黑曲霉液態發酵制備沒食子酸的工藝研究

熊進　何順榮　吳鑫穎　邱樹毅　簡輝　馬威

摘要：采用高效液相色譜測定黑曲霉B0201制備的沒食子酸，對底物添加方式、底物濃度、轉化方式及轉化條件等因素進行研究。最終確定較佳工藝條件為：用五倍子直接作為產酶的誘導物及轉化底物，底物分4次添加，每次間隔12h，最終總濃度達6%，轉化過程中攪拌速度優化為200r/min，溫度為35℃，沒食子酸濃度可達到39.78mg/mL，轉化率達最大值73.05%。在對菌絲重復轉化試驗過程中補加營養物質及調節pH值均能提高轉化產物濃度。

關鍵詞：黑曲霉；液態發酵；五倍子；生物轉化；沒食子酸；工藝優化

中圖分類號：TQ920.1 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2015）05-0250-04

沒食子酸（gallicacid，GA）又名五倍子酸，為白色或淡黃色針狀結晶，化學性質活潑，能形成多種酯類、酰鹵和酰胺，可以通過氧化耦合反應制得鞣花酸、脫氫二鞣花酸等聯苯型化合物，是一種重要的精細化學品，廣泛應用于礦產、化工、農業、食品、制藥等行業。目前，沒食子酸的制備方法可分為化學法與生物法，工業上沒食子酸主要是由化學法經酸或堿水解五倍子制得，其工藝存在對環境污染嚴重、副反應多、雜質含量較高等問題。而生物法因具有反應條件相對溫和、對設備要求低、副產物較少、對環境友好以及岳續提純工藝較為簡單等諸多優點，近年來受到國內外相關學者的廣泛關注。五倍子富含單寧酸，研究表明單寧酸誘導黑曲霉液態發酵產胞內單寧酶，單寧酶可高效、專一、定向裂解單寧酸分子，生成沒食子酸；故直接將五倍子投入發酵系統中，利用菌體內的單寧酶將之轉化為沒食子酸。當轉化趨于平衡后，分離菌絲體并洗滌，可反復轉化五倍子制備沒食子酸。此過程不需要將酶從菌體中分離，將酶的生成與五倍子單寧酸轉化沒食子酸的過程相耦合，簡化了沒食子酸的生物轉化過程。與酶法轉化相比，此方法轉化底物濃度有很大倍數的提高，產物濃度也有很大提高。同時，分光光度法與高效液相色譜法相比，測定沒食子酸是前者由于單寧酸和沒食子酸結構相近，最大吸收峰波長也較近產生累加效應，因此產生的干擾比較大，實際測量值會偏大。本試驗通過對底物添加方式、底物濃度、轉化方式及轉化條件等因素進行研究，以提高沒食子酸相對于五倍子中單寧酸的轉化率，為生物法制備沒食子酸的工業化應用奠定基礎。

1.材料與方法

1.1試驗材料與儀器

1.1.1菌株黑曲霉B0201（Aspergillusniger），由筆者所在實驗室保藏。

1.1.2培養基斜面培養基：察氏培養基；液態基礎培養基：蔗糖2.0g，NaNO30.2g，K2HPO4·3H2O0.1g，KCl0.05g，MgSO4·7H2O0.05g，FeSO4·7H2O0.001g，溶于100mL蒸餾水中，pH值自然。

1.1.3主要試劑五倍子，購于貴州省遵義市余慶縣；單寧酸C76H52O46，分析純，購于天津福晨化學試劑廠；沒食子酸C7H6O5·H2O，分析純，購于貴州迪大生物有限公司，其他化學試劑均為國產分析純。

1.1.4主要試驗儀器722S分光光度計（上海精密科學儀器有限公司）；FA-1004電子天平（上海良平儀器儀表有限公司）；MJ-160B-II霉菌培養箱（上海躍進醫療器械廠）；Anke TDL-5離心機（上海安亭科學儀器廠）；XMTD-204雙功能蒸汽振蕩器（金壇市文華儀器制造有限公司）；島津LC-10AVP高效液相色譜儀（島津有限公司）。

1.2試驗方法

1.2.1產酶

1.2.1.1菌種的活化將保存的黑曲霉B0201轉接到察氏斜面培養基后，放入霉菌培養箱中，于30℃條件下培養3～4d后，保存備用。

1.2.1.2種子懸浮液的制備斜面試管加入10mL生理鹽水，洗脫并充分振蕩、稀釋后獲得10⁸個/mL左右的孢子懸浮液。

1.2.1.3黑曲霉B0201發酵產酶在滅菌的液態基礎培養基中添加4%的五倍子，接種量2%，裝液量100mL/250mL，搖勻后用紗布封口置于140r/min、30℃的搖床中培養72h，完成發酵產酶過程。

