生物工程学报  2024, Vol. 40 Issue (3): 921-930
http://dx.doi.org/10.13345/j.cjb.230475
中国科学院微生物研究所、中国微生物学会主办
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文章信息

李全飞, 陈乾, 杨凯, 胡凯, 雷鹏, 谷益安, 孙良, 徐虹, 王瑞
LI Quanfei, CHEN Qian, YANG Kai, HU Kai, LEI Peng, GU Yi'an, SUN Liang, XU Hong, WANG Rui
Tween 20对强化骆驼刺泛菌NX-11合成胞外多糖的影响
Effect of Tween 20 on enhancing extracellular polysaccharide synthesis by Pantoea alhagi NX-11
生物工程学报, 2024, 40(3): 921-930
Chinese Journal of Biotechnology, 2024, 40(3): 921-930
10.13345/j.cjb.230475

文章历史

Received: June 29, 2023
Accepted: August 15, 2023
Published: August 18, 2023
Tween 20对强化骆驼刺泛菌NX-11合成胞外多糖的影响
李全飞1,2 , 陈乾1,2 , 杨凯1,2 , 胡凯1,2 , 雷鹏1,2 , 谷益安1,2 , 孙良1,2 , 徐虹1,2 , 王瑞1,2     
1. 南京工业大学食品与轻工学院, 江苏 南京 210009;
2. 材料化学工程国家重点实验室, 江苏 南京 210009
摘要:骆驼刺泛菌NX-11胞外多糖(Pantoea alhagi NX-11 exopolysaccharides, PAPS)是一种新型微生物源生物刺激素,可增强农作物对盐和干旱胁迫的抗性,且生物可降解,在农业提产增效领域具有巨大应用前景。但其高黏发酵特征体系造成的发酵过程传氧效率低下,严重制约产量提升和下游处理。本研究分析了Span 80、Span 20、Tween 80、Tween 20、甘油、橄榄油和大豆油等7种氧载体对发酵产量的影响。结果表明:添加0.5% (体积分数) Tween 20促进PAPS生产效果最佳。扩大培养中,在7.5 L生物反应器添加0.5% (体积分数) Tween 20后,PAPS产量达(16.85±0.50) g/L,比对照组提高了17.70%。此外,多糖流变学表征和多糖产品微观结构结果显示,氧载体处理组多糖的特征结构未发生改变但其黏度增加。本研究结果为进一步提高其他高分子产品的生物合成效率提供了一定的借鉴。
关键词骆驼刺泛菌    胞外多糖    Tween 20    氧载体    流变学    
Effect of Tween 20 on enhancing extracellular polysaccharide synthesis by Pantoea alhagi NX-11
LI Quanfei1,2 , CHEN Qian1,2 , YANG Kai1,2 , HU Kai1,2 , LEI Peng1,2 , GU Yi'an1,2 , SUN Liang1,2 , XU Hong1,2 , WANG Rui1,2     
1. College of Food Science and Light Industry, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, Jiangsu, China;
2. State Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering, Nanjing 210009, Jiangsu, China
Abstract: Pantoea alhagi NX-11 exopolysaccharide (PAPS) is a novel microbial biostimulant that enhances crop resistance to salt and drought stress. It is biodegradable and holds promising applications in improving agricultural yield and efficiency. However, the fermentation process of PAPS exhibits a high viscosity due to low oxygen transfer efficiency, which hinders yield improvement and downstream processing. This study aimed to investigate the effects of seven oxygen carriers (Span 80, Span 20, Tween 80, Tween 20, glycerin, olive oil, and soybean oil) on fermentation yield. The results showed that the addition of 0.5% (V/V) Tween 20 significantly enhanced the production of PAPS. Moreover, the introduction of 0.5% (V/V) Tween 20 in a 7.5 L fermenter resulted in a PAPS titer of (16.85±0.50) g/L, which was 17.70% higher than that of the control group. Furthermore, the rheological characterization and the microstructure analysis of the polysaccharide products revealed that the characteristic structure of polysaccharides remained unchanged in the oxygen carrier treated group, but their viscosity increased. These findings may facilitate enhancing the biosynthesis efficiency of other polymer products.
Keywords: Pantoea alhagi    extracellular polysaccharide    Tween 20    oxygen carrier    rheology    

