具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种纤维素酶产生菌,纤维素酶产生菌的分类命名为桧状青霉(Penicillium piceum),菌株的18S rDNA基因序列如SEQ ID NO1所述,保藏单位:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏地址:北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所,保藏日期:2011年10月9日,保藏号:CGMCC5314。
所述的纤维素酶产生菌的应用中,所述纤维素酶产生菌应用于生产纤维素酶和半纤维素酶。
一、纤维素酶产生菌的制备方法
(1)将采集的可能含有菌种的样品取适量添加到含有纤维素的富集培养基中,培养3-7天后测定纤维素酶的活性,从而确定含有可以产生纤维素酶的菌群的样品;
(2)针对上述步骤(1)所确定的含有可以产生纤维素酶的菌群的样品,再筛选该样品中能够产生高活力的纤维素酶的菌株,即将该样品的富集培养液稀释涂布在土豆汁固体平板上,挑取平板上长出的各个菌落到产纤维素酶的产酶培养基中,培养3-7天后测定纤维素酶活,从中筛选出生产纤维素酶酶活力较高的菌株。
二、纤维素酶产生菌的鉴定
1、纤维素酶产生菌的基因序列的鉴定
(1)利用发酵培养基28℃培养过夜,收集菌丝,提取真菌的基因组。
发酵培养基:葡萄糖10g/l,玉米浆10~40g/l,(NH4)2SO4 2~6g/l,甘油1~3g/l,KH2PO4 2~8g/l,MgSO4 0~4g/l,CaCO3 0~5g/l,Tween80 0~4g/l,pH4~7,121℃,灭菌20min。
(2)利用真菌18S rDNA的通用引物,以真菌基因组为模板,通过PCR扩增反应,扩增真菌的18S rDNA基因,并对PCR产物进行纯化,送去测序,对该菌18S rDNA的测序结果进行数据库同源性比较。其中,真菌18S rDNA的通用上游引物序列为:GGAAGGGRTGTATTTATTAG;通用下游引物序列为:TCCTCTAAATGACCAAGTTTG。
基于该菌株的18S rDNA序列已登录GenBank数据库,登录号为:GU477623,基于该菌株的18S rDNA序列与GenBank数据库中的序列进行比对,使用MEGA 4.0软件,制作进化树(见图1)。分析结果显示该菌株与Penicillium piceum代表菌种的亲缘关系最近,最终命名为桧状青霉9-3。被比对分析序列右侧为GenBank中的序列号。
2、纤维素酶产生菌的菌株形态特征的表征
图2为本发明的纤维素酶产生菌的扫描电镜照片。分生孢子梗发生于气生菌丝,孢梗茎短,帚状枝双轮生,彼此紧贴。梗基每轮6-10个,瓶梗每轮5-8个,披披针状。分生孢子椭圆形或近球形,壁光滑。右图为菌落在PDA平板上30℃生长7天,菌落边缘的菌丝体薄,质地絮状,边缘兼绒状。分生孢子面暗黄绿色,菌落表面有少量淡黄色渗出液,反面黄褐色。
三、纤维素酶产生菌的应用
接种该菌到50ml发酵培养基中,28℃,190rpm培养,在一定时间点取样,离心,取上清测定胞外蛋白浓度和各个纤维素酶和半纤维素酶活力。以下实验中,测定滤纸酶酶活、内切葡聚糖酶酶活、Beta-葡萄糖苷酶酶活和木聚糖酶酶活。其中,内切葡聚糖酶和Beta-葡萄糖苷酶属于纤维素酶,且通过滤纸酶活可以确定纤维素酶的存在,并且通过滤纸酶活力可以表征纤维素酶的活力水平;木聚糖酶属于半纤维素酶,通过木聚糖酶测定可以确定半纤维素酶的活力水平。
