高通量法選育果膠酶高產菌株

馬瑋超　杜茂林　谷亞楠

摘要：用深孔微培養-酶標儀檢測替代搖瓶培養-紫外分光光度計檢測，以期建立1種高通量選育果膠酶高產菌的方法。試驗確立的最佳微培養條件為：轉速280 r/min，振幅45 mm，裝液量1.2 mL/孔。經統計軟件分析表明：2種檢測方法的檢測值、酶產值間線性回歸關系均極顯著，且數值排序大致相同，表明用深孔微培養-酶標儀檢測體系選育菌種是可行的。通過復合誘變（超聲波處理40 min，紫外照射60 s），經過高通量篩選，得到4株高產菌。經傳代培養后證明：C23-7、C23-9這2株菌遺傳穩定，酶活效價均值分別可達705.7、695.0 U/mL，分別比出發菌株（477.3 U/mL）提高了47.85%、45.61%，適合應用。

關鍵詞：果膠酶；高通量；復合誘變；超聲波；紫外誘變

中圖分類號： S182 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0513-04

果膠酶被廣泛應用于食品加工、紡織加工、造紙制漿、醫療衛生等領域[1-2]，是世界四大酶制劑之一。目前果膠酶主要采用微生物發酵法大規模生產，具有較高的市場價值和應用價值。高效生產果膠酶具有十分重要的現實意義，而提高酶的產量，離不開高產菌種的選育。目前，菌種選育的技術手段十分豐富，如原生質體雜交育種、不定向誘變、轉基因定向育種等，大大提升了育種效果，但是與其配套的高效篩選方法卻進展不大。已報道的果膠酶高產菌種選育方法，多數仍為傳統的平板篩選法[3-5]。傳統方法在初篩時，對誘變后菌液的梯度稀釋過程中，很有可能遺漏高產正突變菌株，而且人工、設備消耗較大，效率低下。建立1種可有效減少篩選遺漏、工作強度、材料消耗，提高工作效率的果膠酶高產菌選育方法，就成為亟待解決的問題。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

1.1.1 出發菌株 出發菌株為筆者所在實驗室保藏的1株可產果膠酶的黑曲霉（Asperillus.spp）及其多個突變株。

1.1.2 主要儀器 SP-Max 2300A光吸收型全波長酶標儀；VIS-7220N紫外分光光度計；ZWY-200D搖床；Matrix EXP 6道移液器；TDZ5-WS孔板離心機；YLN-V紫外誘變箱；xrc-80AD超聲波清洗器；孔板固定架；48孔矩形深孔板（4.6 mL）。

1.1.3 主要試劑 果膠粉（Sigma公司，分析純）。DNS溶液為自行配制，儲存于棕色容器避光保存1周后備用。

1.1.4 培養基 種子培養基：40 g果膠，10 g （NH）2SO4，38 g K2HPO4·3H2O，2 g KH2PO4，加蒸餾水定容到 1 000 mL，將pH值調至6。

發酵培養基：30 g蔗糖，2 g果膠，20 g（NH4）2SO4，3 g NaNO3，3.8 g K2HPO4，0.2 g KH2PO4·3H2O，0.25 g MgSO4，0.15 g Fe2（SO4）3，加蒸餾水定容到1 000 mL，將pH值調至6。

篩選平板培養基：28 g果膠，20 g （NH4）2SO4，3.8 g K2HPO4，0.2 g KH2PO4·3H2O，0.18 g CaCl2，0.25 g MgSO4，0.15 g Fe2（SO4）3，20 g瓊脂條，0.2 g溴酚藍，加蒸餾水定容到1 000 mL，將pH值調至6。

斜面培養基：PDA培養基。

1.1.5 種子液制備 挑單菌落接在PDA斜面上，于30 ℃培養7 d，用無菌生理鹽水沖洗斜面，裝入含有玻璃珠的錐形瓶中，振蕩。用血球計數板計數，調節孢子濃度為2×107個/mL，作為種子液。

