響應面法優化寇氏隱甲藻突變株的發酵培養基

王 澍 趙樹林 張靜雯 田 華 佘 雋 陳 濤 何東平

（武漢輕工大學食品科學與工程學院1，武漢 430023）（中國科學院武漢病毒研究所2，武漢 430071）

響應面法優化寇氏隱甲藻突變株的發酵培養基

王 澍1趙樹林1張靜雯1田 華1佘 雋1陳 濤2何東平1

（武漢輕工大學食品科學與工程學院1，武漢 430023）（中國科學院武漢病毒研究所2，武漢 430071）

對寇氏隱甲藻突變株產DHA的發酵培養基進行響應面優化。首先用Plackett－Burman試驗篩選出影響顯著的3個因素，再利用最陡爬坡試驗和響應面試驗對培養基進行優化并建立二次多元回歸模型，最后用優化后的發酵培養基在50 L發酵罐上進行放大試驗。結果表明在最佳培養基葡萄糖121.41 g/L，谷氨酸鈉11.54 g/L，硫酸鎂7.25 g/L時，DHA的產量為5.65 g/L發酵液，比優化前提高了10.35%。在50 L發酵罐上發酵培養，DHA產量為9.50 g/L發酵液，為搖瓶培養時的1.68倍。

寇氏隱甲藻突變株 DHA 響應面 發酵培養基

DHA（二十二碳六烯酸）是一種ω－3系列多不飽和脂肪酸，在嬰幼兒大腦發育和視力發育中具有非常重要的生理作用，并且具有防治心血管疾病，提高人體免疫力、預防和減輕精神疾病、消炎、抗癌等功能［1］。近年來，利用微生物發酵生產DHA已成為主要研究方向，寇氏隱甲藻（Crypthecodinium cohnii）是海洋微藻的一種，可在沒有光照的條件下發酵培養，從而實現細胞的增長和油脂的積累，其脂肪酸積累量高于20%，DHA可占總脂肪酸的30%～50%，具有較高的產 DHA能力［2－4］。

目前寇氏隱甲藻發酵培養基的優化主要是研究不同的碳源、氮源、碳氮比、無機鹽、金屬離子等對其DHA產量的影響［5－8］，但生物量和DHA產量相對較低，對于工業化生產，通過發酵培養基的優化來獲取高產量的DHA是必要的。梅志剛等［9］通過對隱甲藻培養基的響應面優化，生物量和DHA分別為8.91 g/L和0.91 g/L；de Swaaf等［10］用乙醇分批補料培養隱甲藻，生物量為83 g/L，DHA產量為11.7 g/L；Ratledge等［11］利用乙酸作為碳源，分別培養幾組不同的隱甲藻，生物量可達20～30 g/L，DHA產量可超過3 g/L。

由于單因素試驗未考慮各因素間的交互作用，故無法提供未考察區域的信息，以及進行預測和控制。響應面法可同時對多因素水平及其交互作用進行優化與評價，并能快速有效地確定多因素系統的最優條件［12］。本研究選取經過2次60Co－γ射線誘變獲得的寇氏隱甲藻突變株［13］，首先用PB試驗篩選出對DHA產量有顯著影響作用的因素，然后用最陡爬坡試驗逼近最大響應區域，最后進行響應面的試驗設計與數據分析，得出最佳培養基配比［14］。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 藻種

寇氏隱甲藻株ATCC30772：廣東微生物菌種保藏中心，經過2次60Co－γ射線誘變獲得的寇氏隱甲藻突變株2.4k－2A2－5，本實驗室保存。

1.1.2 試劑

酵母膏：北京奧博星生物技術有限責任公司；纖維素酶（10～140萬 U/g）、堿性蛋白酶（20萬 U/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司。

1.2 主要儀器

GRJ－50B型發酵罐：鎮江格瑞生物工程有限公司；Agilent7890A氣相色譜儀：安捷倫科技（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 培養條件

種子培養：從長好藻種的斜面上取一定量純的藻落，接種到一級種子培養液中，置于搖床上，28℃、190 r/min條件下培養48 h。

搖瓶發酵培養：將一級種子液按10%的接種量接種到發酵培養液中，28℃、190 r/min條件下培養7 d。

1.3.2 油脂提取

將濕藻體按濕重：純凈水1∶1～1∶3的比例，制成懸浮液，加堿性蛋白酶和纖維素酶，（60±1）℃水浴溫培，同時攪拌8 h，鏡檢藻體破壁后，加入95%乙醇脫水30～60 min，靜置分層，使乙醇－水相與藻泥分層。將乙醇－水相和藻泥分別加入4號溶劑油，分裝2個分液漏斗中，靜置分層。取出上層4號溶劑油藻油相提萃液。反復浸提，至藻泥變白無油為止。把4號溶劑油提萃液經旋轉蒸發，獲得粗藻油，粗藻油經脫膠除雜等過程后獲得金黃色精藻油［15］。

