CN107384996B - 一种诱导酿酒酵母高产金属硫蛋白的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种诱导酿酒酵母高产金属硫蛋白的方法及其应用,该方法为:向发酵培养基中添加复合诱导剂诱导金属硫蛋白生产菌发酵生产金属硫蛋白,所述的复合诱导剂包括Zn2+和Cu2+;诱导时,所述的Zn2+在发酵培养基中的含量为5~15mM;所述的Cu2+在发酵培养基中的含量为0.1~1.5mM。本发明公布了双离子复合组分诱导野生型酿酒酵母高产金属硫蛋白的方案;本工艺解决了利用锌离子诱导酵母源金属硫蛋白产量不足以及铜离子诱导存在毒性的问题,最终获得的酿酒酵母菌体经细胞破碎、纯化、冻干等后处理步骤在保健品和化妆品领域具有较高的应用价值。

Description

一种诱导酿酒酵母高产金属硫蛋白的方法及其应用
技术领域
本发明涉及生物工程技术领域,特别涉及到生物工程手段制备金属硫蛋白并应用于化妆品及保健品中。
背景技术
金属硫蛋白(metallothionein,MT)广泛地存在于从微生物到人类各种生物中,其结构高度保守,构象较坚固,具有较强的耐热性。MT的分子量约为2~7kD,富含半胱氨酸(20%~30%)、不含组氨酸和芳香族氨基酸,对多种重金属有高度亲和性,与其结合的金属主要是镉、铜和锌。本世纪初,有自由基清道夫之称的“金属硫蛋白(MT)”被广泛应用在尖端美容化妆品,用来阻止紫外线、电磁辐射、雾霾污染物、含重金属灰尘等对皮肤的伤害,减少自由基对皮肤组织细胞的侵袭,延缓机体老化,使皮肤组织保持在最佳状态。
根据MT在化妆品、保健品和新医药等三个领域的应用发展情况,结合我国消费者的实际水平,每年的需求量在数十公斤,然产量仅有10公斤左右,远远不能满足实际需求,供不应求的市场导致其价格高达300~1000万元/㎏(化妆品领域和医药领域)。我国现有1.2亿老年人和3.4亿儿童,全球范围内则更多,仅就老年儿童保健品,女性化妆品和生物药品来看,金属硫蛋白的市场前景非常广阔,每一个方面的应用在全球范围内都有上千亿美元市场空间,单国内就有数百亿元的市场潜力,所以其将来的市场潜力巨大。
中国科学院专家经过几年的努力研制出用猪肝生产金属硫蛋白技术,项目技术成果整体上居同类研究的国际先进水。然而,目前国内采用的都是用兔肝生产金属硫蛋白,设备投入大,转让费高,生产周期长,而且产量低。通过微生物基因工程改造,构建可外源表达金属硫蛋白的重组菌是一种潜在的高效生产方式,但由于金属硫蛋白利用分子生物学实现可溶性表达难度较大,同时外源表达体系自身带有的有害物质往往限制了其应用领域。
酵母是一种工人的安全性微生物,已被广泛的应用于食品和化妆品等领域。酵母抽提物是以食品用酵母为主要原料,以酵母自身的酶或外加食品级酶的共同作用下,酶解自溶(可再经分离提取)后得到的产品,并富含氨基酸、肽、多肽等酵母细胞中的营养成分。酵母经破壁后将其中蛋白质、核酸、维生素等抽提,再经生物酶解的富含小分子的氨基酸、肽、核苷酸、维生素等天然活性成分的淡黄色粉末。其中氨基酸含量30%以上,总蛋白50%以上,核苷酸10%以上,在化妆品中具有保湿、赋活等功效。氨基酸是皮肤角质层中自然保湿因子(NMF)的主要成分,易被皮肤吸收,使老化的表皮恢复弹性,延缓皮肤衰老。核酸及核苷酸是人体的主要遗传物质,具有促进新陈代谢、提高蛋白质合成速度等作用,增强免疫机能、增强SOD活性,提高皮肤抗自由基能力。此外,产品中少量的维生素和矿物质等营养元素还可以为皮肤提供充足的营养。
因此,开发以发酵酵母法制备富含金属硫蛋白的酵母产品具有重要的市场价值。目前高产MT的酵母菌株主要通过金属离子诱导获得。其中,锌是一种无毒的诱导剂,但其诱导作用较弱,最终获得的酵母菌体中MT含量非常低,采用铜和铬诱导酵母虽然MT含量可显著提高,但其附带的重金属又限制了其应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的复合诱导剂及其应用。
