作者简介:马艳雯(1997—),女,山东兖州人,本科生,主要从事环境微生物学研究。E-mail: 2551341197@qq.com
研究了不同培养时间、培养温度、pH值、碳源以及氮源等5个条件对硫色曲霉SQ-3产木聚糖酶、淀粉酶和纤维素酶活性的影响,并检测了不同烘干温度对发酵料中3种酶的活性和孢子存活数的影响。结果表明,在培养温度为28 ℃,初始pH值为7.0,固体发酵料中玉米秸秆粉为25.7%,豆粕为5.8%,麦麸为8.5%,1%的NaNO3溶液为60%且培养时间为3 d时,硫色曲霉SQ-3的3种酶活性均较高:纤维素酶活性为453.3 U·g-1,淀粉酶活性达3.9×103 U·g-1,而木聚糖酶活性达1.48×105 U·g-1。在烘干温度为40 ℃时,发酵料中孢子存活数不低于1.1×108 g-1,木聚糖酶活性保留较好,纤维素酶和淀粉酶也保留大部分活性。结果表明,上述发酵条件适合于硫色曲霉SQ-3低成本且高效的产酶培养。
In this research, effects of different carbon and nitrogen sources, initial pH value, culture temperature and culture time on the activities of cellulase, amylase and xylanase produced by Aspergillar sulphureus SQ-3 were studied. By investigating the influence of different baking temperature on survivability of this fungus and the activities of these enzymes, the results showed that the optimum culture medium for producing enzymes was as follows: 25.7% of corn stalk powder, 5.8% of soybean meal, 8.5% of wheat bran, 28 ℃ as fermentation temperature and initial pH value of 7.0. Under these conditions, higher activities of cellulase, amylase and xylanase were obtained, and they were 453.3 U·g-1, 3.9×103 U·g-1 and 1.48×105 U·g-1, respectively. The number of viable spores under the baking temperature of 40 ℃ was over 1.1×108 CFU·g-1 and the activities of xylanase, cellulase and amylase were well preserved. The results indicated that the fermentation conditions listed above were suited to lower-cost and efficient culture for enzymes produced by Aspergillar sulphureus SQ-3.
中国是世界第一的秸秆大国, 秸秆资源丰富, 每年秸秆产量达到8亿t以上, 占全球秸秆总量的20%[1]。随着农村生活水平的不断提高, 秸秆作为家庭燃料的利用比例降低, 大量秸秆被露天焚烧。秸秆焚烧给环境带来污染, 容易引发火灾, 给道路带来安全隐患, 使得土壤结构遭到破坏, 同时也给人类带来极大的危害[2]。纤维素是地球上分布最广、数量最大的可再生资源[3], 玉米秸秆作为中国产量最高的三大作物秸秆之一[4], 富含纤维素, 对于研究如何科学高效地利用秸秆资源具有重大的实践意义。
秸秆中含有丰富的有机质, 含有氮、磷、钾、钙、镁等元素[5], 是一种绿色的、可持续利用的资源, 因此秸秆还田成为一项绿色环保同时又增产增肥的重要举措。但是, 目前秸秆还田所面临的问题之一是秸秆资源利用率低, 经济效益差。
