CN103293259A - 谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸组成的分析方法 - Google Patents

谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸组成的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供定量分析谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)细胞膜中脂肪酸组成的方法。本发明方法首次采用GC/MS方法,具有准确度高、选择性好、检出限低、线性范围宽、干扰少的优点。本发明方法还采用氯仿甲醇法萃取细胞膜中的磷脂,采用甲醇甲苯法进行脂肪酸的甲酯化并用甲苯萃取脂肪酸甲酯,从而简化了操作,缩短了样品的预处理时间并减低了设备成本。

Description

谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸组成的分析方法
技术领域
本发明涉及生物工程技术领域。具体地说,本发明涉及定量分析细菌,尤其是谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)细胞膜中脂肪酸的组成。
背景技术
谷氨酸棒杆菌是生物素营养缺陷型细菌,在生物素限制的情况下产生谷氨酸,因此可通过控制生物素的浓度,来实现对菌体细胞膜通透性的调节。生物素对菌体细胞膜合成的影响主要是通过对细胞膜的主要成分-磷脂中的脂肪酸的生物合成来实现。当磷脂含量减少到正常量的一半时,细胞发生变形,谷氨酸就从胞内向膜外渗出,积累到发酵液中,因此细胞膜中脂肪酸含量的多少对于谷氨酸的产量至关重要,研究出一种准确测量细胞膜中脂肪酸含量的方法非常关键。
测量食品中脂肪酸的方法很多,例如气相色谱法(GC)。气相色谱是一种常用的分析挥发性、半挥发性成分的方法,常用于定量分析。在未知成分的鉴定方面,利用GC仅能通过保留时间进行定性,物质鉴定受到限制。与通过保留时间进行定性相比,质谱法利用分子量进行定性更加便捷,因此在分析复杂的样品时,需要对一些未知成分进行定性鉴定,往往采用色谱/质谱法(GC/MS)法。GC-MS联用作为一种新技术,具有准确、方便快捷的特点,在进行油脂和挥发性成分的测定中得到广泛的应用,成为一种国际通用的油脂脂肪酸测定方法。
目前谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸的定量通常采用GC方法,包括菌体破碎;磷脂提取;利用甲醇-正己烷体系进行脂肪酸的甲酯化;利用十七酸甲酯做内标,采用Hewlett-Packard 5890A气相色谱进行脂肪酸甲酯的定性和定量分析等步骤(Christian Hoischen and Reinhard Kramer,Journal ofBacteriology,1990)。在现有技术中,采用GC-MS法定量测定谷氨酸棒杆菌中脂肪酸的方法未见报道。此外,现有技术中萃取细胞膜中的磷脂往往采用柱层析法,而脂肪酸的甲酯化往往采用甲醇-正己烷法,这两种方法分别存在设备要求高,时间长等缺陷。因此,本领域迫切需要一种能够快速、简便而准确地定量测定谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸含量的方法。
发明内容
在一方面,本发明提供一种检测谷氨酸棒状杆菌(Corynebacteriumglutamicum)细胞膜脂肪酸组成的分析方法,所述方法包括:
1)萃取细胞膜中的磷脂;
2)对脂肪酸进行甲酯化并萃取脂肪酸甲酯;
3)采用GC-MS方法检测脂肪酸;
4)定性分析细菌细胞膜中的脂肪酸;和
5)定量分析脂肪酸含量。
在一个具体实施方式中,所述步骤1)采用氯仿甲醇体系萃取细胞膜中的磷脂。
在另一具体的实施方式中,所述步骤2)采用甲醇甲苯体系进行脂肪酸的甲酯化并用甲苯萃取脂肪酸甲酯。
在另一具体的实施方式中,所述步骤3)的GC-MS方法中:选用毛细管柱,进样量为0.2-1μL,采用程序升温,升温程序为:起始柱温为50-100℃,保持1-3min;以5-10℃/min升至150℃,保持2-4min;以2-5℃/min升至225℃,保持2-5min;载气流速为0.8-1.5mL/min。
在进一步的实施方式中,所述步骤3)的GC-MS方法中:进样量为1μL,升温程序为:起始柱温为100℃,保持2min;以10℃/min升至150℃,保持3min;以5℃/min升至225℃,保持3min;载气流速为1mL/min。
