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响应面法优化光合细菌R培养条件

响应面法优化光合细菌培养条件

摘要:

文章首先用单因素法分别对光合细菌Rhodospirillum RubrumS1

的培养条件———温度、光照强度、接种量进行了考察,确定了最佳培养条件:

温度30℃,光照强度3000lx,接种量15%。

在此基础上,采用中心组合试验设计结合响应面分析法(Res

ponse Surface Methodology,RSM)对影响光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1的发酵条件进行进一步优化。

结果表明,主要影响因素的最佳条件:

培养温度32.54℃,光照强度2995.85lx,接种量15.80%,光合细菌Rhodospirillum RubrumS1的类胡萝卜素产量为16.72mg/L,与理论值16.86mg/L相差0.83%。

因此,利用响应面分析法对光合细菌Rhodospirillum RubrumS1的培养条件进行优化合理可行。

关键词:

光合细菌Rhodospirillum RubrumS1;培养条件;响应面法

Optimization of Culture Conditions for Photosynthetic Bacteria

Rhodospirillum RubrumS1 by Response Surface Methodology

 

Abstract

In the paper

the single factor method is used to study the culture conditions of photosyn-

thetic bacteria

PSB

Rhodospirillum RubrumS1

including temperature

light intensity and inocula-

tion quantity.The optimal culture conditions are as follows

temperature of 30℃

light intensity of

3000lx and inoculation quantity of 15%.On the basis of the above conditions

Response Surface

Methodology

RSM

is adopted for further optimization of other factors that affect fermentation con-

ditions of PSB Rhodospirillum Rubrum S1.The results show that the optimal temperature is

32.54℃

light intensity is 2995.85lx and inoculation quantity is 15.80%.Besides

the output of

carotenoid is 16.72mg

which differs from the theoretical value 16.86mg

L by 0.83%.As a con-

sequence

RSM to optimize the culture conditions of PSB S1is reasonable and feasible.

Key words

photosynthetic bacteria Rhodospirillum RubrumS1

culture conditions

Response Surface

Methodology

收稿日期:

2013-02-23        *

通讯作者

作者简介:

潘艳(

1979-

),女,吉林长春人,博士,研究方向:

生物技术制药;

侯阿澧(

1977-

),男,副教授,研究方向:

多糖、蛋白质药物。

34

试验研究

  

2013

年第

总第

38

               

中国调味品

CHINA CONDIMENT  

光合细菌是地球上最古老、最原始的细菌类群之

一,富含丰富的类胡萝卜素等光合色素。

类胡萝卜素

作为全球生态系统中一大类色素,是自然界中十分重

要的色素之一。

据估计,每年天然产生的类胡萝卜素

亿吨

类胡萝卜素是重要的营养素来源

它作为一种功能性色素,被用于食品

和化妆品添加

的同时,也受到医学界的广泛瞩目。

1956

年英

国人

Harmam

提出自由基学说

以后,抗氧化剂便成

为人们研究的热点。

类胡萝卜素在抗氧化介质模型中

的肿瘤防治机理显示出比酶更强的优势。

目前,光合

细菌

Rhodospirillum RubrumS1

培养条件对类胡萝

卜素产量的影响研究多限于单因素和正交设计,此设

计实验次数多且不准确。

本文在单因素试验的基础

上,采用响应面法对光合细菌

Rhodospirillum

RubrumS1

产类胡萝卜素的培养条件进行了优化,以

期提高光合细菌类胡萝卜素的产量,为深入研究和规

模化生产类胡萝卜素提供依据。

1 

实验材料与仪器

1.1 

实验菌株

光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

,日本关西

学院大学小山研提供。

1.2 

培养基

柠檬酸为

3.5291g

,牛肉膏为

3.3190g

MgSO

0.5083g

FeSO

0.0194g

KH

PO

0.5g

和无菌水为

1L

1.3 

实验仪器

LRH-300-GS

型人工气候箱

 

广东省医疗器械

厂;

