脂肽类生物表面活性剂生产的研究_李媛
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养基进行了优化 , 得到了 最佳产脂肽表面活性剂的 发酵培养基配方 , 使得脂肽的产量提高到了 4.52g/L, 已超过目前的国内外研究的最好水平 [ 22] 。 曹小红 [ 25] 采用响应面法对 BacillusnattoTK-1产脂肽的发酵 培养基进行了优化 , 使得 发酵液的溶血圈直径较初 始培养基提高了 29.3%, 脂肽的产量提高了约 30%。
2.MedicalCollege, QingdaoUniversity, Qingdao266071, China)
Abstract:Cycliclipopeptideisakindofbiosurfactantsynthesized bymicroorganisms, whichiscomposedwith hydrophilicpeptide chain and hydrophobic fatty acid moieties. In addition to the classicalapplication as surfactant, they also have antibacterial, antifungal, antiviraland antitumoractivitybecause theyhave unique chemicalform and bola-amphiphle structure, which show wide application perspective. Thispapermainly reviewedthestrain, fermentationandproduction, andapplicationofthecycliclipopeptide. Keywords:lipopeptide;strain;fermentation;applicationperspective 中图分类号 :TS202.23 文献标识码 :A 文 章 编 号 :1002-0306(2008)011-0296-04
2 脂肽类生物表面活性剂的制备与生产
2.1 脂肽类表面活性剂生产菌株的诱变与选育
自发现枯草芽孢杆菌 (Bacillussubtilis)能够产生 表面活性素以来 , 脂肽类表面活性剂产生菌的筛选主 要集中在枯草芽孢杆菌的不 同菌株之间 [3, 12] 。 近年 来 , 大量的研究表明 , 除枯草芽孢杆菌外 , 短小芽孢杆 菌 (B.pumilus)及地衣芽孢杆菌 (B.lichemiformis)也能 产生脂肽类表面活性剂 。 因而如何快速有效地筛选 和分离生物表面活性剂产生菌 , 是人们研究最多的 课题之一 , 目前已有很多 关于筛选生物表面活性剂 生产菌株的报道 [13～ 18] 。 筛选脂肽类生物表面活性剂 生产菌株的方法很多 , 通 过对不同的筛选方法进行
许多研究表明 , 微生物的生长和有用 代谢产物 的发酵积累除了受到培养基的组分 , 如碳源 、氮源 、 生长因子和无机盐等多种因素的影响外 , 还受到包 括 pH、温度 、装液量等操作条件的制约 [ 26] 。 因此 , 生 物表面活性剂的生产除依赖于高产菌株 外 , 还需要 适宜的培养基和培养条件 。 为了提高发酵液中脂肽 的产量 , 许多工作者对其发酵条件进行了优化 , 并且 取得了很好的效果 。 R.Sen[ 27] 等采用响应面的方法 , 对 pH、温度 、转速 、转速等发 酵条件进行了优 化 , 在 pH为 6.755, 温度是 37.4℃, 转速是 140r/min, 通风量 是 0.75vvm的条件下 , BacillussubtilisDSM 3256的最 大发酵得率约达到 2.1g/ L, 其 CMC值约为 54mg/L。 曹小红 [28] 等分别以装液 量 、温度 、转速 、接种量为影 响因素 , 通过 正交实 验的方 法 , 选出适 宜的培 养条 件 , 进而完成了对 BacillusnattoTK-1产脂肽的发酵 条件进行了初步的优化 , 经优化后 , 发酵液的相对溶 血率由 50.16%提高到 86.27%, 提高了近 70%。