发酵培养基:微晶纤维素20~50g/l,玉米浆10~40g/l,(NH4)2SO4 2~6g/l,甘油1~3g/l,KH2PO4 2~8g/l,MgSO4 0~4g/l,CaCO3 0~5g/l,Tween80 0~4g/l,pH4~7,121℃灭菌20min。
1、纤维素酶活测定方法
(1)葡萄糖标准曲线的绘制:
配置10mg/ml葡萄糖母液,并稀释成2.0,3.3,5.0和6.7mg/ml的葡萄糖溶液样品。取0.5ml的葡萄糖溶液样品加到1ml的0.05M,pH4.8的柠檬酸缓冲溶液中,再加3ml的DNS反应液,混匀,沸水浴加热5min,冷却至室温。使用分光光度计测定OD540。以OD540为纵坐标,对应葡萄糖浓度为横坐标,绘制标准曲线。
(2)木糖标准曲线的绘制
配制0.01M(=0.15g/100ml缓冲液),稀释成10、5、3.33和2μmol/ml的木糖溶液样品,取0.2ml加到1.8ml的木聚糖底物溶液中,添加3mlDNS反应液,混匀,沸水浴加热5min,冷却并离心。使用分光光度计于波长540nm下测定上清液吸光度OD540。以OD540为纵坐标,对应木糖浓度为横坐标,绘制标准曲线。
(3)BSA蛋白质标准曲线的绘制
采用Bradford法测定蛋白浓度,制作BSA蛋白质标准曲线,即分别吸取10mg/ml的BSA蛋白质标准液0、10、15、20、25、30μl,分别加水定容至100ul,加入1ml Bradford试剂,混匀,室温静置10min。以不含蛋白质的混合液为空白对照。使用分光光度计测定OD595。测定三次求平均值。以OD595为纵坐标,对应蛋白质浓度为横坐标,绘制标准曲线。
(4)滤纸酶酶活测定
试管内添加1.0ml,0.05M,pH4.8柠檬酸钠缓冲液。添加0.5ml的稀释酶液。加热至50℃,添加一条滤纸条带混合。50℃水浴反应60min,立即添加3.0mlDNS反应液混匀终止反应。沸水浴加热5min后,转移至冷水浴,冷却。取0.45ml颜色反应后的混合液,加入2.0ml去离子水或蒸馏水,充分混匀。在540nm下读取吸光度。由标准曲线读取样品的葡萄糖含量。
(5)内切葡聚糖酶酶活测定
添加0.5ml的稀释酶液至试管内。加热至50℃,添加0.5ml的底物溶液(用0.05M,pH4.8的柠檬酸缓冲液溶解,制备2%羧甲基纤维素(钠),取代度=0.7),50℃水浴反应30min。添加3.0ml的DNS反应液,混匀。沸水浴加热5min。转移样品至冷水浴,添加20ml蒸馏水或去离子水,充分混匀。540nm处读取样品的吸光度。根据葡萄糖标准曲线,将测定管的样品的吸光度转换为葡萄糖的浓度。
(6)Beta-葡萄糖苷酶酶活测定
添加1ml酶液溶解于柠檬酸缓冲液中。加热至50℃,添加1.0ml的底物溶液(15.0mM纤维二糖,溶解于0.05M,pH4.8的柠檬酸缓冲液,该反应液需要现用现配),混匀。50℃水浴反应30min。沸水浴加热5.0min,终止反应。冷却,通过葡萄糖分析仪测定葡萄糖的含量。
(7)木聚糖酶酶活测定
添加1.8ml的底物溶液(用0.05M,pH5.3的柠檬酸缓冲液溶解,制备1%木聚糖悬浮液)和添加0.2ml的稀释酶液至试管内。50℃水浴反应5min。添加3.0ml的DNS反应液,混匀。沸水浴加热5min。转移样品至冷水浴,然后离心沉淀未反应的底物,上清液于540nm处读取样品的吸光度。根据木糖标准曲线,将测定管的样品的吸光度转换为木糖的浓度。
(8)蛋白质浓度测定
使用Bradford方法测定蛋白质浓度,即将蛋白质样品进行适当倍数的稀释,取100μl加入1ml Bradford试剂,混匀,静置10min,后使用分光光度计测定OD595。三次测定求平均值。后根据标准曲线和稀释倍数计算出该样品的蛋白质浓度。