本发明的另一目的在于提供一种诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的方法。具体为一种酵母源金属硫蛋白的高效生产方式,该方法是利用Zn2+/Cu2+作为混合诱导剂,促进金属硫蛋白生产菌例如酿酒酵母1002高产金属硫蛋白。该金属硫蛋白可应用到化妆品和保健品领域。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种用于诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的复合诱导剂,它包括Zn2+和Cu2 +;诱导时,所述的Zn2+在发酵培养基中的含量为5~15mM,优选为10mM;所述的Cu2+在发酵培养基中的含量为0.1~1.5mM,优选为0.1~1.0mM,进一步优选为0.5~1.0mM。
作为一种优选技术方案,作为所述Zn2+供体的锌盐为氯化锌或硫酸锌,作为所述Cu2+供体的铜盐为氯化铜或硫酸铜。
上述的复合诱导剂在诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白中的应用。该应用为:向发酵培养基中添加上述的复合诱导剂诱导金属硫蛋白生产菌发酵生产金属硫蛋白。
一种诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的方法,向发酵培养基中添加复合诱导剂诱导金属硫蛋白生产菌发酵生产金属硫蛋白,所述的复合诱导剂包括Zn2+和Cu2+,所述的Zn2+在发酵培养基中的含量为5~15mM,优选为10mM,所述的Cu2+在发酵培养基中的含量为0.1~1.5mM,优选为0.1~1.0mM,进一步优选为0.5~1.0mM。
上述的方法,其在于:作为所述Zn2+供体的锌盐为氯化锌或硫酸锌,作为所述Cu2+供体的铜盐为氯化铜或硫酸铜。
上述的方法,其在于:所述发酵的时间为72~96h。
本发明技术方案中所述的金属硫蛋白生产菌为酿酒酵母菌。该酿酒酵母菌为从中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002,根据金属硫蛋白收金属离子诱导的特性,其技术效果不应仅限于酵母菌。本发明技术方案中所述的发酵基础培养基为YPD,但不限于此。由于该发酵培养基仅为维持菌体生长和代谢所用,因此本发明技术不用受发酵培养基的具体类型限制。
本发明所述诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白方法的具体实施步骤如下:
本发明所述的金属硫蛋白生产菌为经发酵培养可得高金属硫蛋白含量的酿酒酵母,其工艺包括菌种活化、种子培养、发酵培养、固液分离、检测分析五个步骤。
各工艺步骤参数如下:
(1)菌种活化:将本发明所述酿酒酵母菌株(保藏于中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002)接入(划线)YEPD平板,30℃活化培养48h;
(2)种子培养:将活化好的酿酒酵母1002接入YPD培养基,30℃、150rpm培养24-48h。
(3)发酵培养:
①发酵罐发酵培养法:用于生产放大。将发酵培养基投入到发酵罐中搅拌均匀后高压灭菌,灭菌完毕,接种酵母种子至发酵罐并添加氯化锌(或硫酸锌)、氯化铜(或硫酸铜)锌铜复合诱导剂进行诱导培养,接种量为10%,发酵温度30℃,pH5.0,诱导发酵时间为48-96h。
②摇瓶发酵培养法:用于测试过程。将复合诱导剂加入发酵培养基,按1%的接种量将种子液转接入复合诱导培养基中,30℃、pH5.0,150rpm培养48~72h;
(4)检测分析:采用比色法检测样品巯基活性确定金属硫蛋白含量。