在还要进一步的实施方式中,所述毛细管柱是低流失毛细管柱。
在再要进一步的实施方式中,所述低流失毛细管柱是尺寸为30m×0.25mm×0.25nm的5%二苯基95%二甲基硅氧烷共聚物非极性弹性石英毛细管柱。
在还要进一步的实施方式中,所述低流失毛细管柱是安捷伦科技有限公司的HP-5MS非极性弹性石英毛细管柱。
在另一实施方式中,所述步骤4)包括检索数据库来鉴定脂肪酸。
在另一实施方式中,所述步骤5)包括采用内标标准曲线法,利用内标计算脂肪酸的量。
在进一步的实施方式中,所述内标是十七酸甲酯。
附图说明
图1.各种脂肪酸甲酯的GC-MS全扫描的色谱图
具体实施方式
本发明旨在定量分析谷氨酸棒杆菌细胞膜中脂肪酸的组成,为研究谷氨酸分泌过程细胞膜的变化奠定技术基础。
目前测量食品中脂肪酸的常用方法是气相色谱法(GC)。气相色谱是一种分析挥发性、半挥发性成分的常用定量分析方法。在未知成分的鉴定方面,利用GC仅能通过保留时间进行定性,因而物质鉴定受到限制。
对于定量测定谷氨酸棒杆菌细胞膜脂肪酸,现有技术采用GC方法,单独使用气相色谱(GC)只能获得保留时间、强度两维信息。而本发明首次采用色谱/质谱法(GC/MS)来定量测定谷氨酸棒杆菌细胞膜脂肪酸,气相色谱-质谱联用可得到质量、保留时间、强度三维信息,与单一定性分析方法比较,具有更强的专属性;另外,由于质谱的多种扫描方式和质量分析技术,可以有选择的只检测所需的目标化合物的特征离子,而不检测不需要的质量离子,如此专一的选择性,不仅能排除基质和杂质峰的干扰,还极大地提高了检测灵敏度,因此对未知成分的定性有很大优势,克服了GC在鉴定未知成分时仅能通过保留时间进行定性的不足之处。该方法具有准确度高、选择性好、检出限低、线性范围宽、干扰少、方便快捷等特点。
本发明采用气相色谱质谱联用技术分析谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸,并用内标法得到了各种脂肪酸组分的准确含量。本发明的方法包括以下步骤:
1.菌体培养和收集;
2.萃取细胞膜中的磷脂;
3.对脂肪酸进行甲酯化;
4.利用气相色谱质谱法检测脂肪酸甲酯;
5.定性细菌细胞膜中的脂肪酸;和
6.定量细菌细胞膜中的脂肪酸;
其中,萃取细胞膜中的磷脂优选利用氯仿甲醇体系。对脂肪酸进行甲酯化优选利用甲醇甲苯体系。进行GC-MS检测时,进样量为0.2-1μL,优选1μL。选用HP-5MS低流失柱,采用程序升温,升温程序为:起始柱温为50-100℃,优选100℃;保持1-3min,优选2min;以5-10℃/min,优选10℃/min升至150℃;保持2-4min,优选3min;以2-5℃/min,优选5℃/min升至225℃;保持2-5min,优选3min;载气流速为0.8-1.5mL/min,优选1mL/min。
定性细菌细胞膜中的脂肪酸是与已知数据库的谱库对比,鉴定出具体的物质种类。而定量细菌细胞膜中的脂肪酸采用内标标准曲线法,利用十七酸甲酯作为内标,通过化学工作站软件计算出脂肪酸的量。
本发明的主要优点在于:
1.本发明采用氯仿甲醇法萃取细胞膜中的磷脂(与现有技术的柱层析法相比对设备要求更简单);
2.用甲醇甲苯法进行脂肪酸的甲酯化并用甲苯萃取脂肪酸甲酯(与现有技术的甲醇-正己烷法相比时间更短),以上两种方法对设备要求简单,容易操作。而将这两种方法联用更是大大缩短了样品的预处理时间并减低了设备成本;
3.本文通过结合GC-MS方法建立了定量测定谷氨酸棒杆菌细胞膜中脂肪酸的方法,从而克服了GC在鉴定未知成分时仅能通过保留时间定性的不足之处。该方法具有准确度高、选择性好、检出限低、线性范围宽、干扰少等特点。
实施例
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则所有的百分数、比率、比例、或份数按重量计。
本发明中的重量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的,例如100毫升的溶液中溶质的质量。
除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。此外,气相色谱领域的技术人员应该知晓,在获知本发明内容的基础上,不难将本发明方法应用于其它相似的色谱柱,但仍能获得相同或相似的检测结果。
表1主要仪器
Figure BDA0000138182630000051
Figure BDA0000138182630000061
表2常用试剂
