CN106434421B - 一株ε-聚赖氨酸高产菌株及生产ε-聚赖氨酸方法 - Google Patents
一株ε-聚赖氨酸高产菌株及生产ε-聚赖氨酸方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一株ε‑聚赖氨酸高产菌株及生产ε‑聚赖氨酸方法,属于生物技术领域。本发明的ε‑聚赖氨酸高产菌株EA‑19,分类命名为白色链霉菌(Streptomyces albulus),保藏号为CGMCC No.10156。采用本发明的菌株EA‑19进行补料分批发酵培养,发酵液中ε‑聚赖氨酸的浓度达38.5~39 g/L。本发生产ε‑聚赖氨酸的方法:采用菌株EA‑19进行发酵培养。采用鼓泡法,在发酵培养过程中、发酵培养结束后通风,使得发酵产生的ε‑聚赖氨酸存在于泡沫中、从发酵液中分离出来;从而克服了现有制备方法中ε‑聚赖氨酸难以分离的技术难题;避免了离子交换等产生大量废水的步骤,产品收率提高50%以上;工艺简单易放大,能耗低、设备投资小,易于实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一株ε-聚赖氨酸高产菌株及生产ε-聚赖氨酸方法,属于生物技术领域。
背景技术
ε-聚赖氨酸(ε-polylysine)属于微生物食品防腐剂,是一种高效广谱的新型生物防腐剂。ε-聚赖氨酸是L-赖氨酸由α-羧基和ε-氨基连接形成的聚合物,含有25~35个赖氨酸残基,成品为淡黄色粉末,易溶于水,吸湿性强,略有苦味。与其它防腐剂相比,ε-聚赖氨酸具有抑菌谱广、抑菌效率高、稳定性好、安全性高的特点。ε-聚赖氨酸对革兰阳性菌、革兰阴性菌、酵母菌、霉菌均有抑菌效果,对耐热性芽孢杆菌和一些病毒也有抑制作用;在食品中的添加量非常少;能适应较宽的pH范围,还具有很高的热稳定性,可以随食品一起灭菌;在肠胃中几乎不被吸收,对人体的生长发育等没有影响,在人体内可分解为L-赖氨酸而成为人体营养强化剂。除了作为防腐剂,在食品工业中,ε-聚赖氨酸还可用作乳化剂、食疗剂;在医药行业中,还可以作为药物载体以及高吸水性的生物材料。
目前,困扰ε-聚赖氨酸大规模产业化的难题主要有两个:一是现有菌株的产酸能力有限;二是分离工艺复杂,一般需要经过除菌、离子交换、脱色、浓缩、干燥等步骤;如中国专利200910152931.2提供的一种从发酵液中提取ε-聚赖氨酸及其盐的方法,其工艺步骤复杂、设备投资大、成本高、分离过程中还会产生大量污水。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高产ε-聚赖氨酸能力的菌株;及根据ε-聚赖氨酸及其发酵特性,提供一种工艺简单、成本低的采用该菌株生产ε-聚赖氨酸的方法。
技术方案:
通过紫外-亚硝基胍复合诱变方法,对白色链霉菌(Streptomyces albulus)NBRC14147进行诱变,将诱变株涂布到含有10~40 g/L ε-聚赖氨酸的YMG或LB固体培养基上,28~30 ℃培养2~5天后,挑选出单菌落,经过摇瓶复筛及发酵罐验证后,获得一株具有高产ε-聚赖氨酸能力的菌株EA-19;菌株EA-19补料分批发酵培养,发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度达38.5~39 g/L。该菌株EA-19,其形态特征为:孢子丝紧密或松敞螺旋形,含10-50个孢子;孢子球形至卵圆形,表面光滑。经鉴定,该菌株EA-19是一种白色链霉菌(Streptomyces albulus)。
该菌株EA-19已保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(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,邮编100101),分类命名为白色链霉菌(Streptomyces albulus),保藏号为CGMCC No.10156,保藏时间为2014年12月11日。
一种采用本发明的菌株EA-19生产ε-聚赖氨酸的方法:菌株EA-19进行发酵培养。当发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度稳定后,停止发酵培养;发酵周期为42h。测得发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度为7.5 g/L。而采用白色链霉菌NBRC14147发酵培养;当发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度稳定后,停止发酵培养;发酵周期为42h。测得发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度为2.5 g/L。由此可见,本发明的方法能缩短发酵周期,产ε-聚赖氨酸的能力明显提高(是白色链霉菌NBRC14147产ε-聚赖氨酸能力的三倍)。