骆驼刺泛菌NX-11胞外多糖(Pantoea alhagi NX-11 exopolysaccharides, PAPS)是由骆驼刺泛菌NX-11发酵产生的一种胞外杂多糖,因其具有保水、抗旱和耐盐等良好性质在农业生产领域具有巨大应用前景[1],PAPS分子结构较为复杂,主要由葡萄糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、氨基葡萄糖和甘露糖等组成[2]。有研究表明PAPS可以促进植物生长和增强作物抗性[3],此外,Pantoea属的许多物种被认为是植物生长促进细菌,它们可以促进生物膜的形成以进行定殖,增加土壤水稳定聚集体,一些Pantoea属细菌还可以增加植物中信号分子的积累,从而促进作物生长并增强作物的抗性[4]。本研究团队前期从滩涂海水稻根际筛选到1株高产胞外多糖的内生细菌骆驼刺泛菌NX-11[2],并发现在骆驼刺泛菌NX-11发酵过程中发酵液黏稠溶氧水平较低,菌体生长和PAPS产量受到明显的影响。

PAPS属于生物高分子物质,发酵后期因产量增加和分子量高导致发酵体系黏度显著增加,进而严重阻碍氧气传递效率。氧传递速率是好氧生物发酵工业中一个重要因素[5],直接影响菌体生长代谢和产物合成,尤其在发酵的中后期,反应器中发酵液的高黏特性使得气-液两相间的混合和传质受阻[6],严重影响了多糖的产量,进而制约了下游农业低成本应用。传统提高发酵液中溶氧水平的方法有提高搅拌转速和增大通气量等[7],但这会造成剪切应力过大,容易造成多糖分子量和发酵液黏度降低,而且增大搅拌转速和提高通气量也会增加运行费用和设备成本[8]。此外,PAPS发酵后期因体系黏度增加,搅拌桨周围剪切力较大,但反应器边缘位置呈现凝固状态,造成合成的多糖产品质量不均一。因此,攻克生物高分子高黏发酵过程溶氧强化问题具有重要意义。添加氧载体是促进胞外多糖分泌的新策略[9],在发酵过程中添加氧载体能提高细胞膜的通透性[10],降低发酵体系中物质进出细胞的传递阻力,从而提高目标代谢物的浓度[11],并且由于其具有价格低廉、可以容易地从发酵混合物中分离等诸多优点,许多氧载体已被用来提高代谢物的生产效率[12]。Wu等[13]在菌株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) CGMCC0833发酵产γ-聚谷氨酸(γ-polyglutamic acid, γ-PGA)的培养体系中加入Tween 80和二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO),使γ-PGA的产量达到了34.4 g/L,比对照的产量提高了28.8%。Liu等[14]发现添加1 g/L的Triton X-100可以促进纳豆芽孢杆菌发酵生产维生素K2,使其产量提高至37.96 mg/L,比对照提高了143.18%。为了探讨不同种类的氧载体对骆驼刺泛菌NX-11生产PAPS的影响,本研究通过对7种不同氧载体进行研究,并对其浓度进行优化,从微观结构和流变学特征等方面探讨氧载体对PAPS的影响,预期结果将为PAPS的高效生产提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料 1.1.1 菌种

生产菌株为骆驼刺泛菌NX-11,保藏号为CGMCC NO.15525。骆驼刺泛菌NX-11为革兰氏阴性菌,细胞呈直杆状,产黄色色素,菌株在LB固体培养基(37 ℃培养12 h后)上呈鲜黄色菌落,且菌落细小、表面光滑;在活化用固体培养基上呈水滴状菌落,菌落黏稠,挑取有拉丝,具有较强的胞外多糖分泌能力[15]

1.1.2 培养基和主要试剂

蔗糖购自郑州德旺化工实业有限公司;蛋白胨购自北京奥博星生物技术有限责任公司;酵母粉购自北京奥博星生物技术有限责任公司;琼脂粉购自天津市博迪化工股份有限公司;Tween 20购自湖南汇百益新材料有限公司;Tween 80购自南通新宝源化工有限公司;大豆油购自益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司。

活化培养基(g/L):蔗糖20,酵母粉3,蛋白胨10,氯化钠5,琼脂20。种子培养基(g/L):氯化钠10,酵母粉5,蛋白胨10。发酵培养基(g/L):蔗糖60,蛋白胨10,氯化钠5,磷酸氢二钾1,pH 7。

