勢(shì)必會(huì)增加操作工序和培養(yǎng)成本,也更容易造成染菌。根據(jù)調(diào)查,尿素的市場(chǎng)價(jià)格也會(huì)比KNO3的價(jià)格更低[26]。因此后續(xù)培養(yǎng)小球藻MBFJNU-17選取尿素作為異養(yǎng)培養(yǎng)的氮源,可以減少物料的投入成本,同時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH,易于規(guī)?;瘧?yīng)用。
2.3.1 Plackett-Burman優(yōu)化小球藻培養(yǎng)基
選取小球藻培養(yǎng)基里的葡萄糖、尿素、MgSO4·7H2O、CaCl2母液、Fe-EDTA母液、KH2PO4和微量元素母液7類組分為自變量,每個(gè)因素設(shè)計(jì)高低2個(gè)水平,以培養(yǎng)120 h的小球藻生物量作為響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。在眾多因子中,葡萄糖、尿素和微量元素母液顯著影響(P<0.05)小球藻MBFJNU-17的生長(zhǎng)。其中葡萄糖和尿素為正效應(yīng)(T>0),而微量元素母液為負(fù)效應(yīng)(T<0)。
表1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析表Table 1 Analyses of variance for Plackett-Burman design
2.3.2 最陡爬坡試驗(yàn)
根據(jù)Plackett-Burman選取最顯著的3個(gè)因素,即葡萄糖、尿素和微量元素母液,進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)。由于葡萄糖和尿素是正效應(yīng),而微量元素母液為負(fù)效應(yīng),因此葡萄糖和尿素的濃度水平應(yīng)增加,微量元素母液濃度水平應(yīng)減少。根據(jù)效應(yīng)值大小,確定步長(zhǎng),設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2。試驗(yàn)組3的小球藻生物量最大,達(dá)15.25 g/L。因此選取試驗(yàn)組3的水平條件作為中心點(diǎn)進(jìn)一步通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化最佳濃度水平。
表2 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果Table 2 Designs and result of steepest ascent search
2.3.3 響應(yīng)面分析確定最優(yōu)水平
根據(jù)最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果,選取葡萄糖40 g/L、尿素5 g/L、微量元素母液2 mL為中心點(diǎn)。參照Box-Behnken中心法則設(shè)計(jì)原理,通過(guò)Design-Expert 8.05軟件設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),以生物量為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析見表3、表4和表5。
表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素及水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken design
表4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Results of response surface Box-Behnken design
用Design-Expert 8.05b 軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行回歸擬合分析,得到響應(yīng)值小球藻細(xì)胞干重與各自變量因素的二次回歸方程如下:
Y=15.48+0.74X1-0.44X2-0.30X3-0.16X1X2-0.23X1X3+0.46X2X3-0.87X12-0.80X22-0.70X32
為檢驗(yàn)方程的有效性,對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表5?;貧w方程響應(yīng)值和自變量因素之間的線性關(guān)系顯著(R2=0.989 9),方程P=0.009 1,說(shuō)明此回歸方程極顯著;失擬項(xiàng)P=0.380 3>0.1,說(shuō)明方程對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合度較好,此實(shí)驗(yàn)方法是合適的[12]。為求得最佳配方,通過(guò)對(duì)模型方程各變量求一階偏導(dǎo)數(shù),解得X1=41.53、X2=4.14、X3=1.84。即小球藻細(xì)胞生長(zhǎng)干重的最佳葡萄糖濃度為41.53 g/L、尿素質(zhì)量濃度為4.14 g/L、微量元素母液用量為1.84 mL,在此條件下的小球藻細(xì)胞干重為15.79 g/L。