1.2 培養條件和酶活效價測定方法

1.2.1 搖瓶培養及其酶活效價測定 搖瓶培養：250 mL三角瓶中裝液23 mL，接種2 mL種子液；轉速200 r/min，振幅25 mm；溫度30 ℃，培養58 h。以下如無專門說明，均與此相同。

在其他條件一定的情況下，單位酶活力與反應后顯色物濃度呈線性相關，顯色物濃度又與D值呈線性相關。因此可以直接用D值代表酶活力效價，用來反映單位酶活力。

搖瓶培養酶活力效價測定：培養結束后，取發酵液，用離心機離心，上清液即為粗酶液。

試管中加入0.9 mL含1%果膠的緩沖溶液，40 ℃水浴保溫3 min；加入0.1 mL適度稀釋的粗酶液，反應10 min；加入 3 mL 3，5-二硝基水楊酸（DNS）溶液，混勻，沸水浴3 min；冷卻，定容到15 mL。以煮沸滅活酶液作為空白對照調零。適度稀釋反應液（使D值保持在0.1～1.0之間），裝入1 cm石英皿中，用紫外分光光度計測定540 nm處D540 nm。以加煮沸滅活酶液的試管為空白對照。每次測定3個平行。相關計算公式：

搖瓶培養酶活力效價（U/mL）=D540 nm×反應液稀釋倍數×酶液稀釋倍數。

1.2.2 深孔培養及其酶活效價測定 深孔培養：在適當單孔裝液量、振幅、轉速下，培養溫度為30 ℃，培養時間為58 h。以下如無特別說明，均與此相同。

深孔培養酶活力效價測定。培養結束后，在各孔取 0.1 mL 發酵液，轉入空白深孔板對應孔中，用無菌水補足至1 mL，混勻，孔板離心機離心，孔中上清液即為粗酶液。

為方便比較起見，其他測定條件完全同本節。不同的是先在試管中進行DNS反應，適度稀釋反應液后，再將反應液移至48孔孔板對應孔中，利用酶標儀快速測定D540 nm。原因是直接利用孔板進行顯色反應，沸水浴容易使孔板受熱變形，且DNS反應液呈堿性，具有一定的腐蝕性，且稀釋樣液不方便，都會影響到測定。以加煮沸滅活酶液并經掃板檢測的深孔為空白對照。每次測定3個平行，相關公式：

孔板培養酶活力效價（U/mL）=D540 nm×反應液稀釋倍數×酶液稀釋倍數。

1.3 復合誘變條件的確認

超聲波可產生空化作用，使液體中小氣泡產生高溫高氣壓，沖擊細胞，破壞壁膜，促使胞內外物質交換，從而引發突變。在紫外線照射下，嘌呤、嘧啶會形成嘧啶二聚體，阻礙堿基配對，引發突變。2種誘變方式操作簡便，安全無毒，設備易得，突變率高，適合作為誘變因子。而復合誘變具備有效克服疲勞效應、提高突變率的優勢。因此本研究決定采用紫外線-超聲波復合誘變的方式選育高產菌種。

在平皿中分別裝入10 mL種子液，超聲波功率480 W，頻率40 Hz，分別作用10、20、30、40、50、60、70 min（每個梯度3個平行），計算各梯度致死率。

平皿中分別裝入10 mL種子液。將紫外燈功率調至 15 W，距離30 cm，電磁攪拌。分別照射15、30、45、60、75、90、105 s（每梯度3個平行）。計算各梯度致死率。致死率用平板計數法計算，3個平行，相關公式為：