721

型紫外分光光度计

 

上海光谱仪器有限公司;

MLS-3750

型高压自动灭菌锅

 

日本

SANYO

;超净

工作台

 

苏净集团安泰公司;

J6-Mi

型大容量冷冻离

心机

 Beckman

厂家;

SBB

型沸水浴槽

 

一科仪器

厂;

THZ-82

型恒温振荡器

 

江苏省金坛市医疗器械

厂;

pHST-3F

型实验室

pH

 

上海雷磁;电热恒温

干燥箱

 

上海实验仪器厂;

ESJ200-4

型电子分析天平

 

沈阳龙腾电子有限公司。

2 

实验方法

2.1 

培养方法

10%

接种量将种子液接种于新鲜的液体培养

基中,在培养温度为

28℃

,光照强度为

4000lx

和厌

氧条件下培养

天。

2.2 

菌体产量

Maria

的基础上加以改进。

菌液在

10000r

min

条件下离心

20min

,弃去上清液,菌体用

蒸馏水洗涤

次后再次离心。

所得菌体在

65℃

下烘

干至恒重。

2.3 

类胡萝卜素测定方法

在王岁楼

的基础上加以改进。

菌体中加入浓度

5mL

3N

的盐酸,

28℃

下振荡

1.5h

后,沸水浴

4min

,迅速冷却,离心(

10000r

min

20min

)弃上清

液,沉淀用双蒸水洗涤

遍。

在所得菌体中加入

3mL

丙酮,

28℃

水浴振荡浸提

30min

10000r

min

冷冻离

20min

,取上清液。

适当稀释类胡萝卜素提取液,

480nm

处测定吸光值。

按以下公式计算类胡萝卜

素产量:

类胡萝卜素产量(

mg

=ADV

0.16V

式中:

480nm

处的吸光值;

为稀释倍数;

0.16

为类胡萝卜素消光系数;

为加入的提取剂体

积;

为用于提取色素的发酵液体积。

2.4 

起始发酵培养条件的确定

2.4.1 

温度的确定

本实验将培养温度分别设定

15

20

25

30

35

40℃

,培养条件见

2.1

实验时设置

个平行,测定类

胡萝卜素的平均含量,以类胡萝卜素产量为指标来确

定最佳培养温度。

2.4.2 

光照强度

本实验将光照分别设定

1000

2000

3000

4000

5000lx

,培养条件见

2.1

实验时设置

个平行,测定

类胡萝卜素的平均含量,以类胡萝卜素产量为指标来

确定最佳培养温度。

2.4.3 

接种量的确定

培养条件见

2.1

,只改变接种量。

分别在培养基

中接入

5%

10%

15%

20%

25%

种子液,实验时设

个平行,测定类胡萝卜素的平均含量,以类胡萝卜

素产量为指标来确定菌种最佳接种量。

2.4.4 

中心组合优化培养基

采用响应面法在三因素三水平上对影响光合细菌

35

2013

年第

总第

38

               

中国调味品

CHINA CONDIMENT

试验研究

  Rhodospirillum RubrumS1

发酵的关键因子进行优

化,试验因子和水平见表

1 

响应面分析因素与水平表

因素

水平

-1 0 1

培养温度(

)(

25 30 35

光照强度(

)(

lx

2500 3000 3500

接种量(

)(

10 15 20

3 

结果与讨论

3.1 

发酵培养条件的确定

3.1.1 

培养温度对类胡萝卜素产生的影响

培养温度是工业微生物发酵过程中最重要的培养

条件。

在光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

发酵

过程中,温度是影响发酵很重要的因子。

不同培养温

度对光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

生长效果

的影响,见图

1 

培养温度对类胡萝卜素产生的影响

  