1.2 方法 1.2.1 摇瓶发酵

从甘油管中吸取100 µL菌液,置于已凝固的活化培养基上,用涂布棒涂布,使菌液分散均匀,置于培养箱中37 ℃培养24 h后,通过接种环挑取直径和黏度较大的菌落,划线至LB培养基上。然后将LB培养基上的菌苔接种于种子培养基(300 mL摇瓶装液量为100 mL),37 ℃、200 r/min摇床培养12 h。将种子液按5%接种量转接发酵液(500 mL摇瓶装液量为200 mL),30 ℃、200 r/min摇床培养24 h[16]

1.2.2 胞外多糖的提取

将骆驼刺泛菌NX-11的发酵液用3倍体积超纯水稀释,与硅藻土混合并通过真空过滤进行过滤,除去菌体后将滤液浓缩至初始体积的1/5。浓缩后的上清液用Sevage试剂(正丁醇: 氯仿= 1:4,体积比)脱蛋白3次。随后加入3倍体积的95%乙醇,在4 ℃过夜沉淀即得粗多糖。

1.2.3 胞外多糖产量测定

PAPS是由骆驼刺泛菌NX-11分泌的一种超高分子量杂多糖,发酵条件下分子量可达1 000 kDa以上,是发酵液中分子量最高的产物,因此可通过GPC色谱柱与发酵液中的其他物质区别,从而对其进行定量分析,但由于糖类物质在紫外下吸收较弱,故一般液相检测时采用示差检测器。液相检测条件如下,色谱柱:OHpak SB-806M HQ×2,检测器:示差检测器(检测池温度55 ℃),流动相:2 mmol/L乙酸铵溶液(乙酸调节pH至4.0−4.5)流速:1 mL/min,柱温:55 ℃,保留时间:40 min。

1.2.4 氧载体的筛选及优化

将Span 80、Span 20、Tween 80、Tween 80、Tween 20、甘油、橄榄油和大豆油以添加浓度为0.2% (体积分数)分别添加至发酵培养基中,灭菌后再接种培养,待发酵24 h后检测菌体生物量以及胞外多糖产量。随后,选择一种能显著提高PAPS产率的氧载体进行浓度优化。因此,在发酵培养基中添加浓度为0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.1%和1.5%[11](体积分数)的Tween 20。以不添加氧载体的发酵过程为对照组,每个摇瓶发酵实验重复3次。

1.2.5 最佳添加时间

考察Tween 20最适添加时间时,分别在发酵进行了0、2、4、6、8、10、12 h和14 h后加入0.5% (体积分数) Tween 20,而后在发酵进行了24 h后检测生物量以及PAPS产量。以不添加氧载体的发酵过程为对照组,每个摇瓶发酵实验重复3次。

1.2.6 放大培养

在7.5 L发酵罐中,添加4 L发酵培养基分批发酵骆驼刺泛菌NX-11。搅拌速度500 r/min,通气量1 vvm。培养温度30 ℃,种子培养以10% (体积分数)接种,每隔2 h取次样,并以不添加氧载体的发酵过程为对照组。

1.2.7 胞外多糖的微观结构分析

扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)用于观察胞外多糖微观结构。将干燥的样品固定在样品架上,并用金粉溅射。在3 kV下,通过S4800SEM (Hitachi)观察微观结构。

1.2.8 胞外多糖的紫外与红外分析

用紫外分光光度计(UV-2550)测定10 g/L样品在200−400 nm范围内的紫外光谱。

利用傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)对有机官能团进行评价。将2 mg的样品粉末与200 mg的KBr粉混合,压制成透明材料,在500−4 000 cm−1频率范围内进行红外光谱分析。

1.2.9 胞外多糖流变特性

多糖的流变测试是在具有平行板几何形状的应力/应变控制的DHR-3流变仪上进行的。将1 mL多糖溶液带到测试台上,并在25 ℃下用40 mm平行板夹具将间隙设置为1 mm,剪切黏度测量以0.1 s−1增加到100 s−1的剪切速率进行。

2 结果与分析 2.1 氧载体的筛选结果

为了有效改善发酵体系中的溶氧水平,在发酵初始阶段添加了0.2% (体积分数)不同的氧载体,并以不添加氧载体为对照,发酵24 h后检测其生物量和PAPS产量。7种氧载体(Span 80、Span 20、Tween 80、Tween 20、甘油、橄榄油和大豆油)对发酵结果的影响如图 1A所示,结果表明:添加Tween 20的效果最佳,胞外多糖的产量达到11.67 g/L,与对照组相比产量提高了16.7% (10.00 g/L)。然后进一步确定Tween 20最佳添加浓度,结果表明(图 1B):Tween 20的添加量在0.1%−0.5%时,胞外多糖的产量和生物量随添加量的增加而增加,但当添加量高于0.5%后,Tween 20会抑制其生物量和PAPS产量,所以,添加0.5% Tween 20效果最佳。胞外多糖的产量达到了12.41 g/L,不使用氧载体胞外多糖产量为10.21 g/L,提高了17.7%。