致死率=（1-誘變處理后單位活菌數/未誘變處理時單位活菌數）×100%。

1.4 高通量法篩選和分離純化單菌株

按適當方法進行誘變，將誘變后菌液盡可能全部、分別接入裝有培養基的深孔板，每孔接50 μL，共得195孔。振蕩培養。

對照出發菌株深孔培養的酶活效價用酶標儀測量，得到高產孔。高產孔中混有高產單菌株的概率明顯較高，起到富集高產株的作用；并且，誘變后的菌液幾乎全部轉接至各孔，用于篩選，大大減少了遺漏可能。

將高產孔中菌液接種于斜面，培養6 d，用無菌水沖洗制成孢子懸液，適當稀釋后涂布于篩選平板。挑取菌落較大、水解圈/菌落直徑比值較高的單菌落，用滅菌牙簽分別挑入48孔板振蕩培養。用酶標儀檢測酶活力效價，將高產株轉接至斜面并編號保藏；同時，將高活力菌株轉接入搖瓶中發酵驗證酶活力效價。

2 結果與分析

2.1 深孔板培養方法的優化

2.1.1 轉速、振幅對酶產量的影響 設置轉速梯度 40 r/min，振幅梯度10 mm，深孔板裝液量1 mL/孔。在深孔中接入出發菌株種子液，按“1.2”節中的方法培養，研究轉速、振幅對酶產量的影響。由圖1可以看出：當振幅小于 35 mm 時，產物積累量隨轉速的提高增長十分有限，可能是深孔中、搖瓶中液體的力學狀況明顯不同，深孔中的液體相對搖瓶會產生明顯的表面張力，培養液所受離心力需要克服表面張力，振蕩效果較差，影響了溶氧效果[6]；當振幅達到45 mm時，轉速從240 r/min增長到280 r/min時，產物積累量有了顯著提高，可能是在振幅、轉速明顯提高后，克服了表面張力，改善了供氧條件。而在45 mm振幅下，轉速超過280 r/min后，進一步提高轉速，產物積累量沒有明顯提高，過高的轉速還容易使發酵液溢出，增加了交叉污染的可能。因此，選取深孔培養的振動條件為轉速280 r/min，振幅45 mm。

2.1.2 單孔裝液量對酶產量的影響 采用0.2 mL/孔的裝液梯度（每個梯度3個平行），轉速、振幅同“2.1.1”節中的優化結果，驗證裝液量的影響。產酶是一個需氧過程，裝液量的多少對果膠酶積累量的影響很大[7]。由圖2可見：裝液量為1.0 mL/孔時，單位效價最高；裝液量為1.2、1.4 mL/孔時有所下降，但下降不多，且相互間差別不大；裝液量繼續加大后，效價有較為明顯的下降。

裝液量過多會使菌體生長困難，單位產物積累下降，且容易造成交叉污染和空氣中的雜菌污染。而裝液量過少，會給取樣分析造成困難，且容易提高培養液揮發率，影響測定精度。深孔板振蕩培養結果表明，四周培養基澄清無生長跡象，因此設置裝液量為1.2 mL/孔。

2.2 深孔板法用于菌種選育的可行性分析

2.2.1 酶標儀替代紫外分光光度計的可行性 取14株產酶能力明顯不同的突變株，按“1.2.1”節中的方法搖瓶培養后，分別利用酶標儀檢測深孔、紫外分光光度計檢測石英皿中液體吸光度，得到2組酶活效價。

由圖3可見，2組數據排序一致。用SPSS軟件分析得到2組數據的相關性，F值=596.122，P值=0.000<0.01。

2種測定方法所得酶活效價不同，但2組數據線性回歸關系極顯著，說明用酶標儀檢測法代替紫外分光光度計檢測法是可行的。

2.2.2 深孔板培養與搖瓶培養產酶量相關性分析 由于搖瓶培養、深孔板中的菌體生存環境存在一定區別，會對菌體的生長繁殖和新陳代謝過程產生影響，進而影響產物積累。本研究旨在用深孔培養替代搖瓶培養以提高選育效率，考察同一菌株在2個不同培養環境下彼此之間產物積累量的相關性，有一定的必要性。