由图

可知,当温度高于

15℃

时,随着温度的提

高,类胡萝卜素产量在逐渐增加;至

30℃

时,类胡萝卜

素产量达到最高值;但温度高于

30℃

时,光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

的类胡萝卜素产量开始

缓慢降低,确定最佳温度为

30℃

3.1.2 

光照对类胡萝卜素产生的影响

光合细菌在黑暗条件下,色素合成能力很微弱;在

弱光下,则通过加大色素的合成以吸收较多的光能;而

光照强度超过极限值后,色素的合成及光合成膜的形

成受到抑制,使色素分解,类胡萝卜素产量反而有所下

降。

因此,光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

的类

胡萝卜素合成需要适当的光照强度。

光照强度对类胡

萝卜素的影响见图

2 

光照强度对类胡萝卜素产生的影响

  

由图

可知,光合细菌在光照强度在

1000~

3000lx

范围内,其类胡萝卜素、菌体产量均随着光照

强度的增加而增加;

4000~5000lx

光照条件下,细胞

老化较快,易出现细胞碎片附壁现象。

因而,

3000lx

是光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

的适宜光照

强度。

3.1.3 

接种量对类胡萝卜素产生的影响

将光合细菌

Rhodospirillum RubrumS1

接种液

体按

5%

10%

15%

20%

25%

接种量接种于光合细

菌培养基中,置于

30℃

,光照强度

3000lx

培养,定时

取样测定其生长情况。

接种量对类胡萝卜素的影响见

3 

接种量对类胡萝卜素产生的影响

由图

可知,随着接种量的增加,光合细菌的生长

速度相应地增加。

然而,当接种量大于

15%

以后,增

加不明显,因此确定

15%

是最佳的接种量。

3.2 

中心组合培养条件优化结果

在单因素结果的基础上,以

-30

)/

-3000

)/

500

-15

)/

为自变量,以

类胡萝卜素产量

为响应值,进行三因素三水平的响

应面分析试验,实验结果见表

36

试验研究

  

2013

年第

总第

38

               

中国调味品

CHINA CONDIMENT表

2 

响应面分析方案及实验结果

试验号

1-1-1 0 14.92

2-1 1 0 15.84

3 1-1 0 16.81

4 1 1 0 15.98

5 0-1-1 15.69

6 0-1 1 15.16

7 0 1-1 15.49

8 0 1 1 16.50

9-1 0-1 15.11

10 1 0-1 15.79

11-1 0 1 15.67

12 1 0 1 16.33

13 0 0 0 16.73

14 0 0 0 16.80

15 0 0 0 16.69

  

中试验点

1~12

为析因试验,

13~15

为中心

试验。

15

个试验点分为析因点和零点,其中析因点为

自变量取值在

所构成的三维顶点。

零点为

区域的中心点,零点试验重复

次,用以估计试验误

差。

对表

中数据进行分析,得到响应值对

个自变

量的多项二次回归方程为

Y=16.73983+

0.420938X

+0.152625X

+0.197562X

0.416604X

-0.4365X

-0.005875X

0.435479X

+0.3865X

-0.595854X

式中:

为响应值类胡萝卜素产量,

分别为温度、光照强度和接种量的编码值。

模型的预

测值和真实值高度相关,相关系数为

R=95.68%

表明了拟合的二次响应面方程很好地解释了中心组合

实验。

方程中的各个因子对响应值的影响关系可以通

t-

检验进行研究。

回归模型的系数显著性检验的结果见表

模型系

数检验结果表明:

回归方程的一次项

对模型的影响非

常显著,

对模型影响较显著。

同时

项对模

型也有极高的显著性,这说明模型的响应值变化相对复

杂,不是简单的线性关系,曲面效应显著。

3 

回归分析结果

方差来源

自由度

DF

平方和

SS

均方

MS

Pr>F

1 1.4175 1.4175 28.0526 0.0032

1 0.1864 0.1864 3.6880 0.1129

1 0.3122 0.3122 6.1794 0.0554

1 0.6408 0.6408 12.6821 0.0162

1 0.7621 0.7621 15.0826 0.0116

1 0.0001 0.0001 0.0027 0.9603

1 0.7002 0.7002 13.8574 0.0137

 