1.2.2沒食子酸的制備

在產酶系統中直接添加底物轉化五倍子單寧酸制備沒食子酸。

1.2.3單寧酸轉化率的測定

1.2.3.1沒食子酸相對于單寧酸的轉化率計算

1.2.3.2

單寧酸的測定

參考國家標準GB/T15686-1995，用紫外分光光度法測定單寧酸含量。（1）單寧酸標準曲線的繪制。配制不同濃度的標準溶液，再加入2.0mL磷鉬鎢酸試液和10.0mL飽和碳酸鈉溶液，定容到50mL，靜置30min后于4000r/min離心5min，720nm下光譜掃描。以吸收峰值D為縱坐標，樣品濃度C（mg/mL）為橫坐標，繪制標準曲線，得回歸方程為：D=1.325C+0.113，r=0.9990。（2）五倍子中單寧酸含量的測定。取10.0g五倍子于三角瓶中，按1：12的比例加入蒸餾水，于140r/min、40℃下振蕩浸提，每隔12h，取少量浸提液，過濾后按照單寧酸的測定方法測定其含量，最后計算五倍子中單寧酸總的浸出量。

1.2.3.3沒食子酸的測定

（1）液相色譜條件。色譜柱為Waters Symnletryc18（5μm，4.6mm×150mm）；流動相：A相甲醇（85%），B相0.5%乙酸溶液（15%）；檢測波長：273nm；柱溫：40℃；流速：0.8mL/min。（2）沒食子酸標準曲線的繪制。配制不同濃度的標準溶液，在上述液相色譜條件下，各進樣20μL，平行測定5次。以峰面積A為縱坐標，樣品濃度c（μg/mL）為橫坐標，繪制標準曲線，得回歸方程為：A=65453.13C-163771.09，r=0.9998。說明沒食子酸在0.0506～O.406μ/mL范圍內有良好的線性關系。（3）樣品中沒食子酸含量的測定。取1mL樣品濾液，稀釋到適當倍數，在上述液相色譜條件下進樣20μL，平行測定5次，根據回歸方程計算沒食子酸的平均含量。endprint

2.結果與分析

2.1單寧酸浸提率與浸提時間的關系

按照五倍子中單寧酸含量的測定方法，所得到單寧酸的浸提率（浸提液中單寧酸的生成量與五倍子的添加量的比值）與浸提時間的關系見圖l。由圖1看出，隨著浸提時間的不斷延長，單寧酸不斷從五倍子中浸提出來，浸提時間72h時，浸提率達到55%，之后浸提率達到平穩。這說明單寧酸隨浸提時間的延長，不斷從五倍子中浸提出來，最終達到穩定值55%左右。單寧酸的浸提曲線可以反映實際可利用的單寧酸量，故可為單寧酸轉化率的計算提供依據。

2.2不同轉化方式對轉化率的影響

轉化方式分2種：（1）將產酶菌絲分離，并用蒸餾水反復洗滌后，轉入100mL含4%五倍子的溶液中，140r/min、30℃條件下轉化，一定時間后測定轉化液中沒食子酸含量。（2）直接在發酵產酶系統中補加4%的五倍子，140r/min、30℃條件下繼續轉化，測定轉化液中沒食子酸的含量。按不同的轉化方式，在120h和170h時沒食子酸含量見表1。從表1可以看出，用相同量的誘導物和轉化底物，轉化120h和170h時菌絲球轉化產物總質量分別為3.5537、3.2943g，而直接轉化產物總質量分別為3.6598、3.3888g。2種轉化方式所得到的沒食子酸總質量差別不大。故從節省操作工序的角度考慮，選擇直接添加五倍子粉轉化的方式。

2.3不同的誘導物、底物形式對轉化率的影響

分別在液態基礎培養基加入4%五倍子和2%單寧酸（相當于4%的五倍子中單寧酸量），培菌產酶結束后，再分別在相應的培養基中添加4%五倍子和2%單寧酸作為底物，于140r/min、30℃條件下轉化，然后每隔8h測定轉化液中沒食子酸的含量，結果見圖2。由圖2看出，利用五倍子作為誘導物和底物時，轉化到120h時趨于平衡，轉化率可以達到73%以上；而利用單寧酸作為誘導物和底物時，剛開始得率相對較高，轉化到90h時，轉化趨于平衡，轉化率為63.5%，平衡時用五倍子轉化轉化率明顯偏高。這可能是由于用單寧酸轉化時底物與酶結合空間阻礙小，轉化速度快，其先達到底物飽和濃度，過量的單寧酸又會抑制產物的生成；而用五倍子作為底物時單寧酸是緩慢浸提出來的，前期轉化速度慢，且低濃度的底物不會產生抑制效應，一定時間后才會達到飽和濃度，同時也能減少單寧酸制備過程。故選用五倍子作為誘導物和底物。

2.4底物添加方式對轉化率的影響

培菌產酶結束后，采用分批補料方式，在上述相同的轉化條件下轉化，在轉化過程中每隔12h添加2.0%的五倍子，與在相同的轉化時間內一次性補料添加相同量的五倍子對照，2種底物的添加方式對沒食子酸生產的影響情況見圖3。在分批添加底物的過程中，pH值的變化情況見圖4。由圖3和圖4可以看出，對于相同的轉化時間分批補料有利于提高沒食子酸的產量，隨著轉化時間延長，沒食子酸濃度增大，最高達43.85mg/mL；但轉化率先增大后降低，濃度最大時轉化率只有56.95%，且pH值不斷降低，最后都趨于穩定。這可能是因為分批補料有利于底物的持續供給，有利于轉化，且pH值的下降可能對酶活起抑制作用，不利于轉化。故分批補料對轉化起積極作用；需在轉化過程中加強調節pH值，以利于酶的穩定及作用的發揮。