菌体预处理:
破碎液:50mM Tris-HCl,pH8.6(菌体与液体的体积比例按1:10~15)
破碎方式:65%功率超声破碎10-30min
后处理:80℃热变性6min,12,000rpm离心0.5h收集上清。
具体检测方法:
(1)精密量取0.1mL样品提取液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL的2,2‘-二硫代联吡啶饱和水溶液,以0.1mL去离子水代替样品溶液,同上法操作;得试剂空白液,分别摇匀。置35℃水浴20min,用紫外分光光度计测定λm a x=343n m处的吸收度Aa;
(2)再精密量取0.1mL样品溶液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL去离子水,以0.4mL去离子水加2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液为空白液,同上操作,测定吸收度Ab(由杂蛋白引起的吸收度-简称杂蛋白吸收度);以△A=Aa-Ab表示巯基活性。
(3)固液分离:采用高速离心机8,000rpm离心发酵液30分钟获得诱导后的酿酒酵母湿菌体。
本发明的有益效果:
本发明在培养基中添加Zn2+和Cu2+作为复合诱导剂诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白,可显著提供金属硫蛋白的产量。Zn2+和Cu2+作为复合诱导剂具有显著的协同增效作用,其诱导效果显著高于Zn2+和Cu2+单独使用时的诱导效果。本发明公布了双离子复合组分诱导野生型酿酒酵母高产金属硫蛋白的方案;本工艺解决了利用锌离子诱导酵母源金属硫蛋白产量不足以及铜离子诱导存在毒性的问题,最终获得的酿酒酵母菌体经细胞破碎、纯化、冻干等后处理步骤在保健品和化妆品领域具有较高的应用价值。
附图说明
图1为10mM氯化锌和0.1mM氯化铜复合诱导对酿酒酵母产金属硫蛋白的性能的影响。
图2为10mM氯化锌和0.5mM氯化铜复合诱导对酿酒酵母产金属硫蛋白的性能的影响。
图3为10mM氯化锌和1.0mM氯化铜复合诱导对酿酒酵母产金属硫蛋白的性能的影响。
图4为10mM氯化锌和1.5mM氯化铜复合诱导对酿酒酵母产金属硫蛋白的性能的影响。
具体实施实例:
实施例1:
(1)菌种活化:将本发明所述酿酒酵母菌株(保藏于中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002)接入(划线)YEPD平板,30℃活化培养48h;
(2)种子培养:从活化平板上挑取酿酒酵母1002单克隆接入装液量为50mL YPD培养基的250mL隔板摇瓶中,30℃、150rpm培养48h;
(3)摇瓶发酵培养:将不同含量和组分的诱导剂加入发酵培养基得到诱导培养基,按1%的接种量将种子液转接入诱导培养基中,30℃、pH5.0,150rpm培养48h;
(4)细胞破碎:8,000rpm离心30分钟收集菌体,按料液比(湿菌体)1:15加入pH8.6Tris-HCl(50mM)缓冲液,65%功率超声破碎25min,80℃热变性6min,12,000rpm离心0.5h收集上清;
(5)巯基活性检测:精密量取0.1mL样品提取液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL的2,2'-二硫代联吡啶饱和水溶液,以0.1mL去离子水代替样品溶液,同上法操作;得试剂空白液,分别摇匀。置35℃水浴20min,用紫外分光光度计测定λm a x=343n m处的吸收度Aa(由Cu-MT反应和杂蛋白引起);再精密量取 0.1mL样品溶液,分别精密加入2.6mL缓冲液和0.3mL去离子水,以0.4mL去离子水加2.6mL缓冲液为空白液,同上操作,测定吸收度Ab(由杂蛋白引起的吸收度-简称杂蛋白吸收度);以△A=Aa-Ab表示巯基活性。