试剂名   级别   生产商
葡萄糖   分析纯   国药集团化学试剂有限公司
蛋白胨   生化试剂   国药集团化学试剂有限公司
牛肉浸膏   生化试剂   国药集团化学试剂有限公司
NaCl   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
琼脂粉   生化试剂   上海凌峰化学试剂有限公司
玉米浆   生化试剂   上海科旺化学试剂有限公司
糖蜜   生化试剂   上海民友化工有限公司
尿素   分析纯   江苏永华精细化学品有限公司
K2HPO4   分析纯   江苏永华精细化学品有限公司
MgSO4·7H2O   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
Na2HPO4·12H2O   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
KCl   分析纯   江苏永华精细化学品有限公司
MnSO4·H2O   分析纯   江苏永华精细化学品有限公司
FeSO4·7H2O   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
(NH4)2SO4   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
甲醇   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
甲苯   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
氯仿   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
高氯酸   分析纯   国药集团化学试剂有限公司
氯乙酰   分析纯   上海凌峰化学试剂有限公司
培养基配方
保藏培养基(L-1):牛肉膏11g,蛋白胨11g,Nacl 5g,琼脂18g;pH 7.1;
活化培养基(L-1):牛肉膏10g,葡萄糖3g,蛋白胨10g,Nacl 5g,酵母膏85g,琼脂粉18g,MgSO40.7mg,MnSO40.2mg,FeSO40.2mg,pH 7.1;
一级种子培养基(L-1):葡萄糖20g,玉米浆30g,糖蜜7g,尿素40%,K2HPO41.6g,pH 7.1;
发酵培养基(L-1):葡萄糖130g,Na2HPO4·12H2O 2.5g,KCl 1.76g,MgSO40.88g,FeSO4、MnSO40.005g,VB10.0005g,生物素7ug,NH4SO410g(分消),消泡剂0.05g;
采用本发明方法分析了谷氨酸生产菌株。
1.菌体培养和收集,步骤如下:
(1)将保藏的菌种(谷氨酸生产菌S9114,通辽梅花科技有限公司提供)接种于活化斜面,于32℃培养12h;
(2)用2ml无菌生理盐水洗下活化斜面的菌体,取0.5ml菌悬液接种于40ml发酵培养基中,在220rpm转速下摇床培养6h;
(3)取10ml发酵液,添加1ml11%高氯酸溶液,静置1h;
(4)经高氯酸处理的发酵液于10000r/min离心20min,弃去上清,用去离子水重复洗涤细胞3次,洗涤完成后,收集菌体,加入适当的去离子水,漩涡振荡混匀,定容到10ml,超声破碎细胞(1h),再次离心,获取沉淀。所述的洗涤步骤是:加入10ml去离子水于离心管中,漩涡振荡混匀,在3000rpm转速下离心10min,弃上清,获得菌体碎片,-20℃储存备用。
2.氯仿甲醇法萃取细胞膜中的磷脂,步骤如下:
(1)向菌体碎片中加入氯仿-甲醇(1∶2V/V)7.5ml,漩涡振荡,加2.5ml氯仿,漩涡振荡,最后,加入2.5ml蒸馏水,漩涡振荡;
(2)1000rpm离心5min,得到两相体系,用移液器吸取下层(有机相)3ml,氮气吹干;
3.甲醇甲苯法对脂肪酸进行甲酯化,步骤如下:
(1)向以上(2)中吹干得到的脂质中加入2.5ml甲醇-甲苯(4∶1V/V),用磁力搅拌器混匀,一边搅拌一边缓慢加入200μL氯乙酰启动反应,并于沸水浴中酯化反应1h;
(2)反应完毕后冷却至室温,加入5ml 6%Na2CO3和1ml甲苯中和以及抽提,漩涡混合,于3000r/min离心20min,取上层(甲苯抽提有机相)置于小瓶中,-20℃储存备用。
4.气相色谱质谱采用美国安捷伦公司Agilent 7890A/5975C GC/MS气相色谱一质谱联用仪,条件如下:
(1)色谱条件:选用柱子型号为HP-5MS 30m×0.25mm×0.25nm(5%Phenyl Methyl Siloxane)非极性弹性石英毛细管柱。升温程序为:起始柱温100℃,保持2min,以10℃/min升至150℃,保持3min,以5℃/min升至225℃,保持3min;载气流速为1mL/min;进样口温度250℃;载气:高纯氦气(纯度不低于99.999%),载气流速:1.0mL/min;进样方式:不分流;进样量:1μL;接口温度280℃;
(2)质谱条件:电离方式:电子轰击电离源(EI);电子能量:70eV;四极杆温度:150℃;离子源温度:230℃;扫描模式:Scan,SIM,扫描质量范围50-600。溶剂延迟:7min。
5.细菌细胞膜中脂肪酸的定性分析
按照上述GC-MS操作条件对谷氨酸棒状杆菌细胞膜脂肪酸进行分析,图1为样品中脂肪酸甲酯的总离子流图。经NIST05a.L库(Agilent自带的数据库)检索可鉴定出五种脂肪酸,依次为肉豆蔻酸(十四烷酸)(a)15.370min;棕榈油酸(顺-9-十八碳烯酸)(b)19.229min;棕榈酸(十六烷酸)(c)19.702min;十七酸甲酯(d内标物)21.667min;油酸(顺-9-十八碳烯酸)(e)23.195min;硬脂酸(十八烷酸)(f)23.513min。各物质的匹配度均为99%左右。
6.脂肪酸的内标法标准曲线、线性范围和最低检测限的比较
将5种脂肪酸的9种混合标准溶液(见表1)按照上述条件分别进行GC-MS(TIC)和GC-MS(SIM)分析,采用内标标准曲线法定量。采用GC-MS(SIM)法定量时,选取的用于定量的离子为物质分子断裂产生的丰度最大的特征离子(表2)。
取9种不同浓度的脂肪酸标准品与内标物的混合溶液分别进行GC-MS(TIC)和GC-MS(SIM)两种方式的扫描分析,将测定结果按GC-MS化学工作站软件(Agilent GCMSD化学工作站软件)做校正曲线,结果如表3。GC-MS(TIC)分析的5种脂肪酸的标准曲线相关系数最小的为0.991,GC-MS(SIM)分析的5种脂肪酸的标准曲线的相关系数都大于0.997。两种扫描方式截距最大的都为肉豆蔻酸与硬脂酸,其他几种的截距均比较小,使用相对校正因子法(即单点校正法)可以满足定量分析的需要。两种扫描方式分析结果具有明显的一致性,这是因为,GC-MS定量分析都是采用离子进行定量,对同一物质两种扫描方式所选的定量离子是相同的,除了基线噪声选择离子扫描(SIM)比全扫描(Scan)小之外,用于定量的离子两种扫描方式计算结果相差不大。因此,2种测定方法的内标标准曲线法都可以准确地进行定量。
取同一发酵液样品,用以上确定的测定条件及内标法重复测定5种脂肪酸甲酯含量6次,结果表明,重复性良好,日内和日间的相对标准偏差范围分别为0.02%~0.15%和0.8%~2.9%。用加标回收试验检验该方法的准确度,检测结果取均值,各种成分的平均回收率在82.73%~100.03%。
本发明研究了GC-MS定量测定谷氨酸棒杆菌细胞膜中脂肪酸的方法。选用HP-5MS柱,载气最佳流速为1ml/min,升温程序为:起始柱温100℃,保持2min;以10℃/min升至150℃,保持3min;以5℃/min升至225℃,保持3min。该方法的线性范围为0.7813~241.3200mg/L,相关系数(R2)均大于0.9956,日内和日间的相对标准偏差(RSD)均小于0.15%和2.9%,检测限低于0.0167mg/L,样品的加标回收率为82.73%~100.03%(见表4和5)。该方法对5种脂肪酸分离效果良好,且准确稳定、重现性良好,达到一定的准确度和精密度,可满足定量分析的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用以限定本发明的实质技术内容范围,本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中,任何他人完成的技术实体或方法,若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同,也或是一种等效的变更,均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
表1标准品溶液的浓度(mg/L)
  脂肪酸   1   2   3   4   5   6   7   8   9
  肉豆蔻酸   260   130   65   32.5   16.25   8.125   4.0625   2.03125   1.015625