于菌体的生长和 表面活 性素的 生产都 是至关 重要 的 。 发酵液中增加 Mn, 菌体会减少对 N的需求 , 并 导致生长受到 Fe的制约 ;在菌体受 Fe或 N的限制 , 但 Mn存在条件下 , 菌体连续三十代保持其表面活性 剂的产量不下降 。
培养基的成分和配比对微生物的生长 、发育 、代 谢及产物积累 , 甚至对发 酵工业的生产工艺都有很 大的影响 。 因而 , 微生物培养基成 分的选择和优化 工作显得尤为重要 。 国内有学者利用响应面法和部 分因子实验的方法对地衣芽孢杆菌产脂肽的发酵培
Sun-chyrLin等[ 19] 在这方面进行了有益的尝试 , 将 B.licheniformisJF-2进行诱变选育 , 获得了一株高 产突变菌株 , 其脂肽类表面活性剂产量是出发菌株 B.licheniformisJF-2产生的生物表面 活性剂浓度的 1.2倍 , 且通过实验证明两者产生的生物类表面活性 剂的种类相同 。 CatherineN.Mulligan等 [ 21] 利用紫外 线作为诱变剂 , 对 BacillussubtilisATCC21332进行 了诱变 , 筛选得到的突变菌株 Suf-1产脂肽类表面活 性剂的量相比原始出发菌株提高了 3.4倍 , 通过质谱 分析后得到诱变前后脂肽的结构没有发生变化 。国 内的丁立孝 [ 22]为了提高脂肽类生物表面活性剂产生 菌的产量 , 对筛选出的较高产量的出发菌株 Bacillus licheniformisSD59采用物理和化学诱 变两种方法相 结合进行了 诱变 , 出发菌株 地衣芽孢 杆菌 (Bacillus licheniformisSD59 )经过诱变后得到一株 SD596突 变株 , 其脂肽产量较原始出发菌株提高了 181%, 脂 肽的产量达 到了 3.445g/L, 已接近目 前国内外研究 的最好水平 , 后经传代测定出该菌株的遗传稳定性 很好 , 可以用于生产 。
2.青岛大学医学院 , 山东青岛 , 266071)
摘 要 :环脂肽是由微生物产生的一类生物表面活性剂 ,它是由亲水的肽链和亲油的脂肪 烃链两部分组成 。由于 其独 特的化学组成和两亲型分子结构 , 除具表面活性外 , 脂肽还具有抗真菌 、抗细菌 、抗病毒 、抗肿瘤等生 物活性 ,因此 具有 广阔的应用前景 。本文主要对环脂肽的生产菌株 、发酵生产及其应用等方面进行了综述 。 关键词 :脂肽 , 生产菌株 ,发酵 ,应用前景
综 述
Vol.29, No.11, 2008 食品工业科技
比较 , 结合以前的研究成果和实际应用情况 , 采用了 多个方法相结合 , 建立了一个针对脂肽表面活性剂 产生菌的筛选方法 , 即根据菌落在血平板培养基上 对红血细胞的溶解 [ 19] 而形成溶血圈 , 以及菌落在含 油琼脂平板上产生的乳浊晕 圈等进行筛选 , 最终保 证了筛选结果的准确可靠 。
多少 , 通常其产量的高低与其生物量的多少成反比 。 另外 , 生长因子和无机盐等因素对于脂肽类表面活性 剂产量的高低也有非常重要的影响 。 Cooper等 [23] 发 现 , 与 Fe2 +相比较 , 低浓度 (4 ×10-5 mo1/L)的 Mn2 +更 易促进在葡萄糖溶液中的枯草芽抱杆菌 的生长 ;而 提高 Mn2 +的浓度则菌体生长受到抑制 , 但该表面话 性剂的产量可得到提高 , 当 Mn2+浓度为 4 ×10-3 mol/L 时 , 表面活性剂的产量达到 1.2g/L, 这时 Mn2 +将和表 面活性剂形成盐或复合物 。 Sheppard[ 26] 等在带有反 馈抑制的连续相中观察枯草芽抱杆菌 ATCC1332对 钙的反应时发现 , 铁和锰的可用率与氮的利用有密切 关系 , 在发酵液中 N、Fe、Mn的摩尔比为 920∶7.7∶1.0对
Reserchonproductionoflipopeptidebiosurfactants
LIYuan1 , LU Xiao-bin2 , DONG Bei-lei2 , ZHANG Shu-lu1 (1.CollegeofFoodandBiologyEngineering, ShandongInstituteofLightIndustry, Jinan250353, China;