产纤维素酶的菌很多, 近年来报道的有曲霉、木霉、芽孢杆菌、青霉、根霉等[6, 7, 8, 9, 10]。如焦有宙等[11]通过比较不同土著菌及其复合菌对玉米秸秆降解的影响, 研究出黑曲霉、绿色木霉对秸秆中纤维素、半纤维素体现了较高的降解能力。李立波等[12]探究了哈茨木霉(Trichoderma harzianum)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)这2种菌株在固态发酵条件下降解玉米秸秆的效果。本实验室筛选到一种硫色曲霉, 经初步检测, 木聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶活性较高, 并且有研究表明, 硫色曲霉固态发酵获得的复合酶系中含有较高活性的木聚糖酶、β -葡聚糖酶、果胶酶、甘露聚糖酶、纤维素酶等, 且硫色曲霉对于淀粉、麦麸和豆粕具有良好的降解效果, 在饲料酶的生产应用中有很大的潜力[13, 14, 15]。然而, 目前关于硫色曲霉以秸秆为主要发酵原料进行发酵产酶的研究很少。
因此, 本课题研究了不同碳源、氮源、发酵温度、烘干温度、培养时间以及不同初始pH条件对硫色曲霉SQ-3木聚糖酶、淀粉酶、纤维素酶3种酶活性的影响, 为硫色曲霉固态发酵产酶的研究填补了的空白, 以期获得相对最适的培养条件, 为秸秆的高效利用提供理论参考。
1.1.1 菌株
硫色曲霉SQ-3(Aspergillar sulphureus SQ-3), 由聊城大学微生物实验室提供。
1.1.2 试剂
DNS(3, 5-二硝基水杨酸)购自国苏集团化学试剂有限公司; 羟甲基纤维素和木聚糖购自美国Sigma-Aldrich公司; 酒石酸钠、硝酸钠、亚硫酸钠、乙酸、醋酸钠、磷酸二氢钾、氯化钾、硫酸镁购自天津市光复科技发展有限公司; 苯酚、蔗糖、淀粉、蛋白胨和琼脂购自北京奥博星生物技术有限责任公司。
将硫色曲霉SQ-3接到察氏培养基上, 培养3 d, 进行活化。之后将菌种接到种子培养基(即初始培养基, 麦麸33.2%, 豆粕5.8%, 玉米秸秆粉1.0%, 1% NaNO3溶液 60%)上, 28 ℃培养3 d, 待用。
1.3.1 酶活性的定义与测定
酶活性定义为每分钟催化释放产生1 μ mol还原糖(葡萄糖、麦芽糖、木糖)所需的酶量为1个纤维素酶、淀粉酶和木聚糖酶活性单位(U)。
将发酵培养基置于37 ℃和-20 ℃下冻融3次, 加入3倍体积的水, 摇床萃取, 抽滤, 取滤液采用DNS法[16, 17]测定酶活性。将抽滤后的发酵料于60 ℃烘干至恒重以计算活性, 单位为U· g-1。
1.3.2 相对酶活性的计算
相对酶活性的计算公式A=Ex/Emax × 100%。其中, A— 相对酶活性; Ex— 样品酶活性; Emax— 实验条件下每组中的最高酶活性。
1.3.3 培养时间对发酵产酶的影响
采用初始培养基, 接种后在28 ℃、初始pH为7.0的条件下分别培养1、2、3、4、5、6 d, 提取酶液分别测定发酵产物的酶活性, 以确定适宜的发酵培养时间。
1.3.4 初始pH值对发酵产酶的影响
将初始培养基pH值调整为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0, 其他条件不变, 分别测定酶活性。
1.3.5 发酵温度对发酵产酶的影响
将初始培养基培养温度分别设为24、28、32和36 ℃, 其他条件不变, 分别测定酶活性。
1.3.6 不同氮源、碳源对发酵产物酶活性的影响
分别改变初始培养基中豆粕、蛋白胨、麦麸和玉米秸秆粉的含量, 培养时间为3 d, 其他条件不变, 分别测定酶活性(具体培养基成分见表1)。
1.3.7 烘干温度对发酵产物酶活性的影响
综合1.3.3节-1.3.6节不同培养条件对硫色曲霉产酶活性的影响, 选取相对最适的培养条件(表1, C4组), 将得到的发酵料分别置于40、45、50、55、60 ℃的烘箱中烘干至恒重, 进行残余酶活性的测定。
1.3.8 烘干温度对孢子存活数的影响
利用稀释平板法[18]测定孢子存活数并进行孢子计数。培养条件同1.3.7节, 将得到的发酵料分别置于40、45、50、55、60、65 ℃下烘干至恒重, 测定孢子数。
采用Origin 8.0进行作图, 利用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2007对结果进行数据统计和分析。
由图1可知, 木聚糖酶的活性在第2天即达最高峰, 纤维素酶和淀粉酶分别在第3天和第5天时达到最高峰, 之后均开始下降。在第3天时, 木聚糖酶活性为最高酶活力的68.7%, 淀粉酶活性为最高酶活力的85.1%, 是3种酶活性均相对较高的产酶时间。
图2显示了在不同初始pH值条件下, 硫色曲霉SQ-3三种酶活性的变化趋势。在初始pH值为酸性及近中性的条件(pH 4.0~7.0)下, 木聚糖酶活性变化较小, 在初始pH 7.0时相对酶活性最高。在初始pH值为偏碱性的环境下活性迅速下降。纤维素酶和淀粉酶活性都呈先上升后下降的趋势, 分别在初始pH 7.0和pH 6.0的条件下相对酶活性最高。在pH 7.0时, 淀粉酶活性为最高酶活性的95.7%。