如图1所示(此实验中复合诱导组为10mM氯化锌和0.1mM氯化铜复合诱导),单独使用10mM氯化锌诱导下,酵母产MT能力与未诱导组相比提高了2.66倍,单独使用0.1mM氯化铜MT含量提高幅度与氯化锌诱导相当,而采用复合诱导剂时,MT含量显著提高了7.33倍,说明此条件下的复合诱导剂具有显著提高酿酒酵母产MT的能力。
实施例2:
(1)菌种活化:将本发明所述酿酒酵母菌株(保藏于中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002)接入(划线)YEPD平板,30℃活化培养48h;
(2)种子培养:从活化平板上挑取酿酒酵母1002单克隆接入装液量为50mL YPD培养基的250mL隔板摇瓶中,30℃、150rpm培养48h;
(3)摇瓶发酵培养:将不同含量和组分的诱导剂加入发酵培养基得到诱导培养基,按1%的接种量将种子液转接入诱导培养基中,30℃、pH5.0,150rpm培养48h;
(4)细胞破碎:8,000rpm离心30分钟收集菌体,按料液比(湿菌体)1:15加入pH8.6Tris-HCl(50mM)缓冲液,65%功率超声破碎25min,80℃热变性6min,12,000rpm离心0.5h收集上清;
(5)巯基活性检测:精密量取 0.1mL样品提取液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL的2,2'-二硫代联吡啶饱和水溶液,以0.1mL去离子水代替样品溶液,同上法操作;得试剂空白液,分别摇匀。置35℃水浴20min,用紫外分光光度计测定λm a x=343n m处的吸收度Aa(由Cu-MT反应和杂蛋白引起);再精密量取 0.1mL样品溶液,分别精密加入2.6mL缓冲液和0.3mL去离子水,以0.4mL去离子水加2.6mL缓冲液为空白液,同上操作,测定吸收度Ab(由杂蛋白引起的吸收度-简称杂蛋白吸收度);以△A=A a-Ab表示巯基活性。
如图2所示(此实验中复合诱导组为10mM氯化锌和0.5mM氯化铜复合诱导),单独使用0.5mM氯化铜与单独使用10mM氯化锌对酿酒酵母进行诱导发酵,MT含量与未诱导组相比分别提升了4.67和2.66倍;而采用复合诱导剂时,MT含量显著提高了10.33倍,说明此条件下的复合诱导剂具有显著提高酿酒酵母产MT的能力。
实施例3:
(1)菌种活化:将本发明所述酿酒酵母菌株(保藏于中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002)接入(划线)YEPD平板,30℃活化培养48h;
(2)种子培养:从活化平板上挑取酿酒酵母1002单克隆接入装液量为50mL YPD培养基的250mL隔板摇瓶中,30℃、150rpm培养48h;
(3)摇瓶发酵培养:将不同含量和组分的诱导剂加入发酵培养基得到诱导培养基,按1%的接种量将种子液转接入诱导培养基中,30℃、pH5.0,150rpm培养48h;
(4)细胞破碎:8,000rpm离心30分钟收集菌体,按料液比(湿菌体)1:15加入pH8.6Tris-HCl(50mM)缓冲液,65%功率超声破碎25min,80℃热变性6min,12,000rpm离心0.5h收集上清;
(5)巯基活性检测:精密量取 0.1mL样品提取液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL的2,2'-二硫代联吡啶饱和水溶液,以0.1mL去离子水代替样品溶液,同上法操作;得试剂空白液,分别摇匀。置35℃水浴20min,用紫外分光光度计测定λm a x=343n m处的吸收度Aa(由Cu-MT反应和杂蛋白引起);再精密量取 0.1mL样品溶液,分别精密加入2.6mL缓冲液和0.3mL去离子水,以0.4mL去离子水加2.6mL缓冲液为空白液,同上操作,测定吸收度Ab(由杂蛋白引起的吸收度-简称杂蛋白吸收度);以△A=A a-Ab表示巯基活性。