脂肽类表面活性剂主要是通过微生物发酵的方
法制备的 。 一般的脂肽类表面活性剂产生菌的产量 较低 , 其 产量均小 于 1.0g/L, 少的甚至 在 0.1g/L以 下 , 要能达到有较好的利用价值 , 通常需要对产生菌 进行高产突变株的诱变选育 。 与其它微生物活性物 质高产菌株的选育相类似 , 为了提高表面活性剂产 生菌的产量 , 应选取较高产量的出发菌株采用物理 和化学诱变方法两者相结合 进行诱变 , 以获得高产 脂肽类表面活性剂的目标菌株 。 高产菌株的初筛是
DO I :10.13386/j .issn1002 -0306.2008.11.001
食品工业科技 ScienceandTechnologyofFoodIndustry
综 述
脂肽类生物表面活性剂生产的研究
李 媛 1 , 陆晓滨 2 , 董贝磊 2 , 张树禄 1 (1.山东轻工业学院食品与生物工程学院 , 山东济南 250353;
脂肽类生物表面活性剂一般是革兰氏阳性芽孢 杆菌的代谢物 。 脂肽分子是由亲水的肽链和亲油的 脂肪烃链两部分组成的 , 即 7～ 10个氨基酸组成的肽 链和 β-羟基脂肪酸链或 β -胺基脂肪酸链 , 其中脂 肪酸链上的羟基或胺基与肽链氨基酸上的羧基结合 形成内酯键或酰胺键 , 使肽链闭合形成环状脂肽 [1] 。 由于其具有特殊的化学组成 和两亲型分子结构 , 脂 肽类生物表面活性剂在医药 、食品 、化妆品及微生物 采油等领域有重要的应用前 景 , 并已成为当今研究 开发的热点 [ 2] 。 1968年 , Arima等[ 3] 首次发现枯草芽 胞杆菌菌株 (Bacillussubtilis)产生的是脂肽类表面活 性剂 , 呈晶 状 , 商品名为表面活性素 (surfactin)。 研 究表明 , 自被发现以来 , 表面活性素的表面活性一直 最强 , 是迄今 报道的效果最好的生物表面活性剂之 一 [ 4～ 8] 。 另外 , 脂肽类表面活性剂还被证明具有抗真 菌 、抗细菌 、抗病毒 、抗肿瘤等生物活性 , 可以作为新 型药物或用于保健食品中 , 因而必将具有更广阔的 应用前景[ 9] 。本文主要对环脂肽类生物表面活性剂 的生产菌株 、发酵制备与生产及其应用前景进行了 论述 , 为脂肽 类生物表面活性剂的进一步研究与开
根据比较菌落在血平板培养基上对红血细胞的溶解 而形成的溶血圈直径的大小 , 也可以根据阴离子表
面活性剂与阳离子表面活性剂结合形成有色沉淀的 48h发酵时脂肽表面活性剂的产 量和比较发酵液在血琼脂平板上的溶血圈大小 。通 常通过致突变等手段筛选菌株是一种可有效获取高 产生物表面活性剂生产菌的途径 。
2.2 脂肽类表面活性剂的发酵制备
目前 , 脂肽类表面活性剂还不能 有效地利用化 学合成的方法比较经济地制 备 , 而主要是通过微生 物发酵来制备的 。微生物生长和代谢产物的积累受 到培养基的组分 , 如碳源 、氮源 、生长因子和无机盐 等多种因素的影响 。 利用微生物发酵生产有用代谢 产物 , 其培养基成分相当复杂 , 脂肽类表面活性剂的 发酵制备通常采用合成培养基 , 培养基中各种元素的 配比对脂肽类表面活性剂的生产非常重要 。其中 L氨基酸和碳源对其的生产是必需的 , 脂肽类表面活性 剂产量的高低有赖于合理的 C-N平衡和其生物量的
收稿日期 :2008-03-12 作者简介 :李媛 (1983-), 女 , 在读研究生 , 研究方向 :功能性食品 与食
品添加剂 。
29 6 2008年第 11期
发奠定了理论基础 。
1 脂肽类表面活性剂的生产菌株
自然界中有多种微生物能通过代谢产生表面活 性物质 , 如酵母菌 、真菌 、细菌等 [ 10, 11] 。 其中最主要是 假单胞菌 (Pseudomonassp.)、芽孢杆菌 (Bacillussp.)、 节杆菌 (Arthrobactersp.)、分支杆菌 (Mycobacteriumsp.) 和丁酸梭菌 (Clostridiumtyrobutyricum)等 , 但研究最 多的是假单胞菌和革兰氏阳性芽孢杆菌 。 不同的细 菌能产生不同种类的表面活性剂 , 假单胞菌主要产 生糖脂类生物表面活性剂 , 如鼠李糖脂 ;革兰氏阳性 芽孢杆菌主要产生脂肽类生物表面活性 剂 , 代表性 的有 Surfactin和 Iturin。