上述方法,发酵培养过程中搅拌、通风;发酵培养结束后,将发酵液加热到80-90℃维持25-35分钟,然后继续向发酵液通风至发酵液不再产生泡沫;收集发酵培养过程中及发酵培养结束后产生的泡沫,进行消泡、过滤,滤液加有机溶剂进行沉淀,沉淀真空干燥,得到ε-聚赖氨酸成品。该方法采用鼓泡法,在发酵培养过程中、发酵培养结束后通风,使得发酵产生的ε-聚赖氨酸存在于泡沫中、从发酵液中分离出来;从而克服了现有制备方法中ε-聚赖氨酸难以分离的技术难题。“将发酵液加热到80-90 ℃维持25-35分钟”的作用是提高ε-聚赖氨酸的分离效果。
上述方法,维持发酵液的糖浓度为5-30g/L、维持发酵液的pH为3.5-4.5。随着发酵培养的进行,发酵液的糖浓度和pH逐渐降低。当糖浓度过低,菌体会死亡,产酸缓慢,影响最终产量;pH过低也不利于产酸。所以,向发酵液充补料液以维持糖浓度,向发酵液中加氨水以维持pH;所述补料液含葡萄糖。在此条件下,发酵培养168~192 h后,发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度即可达到38.5-39g/L的稳定状态。
上述方法,优选的,维持发酵液的糖浓度为9-11g/L。在此糖浓度条件下,菌体生长状态和产酸能力更好。
上述方法,发酵培养用发酵培养基含有葡萄糖 50 g/L、酵母粉5 g/L、硫酸铵10g/L、硫酸亚铁 0.03 g/L、硫酸锌0.04 g/L、硫酸镁0.5 g/L、磷酸氢二钾 0.8 g/L、磷酸二氢钾1.36 g/L、以及0.5~5 g/L的吐温、蔗糖酯、甘油脂和大豆磷脂中的一种以上,以助于发酵液形成的泡沫不易破裂,便于泡沫引流。
上述方法,消泡是指机械搅拌消泡和加入消泡剂消泡中的一种或两种结合。
上述方法,所述过滤为板框过滤。在本发明中,相对于采用其他过滤方式,板框过滤的优势在于:工艺简单易放大,能耗低、设备投资小。
上述方法,所述有机溶剂为乙醇、乙醚、丙醇、丁醇和丙酮中的一种或两种以上,加入量为滤液体积的1~3倍。
上述方法,菌株EA-19的发酵培养条件可以采用制备的ε-聚赖氨酸的常规发酵培养条件;优选的,发酵培养条件为:温度28~30 ℃、搅拌转速100~400 r/min,通风比0.5~1:1V/V•m。
本发明人还发现,ε-聚赖氨酸作为赖氨酸聚合物,有较高的表面活性。在ε-聚赖氨酸发酵中后期,由于产物的积累,会产生大量的泡沫,需要不断的加入消泡剂来消泡,过多的消泡剂不仅增加成本,还会降低发酵液的表面张力,降低溶解氧浓度,对发酵存在一定的抑制作用。
有益效果
本发明的菌株EA-19具备高产ε-聚赖氨酸能力;其进行补料分批发酵,所获得的发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度高达38.5-39g/L。
本发明的生产方法,有效利用ε-聚赖氨酸及其发酵的特性,采用鼓泡法,使ε-聚赖氨酸以泡沫形式从发酵液中分离出来,然后采用有机溶剂沉淀法浓缩;避免了离子交换等产生大量废水的步骤,产品收率(成品产量/发酵产量的比值)提高50 %以上;工艺简单易放大,能耗低、设备投资小,易于实现规模化生产。
保藏信息
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
地址:北京市朝阳区北辰西路1号院中国科学院微生物研究所
保藏日期:2014年12月11日
保藏编号:CGMCC No.10156
分类命名:白色链霉菌Streptomyces albulus。
具体实施方式
下面结合具体实施例以更好地理解本发明。
实施例1 高产菌株EA-19的筛选
(1)将白色链霉菌NBRC14147的孢子使用tirs-马来酸缓冲液制成孢子悬液,孢子浓度约为107~108个/mL。
(2)取孢子悬液5 mL,加入到Φ9 cm无菌平皿;将无菌平皿置于紫外诱变箱内、距15 W 紫外灯30 cm处,进行紫外光照射诱变30 s。
(3)将无菌平皿从紫外诱变箱中取出,再向无菌平皿中的孢子悬液中加入亚硝基胍,使亚硝基胍终浓度为0.8 mg/mL,避光震荡30 min;终止诱变。
(4)诱变结束后,清洗菌体并加入5 mL避光过夜培养(培养时间为16小时左右)。发酵培养基:葡萄糖 50 g/L,酵母粉5 g/L,硫酸铵10 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(5)将步骤(4)获得的菌液用含有40 g/L ε-聚赖氨酸的YMG固体培养基进行平板培养,避光培养2天,得到单菌落14个。YMG固体培养基:酵母粉4g/L,麦芽浸粉10g/L,葡萄糖4g/L,琼脂15g/L。
(6)得到的14个单菌落经过摇瓶初筛后,获得菌株EA-19。
