一种发酵生产透明质酸的方法
技术领域
本发明属于生物化工技术领域,涉及一种发酵生产透明质酸的方法,以青霉素类化合物作为发酵调控指标来促进兽疫链球菌代谢,从而提高透明质酸的产量及分子量。
背景技术
透明质酸的生产方法主要有动物组织提取法和微生物发酵法。
(1)动物组织提取法生产透明质酸
20世纪30年代和40年代,Mayer等人从动物的眼玻璃体、脐带、皮肤、结缔组织、软骨、鸡胚、关节滑液及雄鸡冠等组织中提取得到透明质酸。透明质酸在动物组织中分布较为广泛,由于透明质酸含量、提取和纯化等因素,目前生产透明质酸的主要原料为鸡冠、人脐带和动物眼球。
主要工艺过程包括提取、除杂、酶解、沉淀、分离、纯化。提取透明质酸的生物原料含较多的蛋白质而纯度不高,纯化去除蛋白质的操作造成分子量的大幅下降。同时,提取透明质酸的动物组织原料来源有限,且透明质酸的含量少、组织成分复杂、提取分离困难、成本非常高,因而价格十分昂贵。
(2)微生物发酵法生产透明质酸
1937年,Forrest等首次发现链球菌可以制备透明质酸,随后很多人进行了大量的研究。研究结果证明:某些种属链球菌在一定的环境条件下,能同化吸收葡萄糖或其他碳源,以代谢物形式产生透明质酸。发酵法生产透明质酸的质量主要取决于菌种、培养基、培养条件和分离提纯工艺。微生物发酵法所需原料简单易得、产量不受原料的限制、能够生产更高的分子量的透明质酸。同时透明质酸存在于发酵液内,易于与菌体分离,提取过程简单,微生物发酵法生产透明质酸的实现是透明质酸生产领域近年来取得的最重大的进展。不仅可以实现了大规模的生产,降低了生产成本,而且提高了透明质酸的产率及质量,因此发酵法成为透明质酸生产的发展方向。
透明质酸发酵过程中的条件控制非常重要,目前,主要研究的发酵控制有温度、pH值、时间、营养条件、氧载体、搅拌转速、通气量(溶氧量)、发酵方式等因素。成霞、刘登如等人对搅拌转速、通气量等因素进行了考察,发现搅拌转速为200r/min、初始葡萄糖浓度为65.8g/L、通气量为1.2L/(min·L)时透明质酸的产量较高。Naoki Izawa等人研究了发酵条件及大豆多肽对透明质酸生产的影响。台湾成功大学Wei-Chih Huang等人发现溶氧从2.5%提高到5%时,透明质酸的产量从0.65g/g菌体增长到0.76g/g菌体。Swaminathan Jagannath等人研究了糖浓度、温度、pH值、营养成分对透明质酸产量及分子量的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发酵生产透明质酸的方法,其利用青霉素类化合物抑制肽聚糖转肽酶及D-丙氨酸羧肽酶的活性抑制肽聚糖合成,干扰细胞壁合成,增加了细胞的通透性,有利于透明质酸向胞外分泌,提高菌株生产透明质酸的产量及分子量。
为实现上述目的,本发明提供了一种发酵生产透明质酸的方法,包括以下步骤:
(1)取斜面菌1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养16~18小时;
(2)将步骤1)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第8~14小时时,添加青霉素类化合物,添加青霉素类化合物的量为10~30mg/L。
作为本发明的优选实施例,在所述步骤(1)前,首先从菌种平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间12~16小时;
作为本发明的优选实施例,所述平板培养基的成分及含量(g/l)为:葡萄糖:10,牛肉膏:5,酵母浸粉:10,NaCl:5,琼脂:20;
作为本发明的优选实施例,所述种子培养基成分及含量(g/l)为:葡萄糖:20,NaH2PO4·2H2O:0.75,蛋白胨:10,酵母浸粉:10,KH2PO4:2.0,MgSO4·7H2O:2.0,Na2HPO4·12H2O:1.5;
作为本发明的优选实施例,所述发酵培养基的成分及含量(g/l)为:萄糖:30,NaCl:3,酵母浸粉:30,牛肉膏:15,Na2HPO4·12H2O:1.5,MgSO4·7H2O:1.0,NaHCO3:3,CaCO3:20;