2.MedicalCollege, QingdaoUniversity, Qingdao266071, China)
Abstract:Cycliclipopeptideisakindofbiosurfactantsynthesized bymicroorganisms, whichiscomposedwith hydrophilicpeptide chain and hydrophobic fatty acid moieties. In addition to the classicalapplication as surfactant, they also have antibacterial, antifungal, antiviraland antitumoractivitybecause theyhave unique chemicalform and bola-amphiphle structure, which show wide application perspective. Thispapermainly reviewedthestrain, fermentationandproduction, andapplicationofthecycliclipopeptide. Keywords:lipopeptide;strain;fermentation;applicationperspective 中图分类号 :TS202.23 文献标识码 :A 文 章 编 号 :1002-0306(2008)011-0296-04
2 脂肽类生物表面活性剂的制备与生产
2.1 脂肽类表面活性剂生产菌株的诱变与选育
自发现枯草芽孢杆菌 (Bacillussubtilis)能够产生 表面活性素以来 , 脂肽类表面活性剂产生菌的筛选主 要集中在枯草芽孢杆菌的不 同菌株之间 [3, 12] 。 近年 来 , 大量的研究表明 , 除枯草芽孢杆菌外 , 短小芽孢杆 菌 (B.pumilus)及地衣芽孢杆菌 (B.lichemiformis)也能 产生脂肽类表面活性剂 。 因而如何快速有效地筛选 和分离生物表面活性剂产生菌 , 是人们研究最多的 课题之一 , 目前已有很多 关于筛选生物表面活性剂 生产菌株的报道 [13～ 18] 。 筛选脂肽类生物表面活性剂 生产菌株的方法很多 , 通 过对不同的筛选方法进行
许多研究表明 , 微生物的生长和有用 代谢产物 的发酵积累除了受到培养基的组分 , 如碳源 、氮源 、 生长因子和无机盐等多种因素的影响外 , 还受到包 括 pH、温度 、装液量等操作条件的制约 [ 26] 。 因此 , 生 物表面活性剂的生产除依赖于高产菌株 外 , 还需要 适宜的培养基和培养条件 。 为了提高发酵液中脂肽 的产量 , 许多工作者对其发酵条件进行了优化 , 并且 取得了很好的效果 。 R.Sen[ 27] 等采用响应面的方法 , 对 pH、温度 、转速 、转速等发 酵条件进行了优 化 , 在 pH为 6.755, 温度是 37.4℃, 转速是 140r/min, 通风量 是 0.75vvm的条件下 , BacillussubtilisDSM 3256的最 大发酵得率约达到 2.1g/ L, 其 CMC值约为 54mg/L。 曹小红 [28] 等分别以装液 量 、温度 、转速 、接种量为影 响因素 , 通过 正交实 验的方 法 , 选出适 宜的培 养条 件 , 进而完成了对 BacillusnattoTK-1产脂肽的发酵 条件进行了初步的优化 , 经优化后 , 发酵液的相对溶 血率由 50.16%提高到 86.27%, 提高了近 70%。
于菌体的生长和 表面活 性素的 生产都 是至关 重要 的 。 发酵液中增加 Mn, 菌体会减少对 N的需求 , 并 导致生长受到 Fe的制约 ;在菌体受 Fe或 N的限制 , 但 Mn存在条件下 , 菌体连续三十代保持其表面活性 剂的产量不下降 。