1.3.3 脂肪酸處理

取0.1 g油樣，加1 mL苯－石油醚（體積比為1∶1）混合溶劑，再加1 mL 0.4 mol/L的氫氧化鉀 －甲醇溶液，搖勻，在室溫下靜置8～10 min，然后加蒸餾水使醚層升至頂部，待液層澄清后即可作色譜分析。

1.3.4 色譜條件

色譜柱：Agilent SP－2560（100 m×25μm，0.2 μm）；升溫程序：100℃保持4 min，以3℃/min升溫至230℃，保持20min，載氣（N2）流速25mL/min，壓力2.4 kPa，進樣量 1μL；分流比15∶1。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素試驗

分別考察葡萄糖、谷氨酸鈉、酵母膏、氯化鈉、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣、金屬溶液等因素對DHA產量的影響。

1.4.2 Plackett－Burman（PB）設計

應用Design Expert 8.0軟件對發酵試驗進行PB設計。在單因素試驗基礎上，從發酵營養組成中選出對DHA產量影響較大的8種成分：葡萄糖、谷氨酸鈉、酵母膏、氯化鈉、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣、金屬溶液，另加3個虛擬因子作為誤差分析，每個因素分別確定高（1）、低（－1）兩水平，共進行12次試驗。

表1 PB試驗因素與水平設計

1.4.3 最陡爬坡試驗設計（SAD）

最陡爬坡法以試驗值變化的梯度方向為爬坡方向，根據各因素效應值的大小確定變化步長，能快速、經濟地逼近最大響應區域［16］。

由PB試驗數據分析結果可知，葡萄糖、谷氨酸鈉和硫酸鎂對DHA產量有顯著影響，根據方程進行最陡爬坡設計。

1.4.4 響應面試驗（RSM）

對PB試驗確定的因素，以最陡爬坡試驗得到的中心點，使用Design Expert8.0軟件的Box－Behnken方法進行試驗設計，根據設計進行試驗，重復3次，并分析試驗獲得重要因素的最佳配方水平。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

單因素試驗結果表明當葡萄糖、谷氨酸鈉、酵母膏、氯化鈉、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣、金屬溶液、碳酸氫鈉、氯化鉀濃度分別為110.00、10、7.5、2.25、4.0、6.25、0.75 g/L、4 mL/L、0.75、0.5 g/L時，其最高 DHA產量分別為：5.29、5.30、5.17、5.19、5.21、5.28、5.21、5.19、5.10、5.12 g/L發酵液。根據結果對PB試驗進行設計。

2.2 PB試驗結果與分析

表2 Plackett－Burman設計及結果分析

Plackett－Burman試驗結果見表2，通過對試驗數據擬合得一階回歸模型如下：Y＝3.6＋7.25×10－3X1＋0.6X2－5.56×10－4X3－0.06X4－5.21×10－3X5＋0.09X6＋0.03X7－0.02X8，方差分析結果見表3。由表3可知，回歸模型在95%概率水平下顯著，即該模型擬合良好；模型的校正決定系數R2＝0.881 4，表明88.24%的試驗數據的變異性可用此模型來解釋；變異系數為1.00%，說明可信度和精密較高［17］。8個因素中葡萄糖（X1）、谷氨酸鈉（X2）、硫酸鎂（X6）在95%的概率水平上對DHA產量有顯著影響，且都是正效應，在后續最陡爬坡試驗中應提高其添加量。

表3 Plackett－Burman試驗結果及方差分析

2.3 最陡爬坡試驗結果與分析

根據Plackett－Burman試驗結果，葡萄糖、谷氨酸鈉、硫酸鎂的添加量對DHA的產量的變化有顯著的影響，對這3個因素進行最陡爬坡試驗［18］。不顯著因素中，酵母膏、氯化鈣為正效應，在后續試驗中應取高水平，氯化鈉、磷酸二氫鉀、金屬溶液為負效應，在后續試驗中應取低水平。

結果如表4所示，第2組試驗對應的DHA產量最高，達到5.48 g/L發酵液。所以，以第2組試驗所對應的葡萄糖、谷氨酸鈉、硫酸鎂的添加量為中心點進行響應面試驗設計，即葡萄糖120.00 g/L、谷氨酸鈉 11.5 g/L、硫酸鎂 7.0 g/L。

表4 最陡爬坡試驗設計及結果

2.4 響應面試驗結果與分析

表5 Box－Behnken試驗因素水平及其編碼

表6 Box－Behnken試驗設計及結果

利用Design－Expert8.0軟件對中Box－Behnken試驗數據擬合得二次多元回歸模型：對二次模型進行分析，結果如表7所示。

表7 模型回歸方程方差分析

由表7方差分析可知，模型極其顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P＞0.05），模型的校正決定系數0.828 1，說明82.81%的試驗數據的變異性可用此模型來解釋，相關系數R2＝92.48%，變異系數為0.73%，RSN（信燥比）為9.137，遠大于4，表明模型擬合度較好，試驗數據可靠，分析結果可信，因此可以用此回歸方程對試驗結果進行分析和預測［19］。