2.5底物分批添加累積濃度對轉化率的影響

培菌產酶結束后，按每隔12h分別添加1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的五倍子底物，共添加4次，考察五倍子累積添加量分別為4.0%、6.0%、8.0%、10.0%時對沒食子酸產量的影響，不同底物濃度對產物濃度及轉化率的影響見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出，隨著底物濃度增大，沒食子酸濃度從32.29mg/mL增加到41.46mg/mL；轉化率從75.64%降低到58.56%。底物濃度累積量為4%和6%時，兩者轉化率相差不大，但后者沒食子酸濃度較前者高出很多，最大濃度為39.78mg/mL時，轉化率為73.05%。故選擇最佳終濃度為6%，添加4次，每次1.5%，濃度為39.78mg/mL時，轉化率為73.05%。

2.6轉化條件對轉化率的影響

培菌產酶結束后，在分批補料的條件下，轉化過程中采用不同的轉速140、160、180、200、220r/min，對沒食子酸的影響見圖7；采用不同的轉化溫度25、30、35、40、45℃，對沒食子酸產量的影響見圖8。由圖7可知，隨著轉速提高，轉化率先增加后降低，當達到200r/min時轉化率達到最大值。主要原因可能是轉速直接影響發酵環境均勻性，轉速太小，原料沉降與菌體分離，酶與底物結合空間受阻礙不利于轉化；轉速過大，對菌絲的剪切力較大，損傷菌絲，不利于菌絲的穩定生長及產酶。故200r/min是最佳的轉化轉速。由圖8可知，溫度對轉化率的影響不顯著，在30～40℃均有較高的轉化率。溫度對轉化率的影響主要體現在2個方面：其一可能是溫度升高時有利于單寧酸的提取溶出；其二酶是具有生物活性的大分子，在酶的最適作用的溫度范圍內，較高溫度有利于提高酶反應速度。故選用35℃作為轉化溫度。

2.7菌絲轉化次數對轉化率的影響

培菌產酶結束后，按上述優化條件進行第一次轉化結束后，即最后一次投料后繼續轉化12h，將菌絲球分離洗滌，重新按上述方法添加五倍子粉重復4次轉化試驗；并直接將菌絲轉移到含有50%劑量的察氏培養基中添加五倍子粉進行轉化或用稀氨水調節pH值，使之維持在4.5左右的方式來考察對轉化率的影響，其轉化情況見表2。由表2可以看出，隨著轉化次數的增加，相同的底物所得到的沒食子酸的濃度越來越低。這可能是由于洗滌過程中導致酶的損失，使酶量減少，導致轉化率不斷下降。同時可以看出，添加少量的營養物質和調節pH值條件下沒食子酸的濃度都比對照高。這可能是因為轉化過程中更換發酵培養基，菌體環境變化，補充營養物質有利于維持菌體活性，保證酶活；隨著沒食子酸的不斷積累pH值下降，添加氨水保證了酶作用的pH值，提高了酶活，同時也為菌體補充氮源，從而提高了轉化率，且效果比單純添加營養物質的好。故在對菌絲重復轉化試驗過程中補加營養物質及調節pH值使轉化產物濃度均有所提高。

3.結論

目前，有關生物法制備沒食子酸的報道，國內外都取得了一定的進展。楊亞力等以五倍子為底物用黑曲霉進行轉化試驗，其發酵液中沒食子酸累積濃度達到25.6mg/mL，以五倍子中提取物單寧酸來計算沒食子酸相對轉化率為51.1%；Beena等報道了以單寧酸作為誘導物，利用菌株（AspergillusawamonBTMFW032）進行深層液態發酵，通過發酵84h，沒食子酸的濃度可以達到372.6μg/mL；Seth等以單寧酸作為底物，利用Aspergillusawamoni，持續發酵60h，沒食子酸的濃度可以達到19g/L，發酵作用100h左右，所積累的沒食子酸濃度達到最大，為40.3g/L。

本試驗利用黑曲霉B0201菌株產單寧酶，研究在不同條件下轉化五倍子制備沒食子酸，最終確定液態發酵產酶轉化沒食子酸的工藝條件為：采用不分離菌體直接轉化方式，將五倍子作為產酶的誘導物及轉化底物，采用分批補料方式，分4次添加，每次間隔12h，底物累積濃度6%，轉化過程攪拌速度為200r/rain，轉化溫度為35℃，該試驗在轉化液中沒食子酸濃度達到39.78mg/mL時，沒食子酸相對于單寧酸的得率達到最高（73.05%），與以上報道的相比，在現有的報道中最高。但菌絲連續多次轉化后轉化能力下降，添加少量營養物質和調節pH值對菌絲球重復轉化起積極作用，調節pH值的積極轉化效果比添加少量營養物質的轉化效果明顯。endprint