作为本发明的优选实施例,所述青霉素类化合物包括青霉素G类、青霉素V类、耐酶青霉素、广谱青霉素或抗绿脓杆菌的广谱青霉素;
作为本发明的优选实施例,所述青霉素类化合物的添加量为20mg/L;
作为本发明的优选实施例,所述青霉素类化合物的添加时间为12小时。
本发明发酵生产透明质酸的方法至少具有以下优点:通过本发明方法发酵得到的透明质酸,其产量从0.452mg/L提高到0.520mg/L,最高产量达到0.645mg/L,产量提高10%~30%;平均分子量从900,000Da提高到1000,000Da,最高平均分子量达到1200,000Da,分子量提高10%~35%;经纯化后,蛋白质含量小于1%,紫外扫描显示与δ标准品基本一致,提纯的HA溶液最大吸收峰在199.7nm,在257nm、280nm无吸收峰,核酸与蛋白质去除较为干净。
附图说明
图1是青霉素添加量为20mg/L时,添加时间分别为接种发酵后6小时、12小时、18小时透明质酸最大产量、菌体量与未添加青霉素的空白对照比较图;
图2是青霉素添加时间在接种发酵第12小时,添加量分别为5ml、10ml、20ml、30ml时,透明质酸最大产量、菌体量与未添加青霉素的空白对照比较;
图3是透明质酸溶液在190nm~300nm的紫外扫描曲线。
具体实施方式
1.发酵方法
实施例1
步骤1)在无菌操作台上,从原菌种斜面上挑一环在平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间12小时;
步骤2)取斜面菌或步骤1)得到的菌种1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养16小时;
步骤3)将步骤2)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第8小时,添加青霉素,添加青霉素的量为10mg/L,培养至透明质酸含量达到最大值为止,总时间约为16~24小时。
实施例2
步骤1)在无菌操作台上,从原菌种斜面上挑一环在平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间13小时;
步骤2)取斜面菌或步骤1)得到的菌种1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养16.5小时;
步骤3)将步骤2)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第10小时,添加青霉素,添加青霉素的量为15mg/L,培养至透明质酸含量达到最大值为止,总时间约为16~24小时。
实施例3
步骤1)在无菌操作台上,从原菌种斜面上挑一环在平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间14小时;
步骤2)取斜面菌或步骤1)得到的菌种1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养17小时;
步骤3)将步骤2)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第11小时时,添加青霉素,添加青霉素的量为20mg/L,培养至透明质酸含量达到最大值为止,总时间约为16~24小时。
实施例4
步骤1)在无菌操作台上,从原菌种斜面上挑一环在平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间15小时;
步骤2)取斜面菌或步骤1)得到的菌种1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养17.5小时;
步骤3)将步骤2)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第12小时时,添加青霉素,添加青霉素的量为25mg/L,培养至透明质酸含量达到最大值为止,总时间约为16~24小时。
实施例5
步骤1)在无菌操作台上,从原菌种斜面上挑一环在平板上划线,然后将平板培养基放置在隔水式恒温培养箱下培养,温度设定为35℃,时间16小时;
