CN106635836A - 一株土曲霉菌及其在生产纤维素酶中的应用 - Google Patents

一株土曲霉菌及其在生产纤维素酶中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一株土曲霉及其在生产纤维素酶中的应用。本发明提供的土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129,保藏号为CCTCC M 2016586。本发明还保护土曲霉 gd2129在制备纤维素酶中的用途。本发明还保护一种生产纤维素酶的方法,包括如下步骤:发酵土曲霉 gd2129,收集发酵产物,得到纤维素酶。本发明提供的菌株在以稻草、豆饼粉、无机盐母液配制的培养基中可产生纤维素酶,最高产酶活力 3.1U/g。该酶最适 pH5.0、在pH3‑9有活力,最适温度55℃,在37℃‑60℃均具有活力,在65℃活力还较高。

Description

一株土曲霉菌及其在生产纤维素酶中的应用
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及土曲霉菌及其在生产纤维素酶中的应用。
背景技术
纤维素酶是一种能降解纤维素物质并产生葡萄糖的复合酶,它主要是由三种具有不同催化作用并相互之间起协同作用的酶组合而成的。具有不同的催化功能的三种酶分别是:内切葡聚糖酶(CX酶)、外切葡聚糖酶(C1酶)、β-葡萄糖苷酶(BG酶),这三种成分组成一个诱导型复合酶系。纤维素酶对纤维素具有专一、高效的水解作用,产生有多种作用的糖类化合物,使其在制浆造纸行业、能源生产、食品加工、饲料工业等方面都有很广泛的应用。
蔗渣是一种重要的制浆造纸资源,传统的蔗渣制浆多采用碱法化学制浆,在化学制浆前进行酶的预处理是提高蔗渣制浆效果、减少污染的有效措施。传统的酶预处理主要是使用半纤维素酶等降解半纤维素(蔗渣造纸制浆用复合酶液的生产方法及应用,申请号:201310490346.X),我们考虑采用纤维素酶对蔗渣进行预处理。
不同来源的纤维素酶对不同性质的纤维素酶作用效果不一样,实验证明,市售的纤维素酶对蔗渣纤维素的降解效果有待提高,因此获得对蔗渣纤维素分解效率高的纤维素酶就非常必要。纤维素酶主要是由微生物发酵得到。能产纤维素酶的微生物有细菌、放线菌和丝状真菌等,其中丝状真菌产生的纤维素酶酶系较全,且其产生的酶多为胞外酶,便于后期的分离提取,被研究得最多。
因此,本发明以甘蔗渣为唯一碳源,改造的査式培养基为筛选培养基,从土壤中筛选能高效降解蔗渣纤维素的纤维素酶产生菌,获得几株产酶效率较高的丝状真菌,其中产酶效率最高、性质最优的一株经鉴定为土曲霉,其所产的纤维素酶能耐高温、降解蔗渣纤维素效果良好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一株产纤维素酶的土曲霉菌株,以及利用该菌株生产纤维素酶的方法。
本发明所提供的土曲霉(Aspergillus terreus),名称为gd2129,已于2016年10月24日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC,地址为:中国湖北省武汉市武昌区八一路珞珈山),保藏号为CCTCC M 2016586。
本发明所述土曲霉gd2129是一株筛选自土壤的菌株。
所述土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129 CCTCC M 2016586菌株是从广西壮族自治区永福制糖厂蔗渣堆放处取得土壤筛选出来的。取1-3g土样,用无菌水震荡摇匀,吸取适量的土壤溶液于富集培养基中进行富集培养,富集培养基的唯一碳源为蔗渣纤维素,保证了筛选出的菌株能专一、高效地降解蔗渣纤维素。选取蔗渣纤维崩解快的富集液,稀释后涂布于初筛培养基平皿于30℃培养进行分离,然后将出现的单菌落接种于刚果红鉴别培养基上,再在30℃的培养箱中倒置培养72小时,通过透明圈直径大小与菌落直径大小的比值来筛选产纤维素酶菌种。
所述土曲霉gd2129富集培养基的配制方法为:NaNO3 0.3-0.8g,KH2PO4 0.5-1.5g,MgSO4 0.3-0.8g,KCl 0.3-0.8g,Fe2(SO4)3微量,加水至1000 ml,自然pH,以蔗渣纤维为唯一碳源。
所述土曲霉gd2129初筛培养基的配制方法为:羧甲基纤维素钠3-8g,琼脂15-20g,NaN03 2-4g,K2HP04 0.5-1.5g,KCl 0.3-0.8g,MgS04 0.3-0.8g,FeS04 0.05-0.015g,加蒸馏水定容至1000ml,自然pH。
所述土曲霉gd2129刚果红鉴别培养基的配制方法为:琼脂15-20g ,刚果红0.1-0.3g,NaN03 2-4g,MgS04 0.3-0.8g,羧甲基纤维素钠3-7g,K2HP040.5-1.5g,FeS04 0.01g,KCl 0.5g,加蒸馏水定容至1000ml。
