重组大肠杆菌生产β-葡聚糖酶发酵工艺优化研究

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本文对利用胞外分泌型重组大肠杆菌(Escherichiacoli)JM109-pLF3发酵生产β-1,3-1,4-葡聚糖酶的培养基及发酵工艺优化进行了系统的研究。首先对菌种产酶培养基中的碳、氮源进行了优化,结果表明甘油为最佳碳源,酵母粉和硝酸钠为最佳混合氮源,且氮源对产酶影响更大。采用Plackett-Burman设计法筛选出了培养基中影响产酶的重要因素为酵母粉,确定出最佳培养基组成为:酵母粉12g·L-1、甘油6g·L-1、NaCl10g-L-1、NaNO37.21g·L-1、KH2PO42.4g·L-1、K2HPO412.5g·L-1。对摇瓶中培养条件的优化采用单因子实验法,研究了温度、培养基初始PH、转速、装液量、种龄和种量等对工程菌生长和产酶的影响,确定了最佳培养条件为:温度39℃、摇床转速150r·min-1、培养基装量20mL/250mL、培养基初始pH自然值、种子培养时间16h、接种量1%。采用优化后的培养基及培养条件,发酵30h酶活力达最大值481.41U·mL-1,为初始条件下的23.1倍,单位菌体产酶能力达到了348.14U,约为初始时的83.3倍。摇瓶中对数生长期流加被证明是非常有效的,以补加高浓度有机、无机混合氮源对产酶影响最大,且适当提高流加量促进产酶效果更明显,酶活力可达628.3U·mL-1。采用5L自动发酵罐,首先对β-葡聚糖酶间歇培养中搅拌速度和通气量进行了研究,发现二者对菌体生长和产酶都存在一定的影响,且搅拌速度400r·min-1和通气量2L·min-1的条件对酶的合成最有利。发酵罐中菌体生长情况比较复杂,出现了二次的现象,针对菌体的生长特点分别采取了对数期流加和稳定期流加两种流加策略。结果显示,稳定期流加对菌体生长及产酶都有明显的促进作用,酶活力比间歇培养提高了将近一倍。对β-葡聚糖酶粗酶液性质的研究实验表明,β-葡聚糖酶粗酶液的最适反应温度为50℃,耐热温度也为50℃。该β-葡聚糖酶的最适反应pH为6,在pH为5~7的较窄范围内较稳定,而且耐碱性相对较强。金属离子对β-葡聚糖酶活性的负面影响主要来自Fe3+和Cu2+,Zn2+和Mn2+在不同浓度条件下对β-葡聚糖酶有不同的作用,在低浓度下表现出激活作用,Ca2+、Mg2+、Fe2+和Co2+在1.0~5.0mM浓度范围内对β-葡聚糖酶均有激活作用。
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