步骤2)取斜面菌或步骤1)得到的菌种1~2环接入装有50ml种子培养基的三角瓶中,在温度为35℃、转速为200r/min的条件下振荡培养18小时;
步骤3)将步骤2)得到的种子液接入装有50mL发酵培养基的摇瓶中,接种量为10%,在摇床上进行培养,培养的条件为:转速200r/min,初始pH值为7.2,发酵温度为35℃,当培养到第14小时时,添加青霉素,添加青霉素的量为30mg/L,培养至透明质酸含量达到最大值为止,总时间约为16~24小时。
在上述实施例中,所述菌种采用美国微生物菌种保藏中心的ATCC39920,属于马腺疫链球菌兽疫亚型(Streptococcus zooepidemicus);
所述平板培养基的成分及含量(g/l)如下:
葡萄糖 10 牛肉膏 5
酵母浸粉 10 NaCl 5
琼脂 20
灭菌前调整pH为7.0,121℃灭菌20min。
所述种子培养基成分及含量(g/l)如下:
灭菌前调整pH7.0,121℃灭菌20min。
所述发酵培养基成分及含量(g/l)如下
灭菌前调整pH7.2,121℃灭菌20min。
所述青霉素类化合物包括:
青霉素G类:如青霉素G钾、青霉素G钠、长效西林等。
青霉素V类:(别名:苯氧甲基青霉素、6-苯氧乙酰胺基青霉烷酸)如青霉素V钾等(包括有多种剂型)。
耐酶青霉素:如苯唑青霉素(新青Ⅱ号)、氯唑青霉素等
广谱青霉素:如氨苄青霉素、羟氨苄青霉素等。
抗绿脓杆菌的广谱青霉素:如羧苄青霉素、氧哌嗪青霉素、呋苄青霉素等。
2.分析方法
(1)葡糖醛酸含量测定(Bitter-Muir)
葡糖醛酸含量测定最常用的是咔唑(carbazole)法。
(2)相对分子质量测定
HA作为非均一的物质,各种方法所测分子量为平均分子量。本实验采用粘度法。
(3)菌体生物量的测定
采用分光光度计测浊度法,在620nm的条件下测定菌体的OD值。
青霉素在透明质酸发酵调控的应用
(1)青霉素类化合物添加量
青霉素类化合物添加量对于透明质酸产率与分子量密切相关,添加量过小,对透明质酸发酵影响不大,添加量过大,抑制菌体生长和代谢,透明质酸产量与空白对照相比下降,所以适当的添加量是控制发酵过程的重要因素。在本发明方法中,青霉素的添加量为10~30mg/L,最佳为20mg/L,低于5mg/L,产量增幅不明显,高于30mg/L,菌体生长受到抑制,菌体生长量下降,透明质酸产量亦下降,见图1。
(2)青霉素类化合物添加时间
微生物的生长分为延迟期、对数生长期、稳定期、衰老期等阶段,不同阶段添加效果不同,在延迟期及对数生长期前期添加青霉素类化合物抑制菌体生长,菌体生长缓慢,菌体量及透明质酸的产量下降。在稳定期添加对菌体量及透明质酸的产量影响较小,最佳添加青霉素类化合物的时间在对数生长中期及对数生长中后期,透明质酸的产量及分子量都得到提高。在本发明方法中,青霉素的添加时间为发酵至8~14小时,最佳为12小时,此时,菌种处于对数生长中期,透明质酸的产量提高10%以上,菌体生长量下降约10%,见图1。
通过本发明方法发酵得到的透明质酸,其产量从0.452mg/L提高到0.520mg/L,最高产量达到0.645mg/L,产量提高10%~30%;平均分子量从900,000Da提高到1000,000Da,最高平均分子量达到1200,000Da,分子量提高10%~35%;经纯化后,蛋白质含量小于1%,紫外扫描显示与δ标准品基本一致,提纯的HA溶液最大吸收峰在199.7nm,在257nm、280nm无吸收峰,核酸与蛋白质去除较为干净,见图3。
与未添加青霉素的发酵方法纯化后透明质酸的质量对比见下表一:
项目 |
未添加青霉素 |
添加青霉素 |
产量(mg/L) |
0.452 |
0.520 |
分子量(Da) |
900,000 |
1000,000 |
氨基葡萄糖(%) |
44 |
44 |
葡萄糖醛酸(%) |
45 |
45 |
外观 |
白色、纤维状 |
白色、纤维状 |
蛋白质 |
<1% |
<1% |
以上所述仅为本发明的一种实施方式,不是全部或唯一的实施方式,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换,均为本发明的权利要求所涵盖。