本发明所提供的生产纤维素酶的方法,是发酵利用土曲霉gd2129菌株得到纤维素酶。
所述利用土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129 CCTCC M 2016586菌株的发酵培养基配制方法如下:稻草 6-10g,豆饼粉 1-3g,无机盐母液8-13mL。
无机盐母液的组成为:KH2P04 2-4g,K2HP04 1-3g,MgS04 ·7H2O 0.5-2g,无水CaCl2 0.2-1g,加水至500mL,自然pH。
所述土曲霉gd2129的发酵条件可为:温度为28-32℃,初始pH为4.0-5.5,接种量按质量计为10-15%,种龄为72h,发酵时间为5天;
所述具体发酵条件优选:发酵时间为120h,接种量为15%,C:N为4:1,种龄为72h,pH为5.0。使用本发明提供的方法,土曲霉gd2129发酵纤维素酶滤纸酶活产量可以达到3.1u/g。
上述所述滤纸酶活的定义为:在pH 5.5,50℃下,酶液每分钟内降解滤纸产生1µmol葡萄糖所需要的酶量为一个滤纸酶活单位(U)。
固体培养物酶活测定方式为:称量1g固体发酵物于50mL三角瓶中,用玻璃棒把固体发酵物打散,再用移液管加10mL无菌水,封口30℃摇床振荡60min后,用移液枪取1.0mL液体放于1.5mL塑料离心管中,离心机离心3min(转速为12000r/min),然后测其滤纸酶活,用DNS法,酶活单位为U/g。
以上任一所述方法制备得到的纤维素酶也属于本发明的保护范围。
土曲霉gd2129所发酵得到的纤维素酶,适合的缓冲液为柠檬酸缓冲液,在pH3-9都有活力,最优pH为5.0;在37℃-65℃都有活力,65℃活力还较高,其中最优温度为55℃。为一种高温纤维素酶。
附图说明
图1 土曲霉个体形态(X400倍)
图2 发酵时间对gd2129产酶的影响
图3 不同初始pH对gd2129产酶的影响
图4 不同接种量对gd2129产酶的影响
图5 不同C:N对gd2129产酶的影响
图6 温度对土曲霉gd2129酶活性质的影响。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明,但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,比例为质量百分比。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明,均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复实验,结果取平均值。
实施例1、土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129 CCTCC M 2016586的获得
一、菌株的获得
土样:从广西壮族自治区永福制糖厂蔗渣堆放处取得土壤。
筛选:取1-3g土样,用无菌水震荡摇匀,吸取适量的土壤溶液于富集培养基中进行富集培养。选取蔗渣纤维崩解快的富集液,稀释后涂布于初筛培养基平皿于30℃培养进行分离,然后将出现的单菌落接种于刚果红鉴别培养基上,再在30℃的培养箱中倒置培养72小时,通过透明圈直径大小与菌落直径大小的比值来筛选产纤维素酶菌种。
富集培养基:NaNO3 0.5g,KH2PO4 1.0g,MgSO4 0.5g,KCl 0.5g,Fe2(SO4)3微量,加水至1000 ml,自然pH,以蔗渣纤维为唯一碳源。
初筛培养基:羧甲基纤维素钠5g,琼脂17g,NaN03 3g,K2HP04 lg,KCl 0.5g,MgS040.5g,FeS04 0.01g,加蒸馏水定容至1000ml,自然pH。
刚果红鉴别培养基:琼脂17g ,刚果红0.2g,NaN03 3g,MgS04 0.5g,羧甲基纤维素钠5g,K2HP04 lg,FeS04 0.01g,KCl 0.5g,加蒸馏水定容至1000ml。
经过筛选,得到一株降解蔗渣纤维素的产纤维素酶菌株,将其命名为gd2129。
二、菌株鉴定
1、形态特征鉴定
菌株在PDA培养基上生长,菌丝为白色,三天后转为黄褐色,分生孢子头的顶囊半球形,小梗双层,呈放射状排列。显微照片如图1(X400倍)所示。
2、分子鉴定
提取菌株基因组DNA,作为PCR 扩增模板,采用引物ITS1 (5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3') 和ITS4 (5'-TCCTCCGCTT ATTGATATGC-3') 组成的引物对进行ITS 序列的扩增。反应条件:95℃ 5 min;95℃30 s,55℃ 30 s,72℃ 30 s,35 cycles;72℃ 5 min。