图 1 氧载体的筛选 Fig. 1 Screening of oxygen carriers. A:不同类型氧载体对生物量及PAPS产量的影响. B:发酵培养基中Tween 20浓度(体积分数)优化 A: Effects of different types of oxygen carriers on biomass and PAPS yield. B: Optimization of Tween 20 concentration (V/V) in fermentation medium.
2.2 氧载体的最佳添加时间

进一步研究了Tween 20的最佳添加时间。在摇瓶发酵中,在不同时间(0、2、4、6、8、10、12 h和14 h)加入0.5% (体积分数) Tween 20,发酵24 h后检测生物量及PAPS产量。结果如图 2所示:在发酵的起始阶段(0 h)添加Tween 20效果最佳,PAPS的产量达到9.93 g/L。在亚氧乙酸杆菌(Acetobacter suboxydans)发酵产山梨糖、红法夫酵母(Phaffia rhod-ozyma)产类胡萝卜素[17]及酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)产S-腺苷蛋氨酸[18]的研究中,观察到类似的实验结果。该现象可能的原因是发酵初期氧载体的加入促进了骆驼刺泛菌NX-11的生长,增加了发酵初期的生产强度。但在菌株生长后期加入氧载体,在一定程度上导致细菌过早死亡[17]

图 2 不同时间添加0.5% (体积分数) Tween 20 24 h后的生物量和PAPS产量 Fig. 2 Biomass and PAPS yield after adding 0.5% (V/V) Tween 20 at different times for 24 h.
2.3 7.5 L发酵罐中Tween 20对胞外多糖生产的影响

在7.5 L发酵罐中进行骆驼刺泛菌NX-11连续发酵,在发酵初始添加0.5% (体积分数)的Tween 20,以不添加氧载体作为对照组。如图 3A所示:骆驼刺泛菌NX-11生物量在16−18 h达到最大值,胞外多糖产量在20 h达到最大值为16.85 g/L,相比于对照组13.99 g/L提高了17.0%。由图 3B可知,添加0.5% (体积分数)的Tween 20以后,在PAPS合成阶段发酵液中的溶氧水平从5%提高到17%左右,说明添加Tween 20对发酵液中溶氧不足的现象有很大的缓解作用。氧载体的添加提高了发酵液中的溶氧水平,促进细胞呼吸作用的增强,导致胞内ATP水平的提高,ATP水平的提高,不仅为细胞生产提供了能量,而且有利于胞外多糖的合成[19]

图 3 Tween 20对骆驼刺泛菌NX-11扩大培养的影响 Fig. 3 Effect of Tween 20 on expanded culture of Pantoea alhagi NX-11. A:7.5 L发酵罐中添加Tween 20对生物量及PAPS产量的影响. B:7.5 L发酵罐中添加Tween 20对溶氧的影响 A: Effects of Tween 20 addition on biomass and PAPS yield in 7.5 L fermenter. B: Effect of addition of Tween 20 on dissolved oxygen concentration in 7.5 L fermenter.
2.4 胞外多糖的微观形貌分析

从发酵液中提取并经冷冻干燥处理后得到纯净的PAPS,经Tween 20处理得到的多糖命名为T20,未经Tween 20处理得到的多糖命名为CK。其显微结构如图 4所示,T20 (图 4A)和CK (图 4B)呈片状、枯叶状,与线性或颗粒状胞外多糖不同,T20和CK的表面闭合表明多糖之间有很强的分子间相互作用[20],此外,T20表面较为光滑,而CK表面相对粗糙。

图 4 T20 (A)和CK (B)的扫描电镜图像(放大1 000倍,比例尺40 µm) Fig. 4 Scanning electron microscopy images (magnification 1 000×, scale bar 40 µm) of T20 (A) and CK (B).
2.5 胞外多糖的紫外与红外分析