培养基的成分和配比对微生物的生长 、发育 、代 谢及产物积累 , 甚至对发 酵工业的生产工艺都有很 大的影响 。 因而 , 微生物培养基成 分的选择和优化 工作显得尤为重要 。 国内有学者利用响应面法和部 分因子实验的方法对地衣芽孢杆菌产脂肽的发酵培
Sun-chyrLin等[ 19] 在这方面进行了有益的尝试 , 将 B.licheniformisJF-2进行诱变选育 , 获得了一株高 产突变菌株 , 其脂肽类表面活性剂产量是出发菌株 B.licheniformisJF-2产生的生物表面 活性剂浓度的 1.2倍 , 且通过实验证明两者产生的生物类表面活性 剂的种类相同 。 CatherineN.Mulligan等 [ 21] 利用紫外 线作为诱变剂 , 对 BacillussubtilisATCC21332进行 了诱变 , 筛选得到的突变菌株 Suf-1产脂肽类表面活 性剂的量相比原始出发菌株提高了 3.4倍 , 通过质谱 分析后得到诱变前后脂肽的结构没有发生变化 。国 内的丁立孝 [ 22]为了提高脂肽类生物表面活性剂产生 菌的产量 , 对筛选出的较高产量的出发菌株 Bacillus licheniformisSD59采用物理和化学诱 变两种方法相 结合进行了 诱变 , 出发菌株 地衣芽孢 杆菌 (Bacillus licheniformisSD59 )经过诱变后得到一株 SD596突 变株 , 其脂肽产量较原始出发菌株提高了 181%, 脂 肽的产量达 到了 3.445g/L, 已接近目 前国内外研究 的最好水平 , 后经传代测定出该菌株的遗传稳定性 很好 , 可以用于生产 。
2.青岛大学医学院 , 山东青岛 , 266071)
摘 要 :环脂肽是由微生物产生的一类生物表面活性剂 ,它是由亲水的肽链和亲油的脂肪 烃链两部分组成 。由于 其独 特的化学组成和两亲型分子结构 , 除具表面活性外 , 脂肽还具有抗真菌 、抗细菌 、抗病毒 、抗肿瘤等生 物活性 ,因此 具有 广阔的应用前景 。本文主要对环脂肽的生产菌株 、发酵生产及其应用等方面进行了综述 。 关键词 :脂肽 , 生产菌株 ,发酵 ,应用前景
综 述
Vol.29, No.11, 2008 食品工业科技
比较 , 结合以前的研究成果和实际应用情况 , 采用了 多个方法相结合 , 建立了一个针对脂肽表面活性剂 产生菌的筛选方法 , 即根据菌落在血平板培养基上 对红血细胞的溶解 [ 19] 而形成溶血圈 , 以及菌落在含 油琼脂平板上产生的乳浊晕 圈等进行筛选 , 最终保 证了筛选结果的准确可靠 。
多少 , 通常其产量的高低与其生物量的多少成反比 。 另外 , 生长因子和无机盐等因素对于脂肽类表面活性 剂产量的高低也有非常重要的影响 。 Cooper等 [23] 发 现 , 与 Fe2 +相比较 , 低浓度 (4 ×10-5 mo1/L)的 Mn2 +更 易促进在葡萄糖溶液中的枯草芽抱杆菌 的生长 ;而 提高 Mn2 +的浓度则菌体生长受到抑制 , 但该表面话 性剂的产量可得到提高 , 当 Mn2+浓度为 4 ×10-3 mol/L 时 , 表面活性剂的产量达到 1.2g/L, 这时 Mn2 +将和表 面活性剂形成盐或复合物 。 Sheppard[ 26] 等在带有反 馈抑制的连续相中观察枯草芽抱杆菌 ATCC1332对 钙的反应时发现 , 铁和锰的可用率与氮的利用有密切 关系 , 在发酵液中 N、Fe、Mn的摩尔比为 920∶7.7∶1.0对
Reserchonproductionoflipopeptidebiosurfactants
LIYuan1 , LU Xiao-bin2 , DONG Bei-lei2 , ZHANG Shu-lu1 (1.CollegeofFoodandBiologyEngineering, ShandongInstituteofLightIndustry, Jinan250353, China;
脂肽类表面活性剂主要是通过微生物发酵的方