如图3所示(此实验中复合诱导组为10mM氯化锌和1.0mM氯化铜复合诱导),单独使用1.0mM氯化铜与单独使用10mM氯化锌对酿酒酵母进行诱导发酵,MT含量与未诱导组相比分别提升了6.33和2.67倍;而采用复合诱导剂时,MT含量显著提高了14.67倍,说明此条件下的复合诱导剂同样具有显著提高酿酒酵母产MT的能力。
实施例4:
(1)菌种活化:将本发明所述酿酒酵母菌株(保藏于中国工业微生物菌种保藏管理中心购得,菌种保藏编号为CICC 1002)接入(划线)YEPD平板,30℃活化培养48h;
(2)种子培养:从活化平板上挑取酿酒酵母1002单克隆接入装液量为50mL YPD培养基的250mL隔板摇瓶中,30℃、150rpm培养48h;
(3)摇瓶发酵培养:将不同含量和组分的诱导剂加入发酵培养基得到诱导培养基,按1%的接种量将种子液转接入诱导培养基中,30℃、pH5.0,150rpm培养48h;
(4)细胞破碎:8,000rpm离心30分钟收集菌体,按料液比(湿菌体)1:15加入pH8.6Tris-HCl(50mM)缓冲液,65%功率超声破碎25min,80℃热变性6min,12,000rpm离心0.5h收集上清;
(5)巯基活性检测:精密量取 0.1mL样品提取液,分别精密加入2.6mL pH4.0的0.2mol/LNaAc-HAc缓冲液和0.3mL的2,2'-二硫代联吡啶饱和水溶液,以0.1mL去离子水代替样品溶液,同上法操作;得试剂空白液,分别摇匀。置35℃水浴20min,用紫外分光光度计测定λm a x=343n m处的吸收度Aa(由Cu-MT反应和杂蛋白引起);再精密量取 0.1mL样品溶液,分别精密加入2.6mL缓冲液和0.3mL去离子水,以0.4mL去离子水加2.6mL缓冲液为空白液,同上操作,测定吸收度Ab(由杂蛋白引起的吸收度-简称杂蛋白吸收度);以△A=A a-Ab表示巯基活性。
如图4所示(此实验中复合诱导组为10mM氯化锌和1.5mM氯化铜复合诱导),在此诱导条件下10mM氯化锌和1.5mM氯化铜复合诱导组的金属硫蛋白含量水平与实施实例3无明显提升。

Claims (4)

1.一种用于诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的复合诱导剂,其特征在于:它包括Zn2+和Cu2+;诱导时,所述的Zn2+在发酵培养基中的含量为10 mM;所述的Cu2+在发酵培养基中的含量为0.5、1.0或1.5 mM;作为所述Zn2+供体的锌盐为氯化锌或硫酸锌,作为所述Cu2+供体的铜盐为氯化铜或硫酸铜;所述的金属硫蛋白生产菌是保藏编号为CICC 1002的酿酒酵母菌株。
2.一种诱导金属硫蛋白生产菌高产金属硫蛋白的方法,其特征在于:向发酵培养基中添加复合诱导剂诱导金属硫蛋白生产菌发酵生产金属硫蛋白,所述的复合诱导剂包括Zn2+和Cu2+,所述的Zn2+在发酵培养基中的含量为10 mM,所述的Cu2+在发酵培养基中的含量为0.5、1.0或1.5 mM;作为所述Zn2+供体的锌盐为氯化锌或硫酸锌,作为所述Cu2+供体的铜盐为氯化铜或硫酸铜,所述的金属硫蛋白生产菌是保藏编号为CICC 1002的酿酒酵母菌株。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述发酵的时间为72~96h。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的发酵基础培养基为YPD。
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