2、纤维素酶产生菌产酶的特性分析
1、产酶曲线
本发明的纤维素酶产生菌培养时间为8天,每隔24h取样。分别测定不同培养时间下的滤纸酶酶活、Beta-葡萄糖苷酶酶活和蛋白浓度,绘制发酵过程曲线。
图3为本发明的桧状青霉9-3(在微晶纤维素上生长)的产酶曲线(其中,◆代表滤纸酶酶活,▲代表蛋白浓度,■代表Beta-葡萄糖苷酶酶活)。在28℃下,桧状青霉培养3天时,此时已经具有较高的滤纸酶酶活(1.47IU/ml)、Beta-葡萄糖苷酶酶活(12.03IU/ml)、蛋白浓度(1.16mg/ml)。证明该菌的产酶周期较短,容易实现工业化生产。并且,由图3可以看出,桧状青霉培养7天可达到最高产酶。
2、纤维素酶产生菌产酶能力的比较
将黑曲霉CGMCC 3.316(购自于中国普通微生物菌种保藏中心),里氏木霉RUT C-30(CICC13052,购自中国工业微生物菌种保藏中心)和桧状青霉9-3接种于微晶纤维素酶发酵培养基,培养温度为25~30℃,摇床转速为150~250转/分进行震荡培养,取发酵5天时培养液,分别测定滤纸酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、内切葡聚糖酶酶活、木聚糖酶活力以及蛋白浓度。
表1桧状青霉9-3与黑曲霉CGMCC 3.316和里氏木霉RUT C-30的产酶能力比较
结果说明,桧状青霉9-3具有较好的纤维素酶和半纤维素酶的产酶能力,尤其是,Beta-葡萄糖苷酶的生产能力和蛋白分泌能力均比黑曲霉和里氏木霉高。
3、纤维素酶产生菌产纤维素酶的应用
利用桧状青霉9-3的粗酶液、里氏木霉的粗酶液以及桧状青霉9-3粗酶液与里氏木霉粗酶液的混合液,针对三种纤维素生物质(微晶纤维素(MCC),玉米芯粉(CCP),气爆秸秆(SECS))进行降解,粗酶液用量为6~10FPU/g生物质,底物浓度为3~5%,在pH4.8的柠檬酸缓冲体系,温度50℃条件下分别水解为6h和12h,得到还原糖和葡萄糖浓度。图4(a)为分别以三种纤维素生物质为底物,单独的里氏木霉的粗酶液、单独的桧状青霉9-3的粗酶液以及里氏木霉的粗酶液和桧状青霉9-3的粗酶液混合的水解过程中还原糖浓度变化情况图,图4(b)为分别以三种纤维素生物质为底物,单独的里氏木霉的粗酶液、单独的桧状青霉9-3的粗酶液以及里氏木霉的粗酶液和桧状青霉9-3的粗酶液混合的水解过程中葡萄糖浓度变化情况图。图4中以T代表里氏木霉,P代表桧状青霉9-3,T+P为里氏木霉和桧状青霉9-3的粗酶液共同水解。
由图4(a)和图4(b)分析可知,针对三种生物质,桧状青霉9-3的粗酶液和里氏木霉的粗酶液混合的协同作用时所得到的还原糖和葡萄糖的浓度均要比里氏木霉粗酶液单独作用时还原糖和葡萄糖的浓度高。水解玉米芯粉时,水解12h的情况下,两种粗酶液混合作用比里氏木霉粗酶液单独作用所得的还原糖高50%,所得的葡萄糖高40%。水解气爆秸秆时,水解12h的情况下,两种粗酶液混合作用比里氏木霉粗酶液单独作用所得的还原糖高30%,所得的葡萄糖高112%。并且,在水解富含半纤维素的玉米芯时,水解12h的情况下,桧状青霉9-3粗酶液单独作用所得到的还原糖浓度是里氏木霉的粗酶液单独作用所产生的还原糖浓度的1.17倍。
综上所述,本发明的桧状青霉9-3制备的粗酶液单独使用时对纤维素生物质中的纤维素和半纤维素具有较好的水解效果,与里氏木霉粗酶液混合使用时则具有较强的协同水解作用。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。