法制备的 。 一般的脂肽类表面活性剂产生菌的产量 较低 , 其 产量均小 于 1.0g/L, 少的甚至 在 0.1g/L以 下 , 要能达到有较好的利用价值 , 通常需要对产生菌 进行高产突变株的诱变选育 。 与其它微生物活性物 质高产菌株的选育相类似 , 为了提高表面活性剂产 生菌的产量 , 应选取较高产量的出发菌株采用物理 和化学诱变方法两者相结合 进行诱变 , 以获得高产 脂肽类表面活性剂的目标菌株 。 高产菌株的初筛是
DO I :10.13386/j .issn1002 -0306.2008.11.001
食品工业科技 ScienceandTechnologyofFoodIndustry
综 述
脂肽类生物表面活性剂生产的研究
李 媛 1 , 陆晓滨 2 , 董贝磊 2 , 张树禄 1 (1.山东轻工业学院食品与生物工程学院 , 山东济南 250353;
脂肽类生物表面活性剂一般是革兰氏阳性芽孢 杆菌的代谢物 。 脂肽分子是由亲水的肽链和亲油的 脂肪烃链两部分组成的 , 即 7～ 10个氨基酸组成的肽 链和 β-羟基脂肪酸链或 β -胺基脂肪酸链 , 其中脂 肪酸链上的羟基或胺基与肽链氨基酸上的羧基结合 形成内酯键或酰胺键 , 使肽链闭合形成环状脂肽 [1] 。 由于其具有特殊的化学组成 和两亲型分子结构 , 脂 肽类生物表面活性剂在医药 、食品 、化妆品及微生物 采油等领域有重要的应用前 景 , 并已成为当今研究 开发的热点 [ 2] 。 1968年 , Arima等[ 3] 首次发现枯草芽 胞杆菌菌株 (Bacillussubtilis)产生的是脂肽类表面活 性剂 , 呈晶 状 , 商品名为表面活性素 (surfactin)。 研 究表明 , 自被发现以来 , 表面活性素的表面活性一直 最强 , 是迄今 报道的效果最好的生物表面活性剂之 一 [ 4～ 8] 。 另外 , 脂肽类表面活性剂还被证明具有抗真 菌 、抗细菌 、抗病毒 、抗肿瘤等生物活性 , 可以作为新 型药物或用于保健食品中 , 因而必将具有更广阔的 应用前景[ 9] 。本文主要对环脂肽类生物表面活性剂 的生产菌株 、发酵制备与生产及其应用前景进行了 论述 , 为脂肽 类生物表面活性剂的进一步研究与开
根据比较菌落在血平板培养基上对红血细胞的溶解 而形成的溶血圈直径的大小 , 也可以根据阴离子表
面活性剂与阳离子表面活性剂结合形成有色沉淀的 48h发酵时脂肽表面活性剂的产 量和比较发酵液在血琼脂平板上的溶血圈大小 。通 常通过致突变等手段筛选菌株是一种可有效获取高 产生物表面活性剂生产菌的途径 。
2.2 脂肽类表面活性剂的发酵制备
目前 , 脂肽类表面活性剂还不能 有效地利用化 学合成的方法比较经济地制 备 , 而主要是通过微生 物发酵来制备的 。微生物生长和代谢产物的积累受 到培养基的组分 , 如碳源 、氮源 、生长因子和无机盐 等多种因素的影响 。 利用微生物发酵生产有用代谢 产物 , 其培养基成分相当复杂 , 脂肽类表面活性剂的 发酵制备通常采用合成培养基 , 培养基中各种元素的 配比对脂肽类表面活性剂的生产非常重要 。其中 L氨基酸和碳源对其的生产是必需的 , 脂肽类表面活性 剂产量的高低有赖于合理的 C-N平衡和其生物量的
收稿日期 :2008-03-12 作者简介 :李媛 (1983-), 女 , 在读研究生 , 研究方向 :功能性食品 与食
品添加剂 。
29 6 2008年第 11期
发奠定了理论基础 。
1 脂肽类表面活性剂的生产菌株
自然界中有多种微生物能通过代谢产生表面活 性物质 , 如酵母菌 、真菌 、细菌等 [ 10, 11] 。 其中最主要是 假单胞菌 (Pseudomonassp.)、芽孢杆菌 (Bacillussp.)、 节杆菌 (Arthrobactersp.)、分支杆菌 (Mycobacteriumsp.) 和丁酸梭菌 (Clostridiumtyrobutyricum)等 , 但研究最 多的是假单胞菌和革兰氏阳性芽孢杆菌 。 不同的细 菌能产生不同种类的表面活性剂 , 假单胞菌主要产 生糖脂类生物表面活性剂 , 如鼠李糖脂 ;革兰氏阳性 芽孢杆菌主要产生脂肽类生物表面活性 剂 , 代表性 的有 Surfactin和 Iturin。