扩增产物的测序结果见序列表中的序列1。对测定的序列进行BLAST 软件比较分析,并用MEGA5.0 软件进行同源性分析,菌株gd2129 与Aspergillus terreus 相似性达99%。
根据形态特征鉴定和分子鉴定的结果,菌株gd2129 属于土曲霉(Aspergillus terreus)。
土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129已于2016年10月24日保藏于中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC,地址为:中国湖北省武汉市武昌区八一路珞珈山),保藏号为CCTCC M 2016586。
实施例2、土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129在纤维素酶生产中的应用
一、种子培养
将土曲霉gd2129 接种到PDA 斜面上活化。然后接种于种子培养基中,30℃培养72h。
种子培养基:K2HP04 2g NaN03 3g 无水CaCl2 0.5g
葡萄糖 15g KH2P04 3g MgS04 ·7H2O 1.0g
加蒸馏水至1000mL,自然pH
二、发酵
将种子斜面的孢子用无菌水洗下,接入发酵培养基,混匀,30℃培养5天。
发酵培养基:稻草 8g,豆饼粉 2g,无机盐母液10mL。无机盐母液的组成为:KH2P043g,K2HP04 2g,MgS04 ·7H2O 1.0g,无水CaCl2 0.5g,加水至500mL,自然pH。
发酵物滤纸酶活可以达到3.1U/g。
酶活力的测定
超净工作台紫外灭菌30min,灭菌完毕后,在超净工作台上,称量1g固体培养物于50mL三角瓶中,用玻璃棒把固体培养物打散,再用移液管加10mL无菌水,封口30℃摇床振荡60min后,用移液枪取1.0mL液体放于1.5mL塑料离心管中,离心机离心3min(转速为12000r/min),然后测其滤纸酶活,用DNS法,酶活单位为U/g。
DNS法测定纤维素酶活力:取0.5mL上述离心后的上层清液于带刻度的25mL比色管中,再加入1.0mL柠檬酸缓冲液和一条1cm×6cm的滤纸,滤纸条需折叠成M型纸条,使其完全浸没在酶液中,再放到50℃恒温水浴锅中水浴60min。水浴60min后加3.0mL DNS试剂停止酶反应,再在100℃水中水浴5min后,冷却,定容到25mL摇匀备用,最后以水调零,在可见分光光度器中测量540nm处的吸光值A1。测酶活时要添加空白对照组和平行对照组。空白对照组与实验组操作基本一样,仅是不加滤纸反应,吸光度为A0。酶活定义:在pH 5.5,50℃下,酶液每分钟内降解滤纸产生1µmol葡萄糖所需要的酶量为一个滤纸酶活单位(U)。
实验的滤纸酶活为X,单位为U/g,按下式计算:
式中 m——根据葡萄糖标准曲线方程计算得的(A1-A0)
对应的葡萄糖重量,g
M——葡萄糖的摩尔质量,为180.2 g/mol
T——酶解反应时间,min
n——总稀释倍数为为
1000——转化因子,1 mmol=1000 μmol
四、产酶条件优化
1、发酵时间的优化
按实施例2第二步骤将筛选出的菌株gd2129做发酵时间的优化,从接种后第二天开始测酶活,每24h测一次,以确定最优的发酵时间。
发酵结果显示,最优发酵时间为5天。具体结果见附图2。
2、pH的优化
用0.1mol/LHCl和0.1mol/LNaOH把发酵培养基的pH分别调成4.5、5、5.5、6,依实施例2第二步骤方法发酵,测发酵第五天滤纸酶活,以确定较优的pH。结果显示,较优发酵pH为5.0,具体结果见附图3。
3、接种量的优化
种子培养基接种量为10%,15%,20%,25%,依实施例2第二步骤方法发酵,以确定较优的接种量。结果显示,最优接种量为15%,具体结果见附图4。
4、C:N的优化
根据课题组之前的研究,以稻草为碳源,以豆饼粉为氮源。将固体培养基中稻草和豆饼粉的比例为3:1、4:1、5:1、6:1,依实施例2第二步骤方法发酵,测发酵第五天滤纸酶活,以确定较优的C:N。结果显示,最优C:N为4:1,具体结果见附图5。
实施例3、土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129的生产的纤维素酶酶活性质
一、粗酶液的提取
依实施例二进行gd2129的发酵,取发酵好的固体培养物10g,用玻棒搅碎培养物,加入150ml蒸馏水,搅拌均匀,封口30℃摇床振荡60min后,12000r/min离心3min,上清液为粗酶液。
二、缓冲液种类及pH对酶活的影响
根据资料显示,不同的缓冲液对纤维素酶的酶活有影响,我们选取了常用的柠檬酸缓冲液和醋酸缓冲液进行实验。依实施例二第三步骤测酶活的方法,取0.5ml的粗酶液分别加入pH 3,4,5、6、7的醋酸缓冲液和柠檬酸缓冲液中测酶活,结果见表1:
表1 不同pH值和不同缓冲液下gd2129酶活表现
pH 3 4 5 6 7
在柠檬酸缓冲液中酶活(U/ml) 0.97 1.84 2.16 1.38 0.92
在醋酸缓冲液 中酶活(U/ml) 1.06 1.56 1.71 1.16 1.19
由表1可看出,粗酶液在柠檬酸缓冲液中的酶活在不同pH时都高于在醋酸缓冲液中的酶活,柠檬酸缓冲液比较适合于土曲霉gd2129。pH5.0为最优pH。
三、温度对酶活的影响
取粗酶液,依实施例二第三步骤测酶活的方法,以pH5.0的柠檬酸溶液为缓冲液,分别取0.5ml的粗酶液测在其不同温度下的酶活,结果如附图6所示,55℃为最优温度。
桂林电子科技大学
<210>1
<211>577
<212>DNA
<213>土曲霉(Aspergillus terreus)
GGGTCGGAGT CGGGGTCTTA TGGCACCTCC ACCCGTGACT ATTGTACCTT GTTGCTTCGG 60
CGGGCCCGCC AGCGTTGCTG GCCGCCGGGG GGCGACTCGC CCCCGGGCCC GTGCCCGCCG 120
GAGACCCCAA CATGAACCCT GTTCTGAAAG CTTGCAGTCT GAGTGTGATT CTTTGCAATC 180
AGTTAAAACT TTCAACAATG GATCTCTTGG TTCCGGCATC GATGAAGAAC GCAGCGAAAT 240
GCGATAACTA ATGTGAATTG CAGAATTCAG TGAATCATCG AGTCTTTGAA CGCACATTGC 300
GCCCCCTGGT ATTCCGGGGG GCATGCCTGT CCGAGCGTCA TTGCTGCCCT CAAGCCCGGC 360
TTGTGTGTTG GGCCCTCGTC CCCCGGCTCC CGGGGGACGG GCCCGAAAGG CAGCGGCGGC 420
ACCGCGTCCG GTCCTCGAGC GTATGGGGCT TCGTCTTCCG CTCCGTAGGC CCGGCCGGCG 480
CCCGCCGACG CATTTATTTG CAACTTGTTT TTTTCCAGGT TGACCTCGGA TCAGGTAGGG 540
ATACCCGCTG AACTTAAGCA TATCAATAAG CGGAGGA 577

Claims (7)

1.一种产纤维素酶的菌株,其特征在于:所述产纤维素酶的菌株为土曲霉(Aspergillus terreus)gd2129 CCTCC M 2016586。
2.一种如权利要求1所述的菌株在生产纤维素酶中的用途。
3.根据权利要求2所述的用途,其特征在于:所述纤维素酶产生菌土曲霉菌株培养基的配比如下:6-10g稻草,2-4g豆饼粉,8-10ml无机盐母液。
4.根据权利要求2所述的用途,其特征在于:所述纤维素酶产生菌土曲霉的培养基为8g稻草,2g豆饼粉,10ml无机盐母液。
5.根据权利要求2所述的用途,其特征在于:所述纤维素酶产生菌土曲霉的发酵培养条件为:发酵时间为5天,接种量为10-15%,C:N为3:1-4:1,种龄为66-78h,pH为4.5-6.0。
6.根据权利要求2所述的用途,其特征在于:所述纤维素产生菌土曲霉,采用的发酵条件为:发酵时间为5天,接种量为15%,C:N为4:1,种龄为72h,pH为5.0。
7.根据权利要4所述用途,其特征在于:所述无机盐母液为
KH2P04 2-4g,K2HP04 1-3g,MgS04 ·7H2O 0.5-2g,无水CaCl2 0.2-1g,加水至500mL,自然pH。
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JIANMIN GAO等: "Production and characterization of cellulolytic enzymes from the thermoacidophilic fungal Aspergillus terreus M11 under solid-state cultivation of corn stover", 《BIORESOURCE TECHNOLOGY》 *
严芬等: "一株产高温纤维素酶真菌的筛选、鉴定及酶学性质研究", 《福州大学学报( 自然科学版)》 *
谢小保等: "黑曲霉GD-6纤维素酶液体发酵条件的研究", 《微生物学杂志 》 *
高建民等: "一株嗜热嗜酸纤维素酶高产霉菌分离鉴定及其酶学性质研究", 《微生物学通报》 *

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