(7)将获得的菌株EA-19用tirs-马来酸缓冲液制成EA-19的孢子悬液,孢子浓度约为107~108个/mL;备用。
以下实验为高产菌株EA-19与原始菌株NBRC14147的对比。
1. 对ε-聚赖氨酸的耐受性
将原始菌株NBRC14147和高产菌株EA-19分别接种到含有不同浓度ε-聚赖氨酸的YMG固体培养基中,30 ℃培养2~5天,观察菌体生长情况,具体结果见表1。YMG固体培养基:酵母粉4g/L,麦芽浸粉10g/L,葡萄糖4g/L,琼脂15g/L。
表1 NBRC1147和EA-19对ε-聚赖氨酸(ε-PL)的耐受性
注:- 无生长,+ 少量生长,++ 生长较多,+++生长旺盛
2. 分批发酵实验
(1)分别将菌株NBRC14147和EA-19的孢子悬液按2 %接种量接种到液体种子培养基中,30 ℃、250 r/min培养24 h;分别得到NBRC14147和EA-19的种子液。种子培养基成分为甘油 20 g/L,酵母粉 5 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(2)按5 %接种量将培养好的NBRC14147和EA-19的种子液分别接种到8 L发酵培养基中,培养温度30 ℃、搅拌转速200~400 r/min,通风比0.5~1:1 (V/V•m)(一分钟内通过单位体积培养液的空气体积比),开始发酵培养。发酵培养基为葡萄糖 50 g/L,酵母粉5 g/L,硫酸铵10 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(3)发酵培养至10~16 h,当发酵液pH降至约4.0时,分别开始流加氨水使pH稳定在4.0上下。
(4)发酵培养至40~48 h,测定发酵液中残留葡萄糖浓度低于5 g/L时,结束发酵,测定发酵液中ε-聚赖氨酸的浓度,具体结果见表2。
表2 NBRC1147和EA-19分批发酵结果
。
实施例2 高产菌株EA-19发酵分离耦合生产ε-聚赖氨酸
(1) 取实施例1制备的EA-19孢子悬液按2 %接种量接种到液体种子培养基中,30℃,250 r/min培养24 h;得EA-19种子液。种子培养基成分为甘油 20 g/L,酵母粉 5 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(2)按5 %接种量将EA-19种子液接种到发酵培养基中,培养温度30 ℃、搅拌转速400 200-500r/min,通风比1:1 (V/V•m),开始发酵培养。发酵培养基为葡萄糖 50 g/L,酵母粉5 g/L,硫酸铵10 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L,吐温80 0.5 g/L。
(3)发酵培养至12 h时,发酵液pH降至约4.0,开始流加氨水使pH稳定至约4.0。
(4)发酵培养至45 h时,发酵液中的葡萄糖浓度将至10 g/L上下,开始流加补料液,使发酵液中的葡萄糖浓度稳定在10 g/L上下。补料液组成为葡萄糖500 g/L。
(5)发酵培养至65 h时,发酵液中产生大量泡沫,通过尾气管道将泡沫引流到消泡罐中;
(6)发酵培养至172 h时,通过液相检测,发酵液中ε-聚赖氨酸产量达到38.5 g/L,结束发酵。
(7)将发酵液升温至85 ℃,按1:1通风比通风鼓泡16 h,鼓泡产生的泡沫引流到消泡罐中;泡沫在消泡罐中经消泡剂消泡后,再经板框过滤,得到澄清滤液;
(8)向滤液中加入其2倍体积的乙醇,得到聚赖氨酸沉淀,沉淀再经减压干燥得到ε-聚赖氨酸成品;产品收率为81%;与实施例4相比,收率提高了50%以上。
实施例3 高产菌株EA-19发酵分离耦合生产ε-聚赖氨酸
(1) 取实施例1制备的EA-19孢子悬液按2 %接种量接种到液体种子培养基中,30℃、250 r/min培养24 h;得EA-19种子液。种子培养基成分为甘油 20 g/L,酵母粉 5 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(2)按5 %接种量将;得EA-19种子液接种到发酵培养基中,培养温度30 ℃、搅拌转速400 r/min,通风比1:1 V/V•m,开始发酵培养。发酵培养基为葡萄糖 50 g/L,酵母粉5 g/L,硫酸铵10 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L,单甘脂 1 g/L。
(3)发酵培养至12 h时,发酵液pH降至约4.0,开始流加氨水使pH稳定至约4.0。
(4)发酵培养至46 h时,发酵液中的葡萄糖浓度降至10 g/L上下,开始流加补料液,使发酵液中的葡萄糖浓度稳定在10 g/L上下;补料液组成为葡萄糖500 g/L。
(5)发酵培养至61 h时,发酵液中产生大量泡沫,通过尾气管道将泡沫引流到消泡罐中。