方差来源

自由度

DF

平方和

SS

均方

MS

Pr>F

1 0.5975 0.5975 11.8252 0.0185

1 1.3109 1.3109 25.9433 0.0038

回归

9 5.5898 0.6211 12.2914 0.0065

线性

3 1.9161 0.6387 12.6400 0.0090

平方

3 2.3139 0.7713 15.2641 0.0060

交互

3 1.3598 0.4533 8.9702 0.0187

  

通过多元回归方程所做的响应曲面图及其等高线

图见图

所拟合的响应曲面和等高线图能比较直观

地反应各因素和各因素间的交互作用。

4 

)(

)(

))响应面及等高线图

  

由图

可知,

个响应曲面均为开口向下的凸形曲

面,同时等高线最小椭圆的中心在所选的

-1~1

范围

内,说明响应值(类胡萝卜素产量)在

个因子设计的范

围内存在最大值,说明这

个因子在此范围内的优化是

合理可行的。

)中的等高线为椭圆形状,同时低编

码值的

和高编码值的

时,响应值

随着

的变

化,变化趋势不同;同时也表现在

变化时,

在高低

不同的取值时,

值的变化趋势也不同,说明

(温度)

(光照强度)的交互效应显著,这与方差分析的结

果相吻合。

)中表现了和图

)中同样的效应,

在低水平和高水平时,随着

的增大,

值表现出不同

的趋势,说明

(光照强度)和

(接种量)的交互效应

显著,这也与方差分析的结果相吻合。

利用

SAS

工具箱对回归方程进行一阶求偏导,得到

响应值(

)处于最大值时的

的编码值分别为

=0.5084

=-0.0083

=0.1606

,即最佳提取工艺

条件:

培养温度为

32℃

,光照强度为

2995.85 1x

,接种量

15.8%

,此时预测值为

16.86mg

3.3 

验证实验

为了检测模型和优化结果的准确性,配制分析得

到的最优条件进行发酵实验,

次平行验证的平均类

胡萝卜素产量为

16.72mg

,理论值为

16.86mg

与理论值相差

0.83%

,在模型允许的误(下转第

42

页)

37

2013

年第

总第

38

               

中国调味品

CHINA CONDIMENT

试验研究

  由表

可知,含防腐剂的对照蚝油样品防霉效果

最好,霉菌数在保存期内逐渐下降;去除防腐剂后,其

防霉效果明显降低,

天就出现长霉,

天则进一步长

霉、变稀。

使用优化条件制备的蚝油,其抑菌能力明显

优于去除防腐剂的对照样品,霉菌数在保存期内没有

发生增加,产品感官上也没有出现长霉、变稀等霉变现

象,说明样品有较好的抑菌能力。

结果表明:

利用食

盐、

pH

和乙醇的协同抑菌作用可明显提高蚝油的防

霉效果。

3 

结论

通过分离纯化及返接验证试验,得到了引起蚝油

霉变的两株霉菌。

食盐和乙醇对两株霉菌的抑菌作用随着其含量的

增加而增强,降低

pH

对霉菌也有一定的抑制效果,但

单一因素的抑菌效果均不理想。

13%

的盐含量只能在

一定程度上抑制霉菌的生长速度,并不能完全抑制或

杀死微生物;单独依靠调节

pH

在蚝油中发挥的抑菌

作用很弱;

5%

的乙醇对抑制霉菌的生长速度有一定的

效果,

1%

的乙醇几乎没有抑菌作用。

三种因素综合对目标菌有较好的抑制作用,正交

试验结果表明三种因素的抑菌强弱顺序为食盐

乙醇

>pH

;最优组合为食盐含量

13%

pH 4.5

,乙醇含量

3%

,此条件下蚝油有较好的防霉效果。

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卫生研究,

2009

28

):

657-661.

GB

T 21999-2008

,蚝油[

(上接第

37

页)差范围之内。

说明模型能较好地预测实

际发酵情况,得到的结果可以在实践中应用。

4 

结论

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