取14株產酶能力有明顯差異的突變株，分別接入孔板和搖瓶當中培養（做3個平行），按“1.2”節中方法測出2組酶活效價。由圖4可見：產量排序大致相同，有2株不同，原因可能是同一菌株對不同生長環境的適應能力不同。用SPSS軟件分析2組數據關系可知：F值=61.533，P值=0.000<0.01。

2種培養方法之間酶活效價線性回歸關系極顯著，說明用微孔板培養替代搖瓶發酵，用于快速挑選高產菌株是可行的。深孔產量偏低，可能是深孔供氧能力較差所致。

2.3 高通量選育

2.3.1 復合誘變條件的確認 如圖5、圖6所示，隨著超聲波時間的延長，致死率呈線性提高，30 min時達到62.3%，40 min 達到74.6%，50 min時即達到89.3%，70 min開始達到100%。隨著紫外照射時間延長，致死率同樣迅速提高，45 s 后即達55.6%，60 s時達到71.8%，75 s時達到86.5%，105 s開始達到100%。

致死率過低，會使突變率不足，不利于得到突變菌株。致死率過高，同樣不利于得到突變株[8-9]。并且，考慮到要先后進行2次誘變，2種誘變條件均不宜處理過長時間，使致死率過高。因此，選取2個誘變因子的致死率均為70%～80%的時間作為處理時間。以此確認誘變條件：超聲波處理40 min，紫外照射時間60 s。

2.3.2 復合誘變和高通量篩選結果 按“2.3.1”節中確認的誘變條件進行復合誘變，再按“1.4”節中的方法篩選高產孔，分離純化單菌株。

誘變后分接培養的195孔菌中，158孔無生長跡象，其余37孔經酶活檢測，結果見圖7?？梢钥闯觯憾嗫渍冎昝富盍Φ靡蕴岣?，其中C23孔最高，酶活效價可達254.6 U/mL。對照組（出發菌株）酶活效價：孔板186.7 U/mL?？梢姼弋a孔C23比對照（出發菌株）高36.19%。

按“1.2.2”節中方法分離純化C23孔中菌株，共得到單菌落67株，挑選出17株水解圈/菌落直徑比較大、生長比較迅速的單菌株，經搖瓶培養驗證，共得到4株高產菌株，分別為：C23-4（687.5 U/mL）、C23-7（701.3 U/mL）、C23-9（692.3 U/mL）、C23-14（698.7 U/mL）（圖8）。

2.4 高產株遺傳穩定性驗證

將斜面轉接分離純化所得4株高產菌傳代培養，每轉接1次記為1代。取不同代數菌株進行搖瓶試驗，測定酶活效價。由表1可見，C23-7、C23-9這2株菌產酶性能遺傳性比較穩定，酶活效價均值分別可達705.7、695.0 U/mL，與出發菌株的477.3 U/mL相比分別提高了47.85%、45.61%，適合作為生產用菌種；而C23-4、C23-14隨傳代培養而酶活效價下降，可能是因為傳代過程中相關性狀丟失或者發生了自然分化，不適合作為生產用菌種。

3 結論

試驗結果表明，本研究嘗試建立的采用深孔板微量培育、酶標儀快速檢測、高通量選育果膠酶高產菌的方法是可行的。與傳統選育方法相比，本方法幾乎覆蓋了誘變后等待初篩的菌，大大減少了高產株遺漏的可能性。最多可一次性利用酶標儀精確測定48個待測樣本的酶活力效價，單批次檢測量大增，顯著提高了初次篩選的效率，大大降低了材耗和能耗，節省了人工，提高了效率。

本方法是一種具備一定應用價值的果膠酶高產菌株選育方法，一些其他產酶菌株，如果所產酶可用紫外分光光度法原理測定（如產纖維素酶菌），亦可嘗試利用本方法進行菌種選育。

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