根据Sun等[16]先前的研究,纯净的骆驼刺泛菌多糖结构中没有蛋白质和核酸,含有O−H、C−H、COO−、C−OC、C−O−H和C−O等特征基团。本实验中紫外光谱显示T20和CK在260 nm和280 nm处均无吸收峰,说明T20和CK中没有蛋白质和核酸(图 5A)。FT-IR光谱已被证明是鉴定官能团的最重要的分析方法,它可以根据特征吸收峰推断多糖组分中一些可能的特征结构。T20和CK的FT-IR光谱如图 5B所示,在约3 420 cm−1处的典型峰为O−H伸缩振动,2 930 cm−1左右的峰值代表糖亚甲基的C−H伸缩振动,在1 623 cm−1和1 403 cm−1处的强吸收峰归属于COO−和C−H结合振动,表明糖醛酸存在于PAPS中。1 160− 1 020 cm−1区域的吸收峰是由C−O−C和C−O−H的伸缩振动引起的[21],具体来说,在1 155 cm−1和1 036 cm−1处的2个拉伸峰表明碳氧键的存在[22]。此外,1 077 cm−1附近的吸收峰也代表了糖基残基中存在吡喃糖[23]。890 cm−1的信号表明存在β型糖苷键,827 cm−1为α型糖苷键,表明单糖以α-糖苷键和β-糖苷键连接[24]。此外,在1 250 cm−1和850 cm−1处均无吸收峰,说明T20和CK结构中没有硫酸盐基团[25]。紫外光谱和FT-IR光谱结果表明,氧载体Tween 20的加入,并未改变PAPS的特征结构。

图 5 T20和CK的UV光谱(A)与T20和CK的FT-IR光谱(B) Fig. 5 UV (A) and FT-IR spectra (B) of T20 and CK.
2.6 胞外多糖流变特性

流变学是研究物体的流动和变形,特别是固体和流体之间过渡期间的行为。具有独特流变学和凝胶特性的材料示例是黄原胶和结冷胶,它们广泛用于食品工业。近年来,许多研究都集中在研究从各种天然植物中提取的多糖。如图 6所示:PAPS流变特性是黏度随着剪切速率的增加而降低,在相同的剪切速率下,黏度随浓度的增加而增加。这表明多糖表现出剪切稀化行为[26],这是由其分子组分的取向引起的[27]。当剪切速率增加时,分子链之间的纠缠被破坏,导致分子链的取向变得更加随机。结果使相邻链之间的相互作用减少,因此黏度降低[26]。在相同的剪切速率下,相同浓度(5 g/L)下的多糖比较表明,T20的黏度高于CK。这可能是由于2个样品的分子量不同,另一个原因可能是T20具有较高的碳水化合物含量。也有研究表明,Mw较低的多糖具有较少的分子相互作用次数,这导致黏度降低[28]

图 6 T20和CK的流变学特性 Fig. 6 Rheological properties of T20 and CK. A:TA流变仪. B−C:不同浓度下两种类型的PAPS水溶液的黏度-剪切速率曲线. D:5 g/L浓度下两种类型的PAPS水溶液的黏度-剪切速率曲线 A: TA rheometer. B−C: Viscosity-shear rate curves of two types of aqueous PAPS solutions at different concentrations. D: Viscosity-shear rate curves for two types of PAPS aqueous solutions at 5 g/L concentration.
3 结论

本实验以课题组前期从滩涂海水稻根际筛选到的1株高产胞外多糖的内生细菌骆驼刺泛菌NX-11为研究对象,考察7种不同种类的氧载体对菌株发酵生产PAPS的产量、菌体生长、多糖微观结构和流变学的影响。结果表明:在骆驼刺泛菌NX-11产胞外多糖的过程中,大部分氧载体的添加对胞外多糖的生成有促进作用,其中,在发酵初期添加0.5% (体积分数) Tween 20的效果最佳。在7.5 L发酵罐中连续发酵时,添加0.5% Tween 20后研究表明,胞外多糖产量在20 h达到最大值为16.85 g/L,相比于对照组13.99 g/L提高了17.0%。其微观结构和流变学特征表明了添加Tween 20发酵产生的多糖的结构更加光滑且对其的特征结构无影响,相同浓度下PAPS的黏度高于对照组。总之,在发酵体系中添加适当的氧载体能够改善氧供应,促进好氧菌的细胞生长以及产物积累。尤其对于高黏发酵体系中,发酵后期因产量增加和分子量高导致发酵体系黏度显著增加,进而严重阻碍氧气传递效率。氧载体的加入不仅能够改善溶氧,且对发酵产物的结构无不良影响。该研究为相关高分子产物的高效生产提供了理论依据,对高耗氧发酵体系的构建具有重要意义。

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