不同的培养温度对3种酶会产生不同的影响。
木聚糖酶在24 ℃的条件下相对酶活性最高, 随着培养温度的上升, 酶活性呈现出一直下降的趋势。纤维素酶和淀粉酶活性呈先上升后下降的趋势, 在28 ℃的条件下最高; 在此条件下, 木聚糖酶为最高酶活性的88.9%(图3)。
由表1可知, 在N1-N6组中, 以豆粕为氮源时, 纤维素酶与淀粉酶的活性受豆粕含量影响较大, 木聚糖酶活性受影响较小。以蛋白胨为氮源时, 随着氮源含量的增加, 纤维素酶活性升高, 木聚糖酶与淀粉酶活性降低。在C1-C5组中, 改变麦麸与玉米秸秆粉的比例, 可见, C4组中木聚糖酶与纤维素酶活性最大, 而淀粉酶活性在C1组中最大(P< 0.05)。
不同的烘干温度对硫色曲霉SQ-3发酵料中的酶活性具有显著影响。随着烘干温度的升高, 木聚糖酶活性迅速下降, 在烘干温度为40 ℃时相对酶活性最高; 淀粉酶和纤维素酶的相对酶活性先升高后降低, 分别在45 ℃、50 ℃时达到最高酶活性。在50 ℃下, 木聚糖酶活性仅为最高酶活性的37.8%, 淀粉酶活性则为最高酶活性的91.9%(图4)。
由图5可知, 孢子存活数受温度的影响较大。随着烘干温度的升高, 活孢子数明显下降, 在烘干温度为40 ℃时, 活孢子数不低于1.1× 108g-1, 在45 ℃时, 活孢子数则迅速下降到40 ℃时的18.4%。
硫色曲霉能够在以秸秆为主要成分的发酵培养基中快速生长, 在第2天时, 发酵料中木聚糖酶活性达最高峰, 纤维素酶在第3天达到最高峰, 与陆文清等[13]相关研究报道相比, 实验所需的产酶时间较短、酶活力较强、产酶效率较高(表1)。
环境中的pH值会影响到细胞膜所带电荷量, 从而引起细胞对营养物质吸收状况的变化[19]。图2结果显示, 初始pH值为6.0~7.0偏中性时, 3种酶的活性均较高, 其中3种酶活性在pH值为7.0时均最高, 此前已有报道证实[20, 21]。该实验条件有助于简化固体发酵产酶的工序, 使得工业化生产成为可能。
由图3可知, 在28 ℃下, 木聚糖酶活性为最高酶活性的88.9%, 淀粉酶活性为最高酶活性的83.9%, 纤维素酶活性达到最大, 与有关报道[22, 23]结果基本一致, 属于室温的温度范围。因此, 在实际生产过程中, 可有助于减少能源消耗。
由表1可知, 相对于蛋白胨, 氮源为豆粕(占5.8%)时, 酶活性仍较高, 可以作为主要氮源以降低生产成本。碳源主要为玉米秸秆粉(占25.7%)时, 纤维素酶与木聚糖酶活性最大, 淀粉酶活性也较高。相对于此前报道的利用玉米芯产木聚糖酶[24]的实验, 本实验利用农业废弃物玉米秸秆培养硫色曲霉时产酶量更高, 对秸秆还田及工业生产具有重要的实际意义。
纤维素酶比较耐热, 在50 ℃下烘干时的活性最大, 而木聚糖酶的耐热性较差(仅为最高酶活力的37.8%), 淀粉酶则保存了91.9%的活性。纤维素酶对于纤维素分子的降解, 一般要吸附到纤维素上, 并且纤维素酶的吸附力与相关水解活力没有线性关系[25], 纤维素酶在烘干温度为50 ℃条件下的活性最高, 这一结果与相关文献报道一致[26]。这可能是因为温度的提高降低了纤维素酶对于秸秆的吸附力, 也有可能是因为温度的提高破坏了细胞的结构, 使得纤维素酶释放出来, 对于纤维素酶吸附机制还有待于进一步研究。
对于真菌孢子的保存一般采用低温烘干保存法, 并且低温烘干后可以保存数月之久[27]。在烘干温度为40 ℃时孢子存活数最高, 考虑到含水量高使得孢子代谢旺盛, 更容易导致孢子死亡, 因此本实验建议在40 ℃的温度下烘干后, 低温保存, 可以减少孢子的损耗。
根据以上结果, 考虑到实际生产中的秸秆分解效率和成本, 以对秸秆降解起主要作用的纤维素酶为基准, 综合考虑木聚糖酶和淀粉酶的相对最适条件, 可选定硫色曲霉SQ-3培养的相对最适条件(即:培养时间为3 d, 培养温度为28 ℃, 初始pH为7.0; 固体发酵配方:玉米秸秆粉为25.7%, 豆粕为5.8%, 麦麸为8.5%, 1% NaNO3溶液为60%)。在此条件下培养, 纤维素酶活性为453.3 U· g-1, 淀粉酶活性为3.9× 103 U· g-1, 木聚糖酶活性为1.48× 105 U· g-1。对发酵料进行烘干时, 宜选用低温(40 ℃)烘干, 以最大限度保存3种酶的活性和孢子活性。相关结果可为秸秆的回收利用、木聚糖酶和纤维素酶工业化生产提供一定的数据。
The authors have declared that no competing interests exist.
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