圖1 葡萄糖與谷氨酸鈉的交互作用影響DHA產量的響應面圖

圖2 葡萄糖濃度與硫酸鎂濃度的交互作用影響DHA產量的響應面圖

圖3 谷氨酸鈉與硫酸鎂的交互作用影響DHA產量的響應面圖

根據回歸方程，利用Design－Expert8.0軟件做各響應面的三維立體圖（圖1～圖3），葡萄糖、谷氨酸鈉、硫酸鎂及其交互作用對響應面的影響結果可通過該組圖中直觀反映出來［20］。采用Design－Expert軟件的Optimization模塊進行營養條件優化，預測葡萄糖、谷氨酸鈉、硫酸鎂的添加量分別為121.41、11.54、7.25 g/L時，DHA最高產量為5.67 g/L發酵液。為了驗證預測結果，在此條件下進行3組試驗，得到生物量的平均值為52.00 g/L發酵液，DHA產量的平均值為5.65 g/L發酵液，預測值與實際值相近，說明模型擬合性較好，比優化前（5.12 g/L發酵液）提高了10.35%。

2.5 50 L發酵罐試驗

在響應面法優化的營養條件下，對寇氏隱甲藻突變株進行50 L發酵罐試驗。菌種在裝有30 L發酵培養基的罐中，接種量為10%，初始pH為7，溫度為28℃，轉速為190 r/min，3 L/min通氣量的條件下培養96 h，生物量為61.00 g/L發酵液，DHA產量為9.50 g/L發酵液，為搖瓶培養時的1.68倍，說明該發酵培養基也適合50 L發酵罐的放大生產。

3 結論

借用 Design－Expert 8.0軟件能方便地應用Plackett－Burman設計和響應面分析法進行合理的試驗安排和數據分析，有效地從眾多培養基成分中篩選出重要的影響因素，并實現發酵培養基優化，得到最佳添加量，優化結果與實際值吻合較好［21］。

通過Plackett－Burman試驗發現，在寇氏隱甲藻突變株的發酵培養基中，葡萄糖，谷氨酸鈉和硫酸鎂具有重要作用，是顯著性影響因素；由最陡爬坡試驗找到接近最大相應區域的一點：葡萄糖 120 g/L，谷氨酸鈉 11.5 g/L，硫酸鎂 7.0 g/L；再對培養基進行響應面試驗優化，得到最佳培養基配方為：葡萄糖121.41 g/L，谷氨酸鈉 11.54 g/L，硫酸鎂 7.25 g/L等，預測的最大DHA產量是5.67 g/L發酵液，驗證試驗得到的生物量平均值為52.00 g/L發酵液，DHA產量平均值為5.65 g/L發酵液，與預測值相近，優化后DHA的產量比以前（5.12 g/L發酵液）提高了10.35%。將優化后的發酵培養基在50 L發酵罐上培養96 h，生物量為61.00 g/L發酵液，DHA產量為9.50 g/L發酵液，為搖瓶培養時的1.68倍，說明該發酵培養基也適合50 L發酵罐的放大生產。

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Optimization of Fermentation Medium of Crypthecodinium Cohniifor DHA Production with Response Surface Method

Wang Shu1Zhao Shulin1Zhang Jingwen1Tian Hua1She Jun1Chen Tao2He Dongping1
（Wuhan Polytechnic University1，Wuhan 430023）（Wuhan Institute of Virology，Chinese Academy of Sciences2，Wuhan 430071）

In the paper，response surface methodologies have been applied to optimize fermentation medium for DHA production byCrypthecodinium cohnii.First，the glucose，sodium glutamate，MgSO4were identified by Plackett－Burman design as themainmedium components thataffected the yield of DHA.The steepestascentmethod and Box－Behnken were used to optimize the culturemedium and to establish themultivariate regression model.Finally the optimized fermentationmedium enlarged the test in a 50 L fermenter.The results showed that the optimal fermentationmedium were 121.41 g/L glucose，11.54 g/L sodium glutamate，7.25 g/LMgSO4，etc；the experimental yield of DHA in the optimized medium was fermentation liquid of 5.67 g/L，which increased 10.35%than that of themedium before optimization.On the optimal conditions，the yield of DHA could reach a fermentation liquid of 9.50 g/L after being cultured in 50 L fermenter，which was1.68 times as high as that cultured in flask.

Crypthecodinium cohnii，DHA，response surfacemethodology，fermentation medium

Q93－335

A

1003－0174（2015）08－0079－05

十二五科技部支撐計劃（2011BAD02B00）

2014－03－17

王澍，男，1989年出生，碩士，微生物油脂

何東平，男，1957年出生，教授，糧食、油脂及植物蛋白