  棕榈酸   211   105.5   52.75   26.375   131875   6.59375   3.296875   1.648438   0.824219
  棕榈油酸   200   100   50   25   12.5   6.25   3125   1.5625   0.78125
  硬脂酸   216   108   54   27   13.5   6.75   3.375   1.6875   0.84375
  油酸   241.32   120.66   60.33   30.165   15.0825   7.54125   3.770625   1.885313   0.942656
表2GC-MS(SIM)选择的特征离子
Figure BDA0000138182630000091
Figure BDA0000138182630000101
表32种测定方法内标法标准曲线的比较
Figure BDA0000138182630000102
表4目标化合物的线性方程、相关系数和仪器检出限
  脂肪酸   线性方程   R2   线性范围(mg/L)   检出限(mg/L)
  肉豆蔻酸   Y=0.9668X+0.0006   0.9991   1.0156-16.2500   0.0002
  棕榈油酸   Y=0.2219X+0.0014   0.9995   0.7813-25.0000   0.0167
  棕榈酸   Y=0.4966X+0.1471   0.9956   13.1875-211.0000   0.0010
  油酸   Y=0.1247X+0.0061   0.9993   0.9427-241.3200   0.0013
  硬脂酸   Y=0.5005X+0.0152   0.9975   0.8438-54.0000   0.0121
表5样品回收率和精密度

Claims (10)

1.一种检测谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)细胞膜脂肪酸组成的分析方法,所述方法包括:
1)萃取细胞膜中的磷脂;
2)对脂肪酸进行甲酯化并萃取脂肪酸甲酯;
3)采用GC-MS方法检测脂肪酸;
4)定性分析细菌细胞膜中的脂肪酸;和
5)定量分析脂肪酸含量。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤1)采用氯仿甲醇体系萃取细胞膜中的磷脂。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤2)采用甲醇甲苯体系进行脂肪酸的甲酯化并用甲苯萃取脂肪酸甲酯。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤3)的GC-MS方法中:选用毛细管柱,进样量为0.2-1μL,采用程序升温,升温程序为:起始柱温为50-100℃,保持1-3min;以5-10℃/min升至150℃,保持2-4min;以2-5℃/min升至225℃,保持2-5min;载气流速为0.8-1.5mL/min。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述步骤3)的GC-MS方法中:进样量为1μL,升温程序为:起始柱温为100℃,保持2min;以10℃/min升至150℃,保持3min;以5℃/min升至225℃,保持3min;载气流速为1mL/min。
6.如权利要求4或5所述的方法,其特征在于,所述毛细管柱是低流失毛细管柱。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述低流失毛细管柱是30m×0.25mm×0.25nm的5%二苯基95%二甲基硅氧烷共聚物非极性弹性石英毛细管柱。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述低流失毛细管柱是安捷伦科技有限公司的HP-5MS非极性弹性石英毛细管柱。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤4)包括检索数据库来鉴定脂肪酸。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤5)包括采用内标标准曲线法,利用内标计算脂肪酸的量。
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