表5 回歸方程的系數(shù)估計(jì)值Table 5 The regression equation of coefficient estimates
2.3.4 響應(yīng)面結(jié)果驗(yàn)證
將經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的培養(yǎng)基以相同接種量、培養(yǎng)條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),以驗(yàn)證此模型精準(zhǔn)性。如圖3-a所示,在優(yōu)化后的培養(yǎng)基中培養(yǎng)120 h,小球藻MBFJNU-17最終生物量為15.53 g/L,與預(yù)測(cè)值15.79 g/L接近,比優(yōu)化前提高了43.1%,說(shuō)明此優(yōu)化模型可取。
a-細(xì)胞生長(zhǎng)變化;b-生化組成分析圖3 優(yōu)化后培養(yǎng)基培養(yǎng)小球藻MBFJNU-17的細(xì)胞生長(zhǎng)變化和生化組成分析Fig.3 Changes of cell growth and biochemical composition of Chlorella sp.MBFJNU-17 treated by optimized medium
優(yōu)化后培養(yǎng)基培養(yǎng)的小球藻生化組分分析見圖3-b。優(yōu)化后的小球藻蛋白質(zhì)含量達(dá)52.4%,淀粉含量22.7%以及油脂含量為7.8%。利用優(yōu)化后的培養(yǎng)基培養(yǎng)小球藻MBFJNU-17,蛋白質(zhì)含量從44.5%提高到了52.4%。說(shuō)明優(yōu)化后的培養(yǎng)基配方在保證了小球藻MBFJNU-17生物量提高的同時(shí),也促進(jìn)了細(xì)胞蛋白質(zhì)合成。說(shuō)明培養(yǎng)基優(yōu)化后,小球藻MBFJNU-17成為生產(chǎn)高密度生物量且富含蛋白質(zhì)的理想菌株。
蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)與氨基酸的含量、比例相關(guān),特別是由各類必需氨基酸的濃度決定[27]。本文采用EAAI對(duì)小球藻MBFJNU-17在自養(yǎng)(BG11培養(yǎng)基培養(yǎng))和異養(yǎng)2種培養(yǎng)模式下的氨基酸組成進(jìn)行比較分析和評(píng)價(jià)。高EAAI值表明樣品存在高含量的必需氨基酸[28]。如表6所示,異養(yǎng)小球藻MBFJNU-17蛋白質(zhì)在FAO/WHO/UNU模式下的EAAI為0.724,高于自養(yǎng)模式培養(yǎng)的藻蛋白質(zhì)(0.572)??赡茉蚴?,異養(yǎng)培養(yǎng)基中豐富的營(yíng)養(yǎng)元素使得小球藻MBFJNU-17更容易合成必需氨基酸。同時(shí),異養(yǎng)小球藻MBFJNU-17蛋白質(zhì)的EAAI值也高于大豆蛋白(0.657)。說(shuō)明異養(yǎng)小球藻MBFJNU-17蛋白比大豆蛋白具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,有可能成為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料或人類食品蛋白質(zhì)來(lái)源。
表6 異養(yǎng)/自養(yǎng)小球藻蛋白與大豆蛋白在FAO/WHO/UNU模式下EAAI 單位:mg/g蛋白Table 6 Compared heterotrophic/phototrophic Chlorella sp. MBFJNU-17 protein with soya protein in essential amino acid index (EAAI) in FAO/WHO/UNU standard
本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)選取了尿素作為小球藻MBFJNU-17異養(yǎng)培養(yǎng)的氮源。相比于其他氮源,用尿素作為氮源異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻能具有最高生物量,且培養(yǎng)過(guò)程pH穩(wěn)定,更具應(yīng)用前景。小球藻MBFJNU-17異養(yǎng)培養(yǎng)的培養(yǎng)基經(jīng)優(yōu)化后,其生物量為15.53 g/L,比優(yōu)化前提升了43.1%,同時(shí)藻細(xì)胞的蛋白質(zhì)含量為52.4%。氨基酸評(píng)價(jià)分析表明,小球藻MBFJNU-17蛋白質(zhì)氨基酸組成平衡,比大豆蛋白具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,小球藻MBFJNU-17有成為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料或人類食品蛋白質(zhì)原料來(lái)源的潛能。