(6)发酵培养至170 h时,通过液相检测,ε-聚赖氨酸产量达到39.0 g/L,结束发酵。
(7)将发酵液升温至85 ℃,按1:1通风比通风鼓泡12 h,鼓泡产生的泡沫引流到消泡罐中。泡沫在消泡罐中经消泡剂和机械搅拌消泡后,再经板框过滤,得到澄清滤液。
(8)向滤液中加入其1.5倍体积的乙醚,得到聚赖氨酸沉淀,沉淀再经减压干燥得到聚赖氨酸成品;产品收率为83%。
实施例4 高产菌株EA-19采用常规方法进行发酵分离生产ε-聚赖氨酸
具体操作如下:
(1) 取实施例1制备的EA-19孢子悬液按2 %接种量接种到液体种子培养基中,30℃,250 r/min培养24 h;得EA-19种子液。种子培养基成分为甘油 20 g/L,酵母粉 5 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L。
(2)按5 %接种量将EA-19种子液接种到发酵培养基中,培养温度30 ℃、搅拌转速400 200-500r/min,通风比1:1 (V/V•m),开始发酵培养。发酵培养基为葡萄糖 50 g/L,酵母粉5 g/L,硫酸铵10 g/L,硫酸亚铁 0.03 g/L,硫酸锌0.04 g/L,硫酸镁0.5 g/L,磷酸氢二钾 0.8 g/L,磷酸二氢钾1.36 g/L,吐温80 0.5 g/L。
(3)发酵培养至12 h时,发酵液pH降至约4.0,开始流加氨水使pH稳定至约4.0。
(4)发酵培养至46 h时,发酵液中的葡萄糖浓度降至10 g/L上下,开始流加补料液,使发酵液中的葡萄糖浓度稳定在10 g/L上下;补料液组成为葡萄糖500 g/L。
(5)发酵培养至170 h时,通过液相检测,ε-聚赖氨酸产量达到38.7g/L,结束发酵。
(6)将聚赖氨酸发酵液调pH值为3.0,然后加热至85℃,保温20分钟,再冷却至60℃,经板框过滤、顶洗、复滤后得清滤液;
(7)将清滤液调pH值为8.0,得碱化液;
(8)将碱化液压入树脂吸附柱中进行吸附,并保持吸附过程的pH值保持在8.0范围内,直到树脂吸附达饱和状态;用纯化水洗涤饱和树脂,至洗涤液体澄清为止;
(9)用盐酸进行解析,待pH降至4.0以下,解吸结束,得解析液;
(10)在所述解析液中加入活性炭进行脱色,过滤得脱色液;
(11)将所述脱色液压入滤膜装置进行循环浓缩,将脱色液浓缩至ε-PL含量在30%时,停止浓缩,得浓缩液,浓缩液经干燥而得到ε-聚赖氨酸成品,收率为55%。
Claims (10)
1. 一株ε-聚赖氨酸高产菌株EA-19,分类命名为白色链霉菌(Streptomyces albulus),保藏号为CGMCC No.10156。
2.一种生产ε-聚赖氨酸的方法,其特征在于,采用权利要求1所述的菌株EA-19进行发酵培养。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,发酵培养过程中搅拌、通风;发酵培养结束后,将发酵液加热到80-90℃维持25-35分钟,然后继续向发酵液通风至发酵液不再产生泡沫;收集发酵培养过程中及发酵培养结束后产生的泡沫,进行消泡、过滤,滤液加有机溶剂进行沉淀,沉淀真空干燥,得到ε-聚赖氨酸成品。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,维持发酵液的糖浓度为5-30g/L、维持发酵液的pH为3.5-4.5。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,向发酵液充补料液以维持糖浓度,向发酵液中加氨水以维持pH;所述补料液含葡萄糖。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,维持发酵液的糖浓度为9-11g/L。
7. 根据权利要求2-6中任意一项所述的方法,其特征在于,发酵培养用发酵培养基含有葡萄糖 50 g/L、酵母粉5 g/L、硫酸铵10 g/L、硫酸亚铁 0.03 g/L、硫酸锌0.04 g/L、硫酸镁0.5 g/L、磷酸氢二钾 0.8 g/L、磷酸二氢钾1.36 g/L、以及0.5~5 g/L的吐温、蔗糖酯、甘油脂和大豆磷脂中的一种以上。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,消泡是指机械搅拌消泡和加入消泡剂消泡中的一种或两种结合。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述过滤为板框过滤;所述有机溶剂为乙醇、乙醚、丙醇、丁醇和丙酮中的一种或两种以上,加入量为滤液体积的1~3倍。
10. 根据权利要求9所述的方法,其特征在于,发酵培养条件为:温度28~30 ℃、搅拌转速100~400 r/min,通风比0.5~1:1 V/V•m。
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