CN113308387A - 联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株及其应用,所述菌株分类命名为圆红冬孢酵母(Rhodosporidiumtoruloides)Z11,保藏编号为CCTCC NO:M 2021226。本发明通过离子束诱变,得到的突变菌株以葡萄糖为唯一碳源,在摇瓶发酵中油脂含量和类胡萝卜素产量分别达到了66%和13.5mg/g,分别是同等条件培养的出发菌株的2.12倍和12.85倍;其稳定性高、产物产量高、重复性好,是一株适合作为动物饲料的优良菌种。其富含大量蛋白质和一定量的维生素类胡萝卜素,作为动物添加剂制备工艺简单,生产原料来源广,有利于实现大规模生产,解决了微生物油脂提取后剩余的菌渣不合适动物消化吸收问题,同时也降低了微生物油脂的生产成本,促进资源之间的综合利用。

Description

联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株及其应用
技术领域
本发明属于生物发酵技术领域,涉及联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株及其应用。
背景技术
如今随着经济的发展,导致人类生活质量大步提高,更加提倡健康饮食,使得畜牧业和养殖业得到了快速进步,如若依靠传统的方式进行饲养,得到的蛋白达不到优质等级,因此尝试使用菌体蛋白作为替代品来解决蛋白饲料供应的不足之处。
菌体蛋白又称之为微生物蛋白,通常是指通过培养单细胞微生物而获得的菌体蛋白质,它是由许多工农业废料以及石油废料人工培养的微生物菌体。因而,单细胞蛋白不是一种纯质蛋白质,而是由蛋白质、脂肪、碳水化物、核酸及不是蛋白质的含氮化合物、维生素和无机化合物等混合物组成的细胞质团。单细胞蛋白中重要的是酵母蛋白、细菌蛋白和藻类蛋白,它们的化学组成一般以蛋白、脂肪为主。其中蛋白质含量可高达50%~80%,因此将单细胞蛋白应用在饲料中,具有很高的应用价值。
单细胞蛋白中一大重要成分是维生素,维生素是人和动物为维持正常的生理功能而必须从食物中获得的一类微量有机物质,在人体生长、代谢、发育过程中发挥着重要的作用。它的作用只要是参与机体代谢的调节。但其与蛋白质、脂类和糖类不同。人和动物体内不能自主合成,必须从食物中获得,如若缺乏维生素对于机体的新陈代谢、生长、发育、健康都有一定的影响。
在我国,可产油微生物有细菌类、酵母菌类、霉菌类和微藻类等,微生物在一定条件下其利用碳水化物、碳氢化合物和普通油脂为碳源、氮源、辅以无机盐生产的油脂和另一些有商业价值的脂质。其中如若在胞内积累的油脂是其生物总量20%(w/w),称其为产油微生物。其中在真核微生物中,某些产油种属能在胞内累计到其生物总量的70%(w/w)的油脂含量。这些油脂主要以脂肪酸甘油三酯的形式存在于胞内,其组成与一般的动植物油脂相似,因此将微生物油脂发酵应用在工业化生产生物柴油和生物饲料方面,具有重要的研究意义。
由于微生物油脂是胞内产物,在获取油脂的同时将伴随着大量的菌体残渣。由于不论是原核微生物还是真核微生物,提取油脂后剩下的残余物用作饲料蛋白的潜在来源。尤其是高产油脂的酵母、霉菌和微藻等,因其油脂含量和生物安全性均较高,近年来备受瞩目。利用这些产油微生物发酵各种非粮作物、农林业废弃物、工业废液以及工业废弃物等生产微生物油脂的研究越来越多。
工业上常用的微生物油脂提取法包括压榨法、浸出法以及超临界流体萃取法。并且对于提取油脂的前处理也至关重要,针对不同的生产菌种也常采用不同的菌种前处理法,例如将菌体干燥后进行高温处理,或者进行酶解,物理破碎或者化学法处理等方法将细菌壁进行破解。这些破壁的方法,有些只适用于实验室少量的破碎油脂提取,如若进行大量的工业化生产,经济成本是不可忽视是一大因素,有些虽然达到了细菌壁破碎的效果,但是其化学试剂残留在菌体上,导致菌渣的再利用价值被大大折扣。因此想要将菌体大批量的提取油脂,针对不同的菌种采取合适的油脂提取方法、菌渣后期处理方法,是非常重要的。这不但有利于加快微生物油脂及生物柴油等产业的工业化生产进程,更能促进资源综合利用,解决菌体蛋白生产原料的供应短缺问题。
微生物油脂发酵菌渣中含有大量的蛋白和细胞壁成分。通常情况下,对菌体进行压榨或者超临界流体萃取法得到的菌渣中无溶剂残留,可以直接作为菌体蛋白饲料使用。因此要达到高产量类胡萝卜素的工艺同时,还要考虑提取油脂对于菌渣再利用率问题,最终实现大规模工业化生产。
发明内容
本发明旨在提供联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株及其应用。
为了实现上述技术目的,本发明采用的技术方案如下:
一株联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株,其分类命名为圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)Z11,保藏编号为CCTCC NO:M 2021226。
本发明的另一目的在于提供所述圆红冬孢酵母在生产油脂中的应用。
具体的,将所述圆红冬孢酵母发酵培养后的发酵液冷冻干燥后,采用有机溶剂萃取获得。
本发明的又一目的在于提供所述圆红冬孢酵母在生产类胡萝卜素中的应用。
本发明的再一目的在于提供所述圆红冬孢酵母在制备动物饲料添加剂中的应用。
具体的,将所述圆红冬孢酵母发酵培养后的发酵液冷冻干燥后,采用有机溶剂萃取油脂,经水解处理后,制成总固形物浓度为10%~90%w/w的液态添加剂成品或在20℃~100℃下干燥制得固态添加剂成品。
所述圆红冬孢酵母发酵培养的方式如下:
1)平板培养:将圆红冬孢酵母接种至平板培养基培养,培养温度28℃~30℃,培养时间24~30h;
2)种子培养:将平板培养的圆红冬孢酵母接种到种子培养基中培养,培养温度28℃~30℃,培养时间24~30h;
3)发酵培养:将种子培养液接种到发酵培养基中,接种量10~12%v/v,发酵温度28℃~30℃,发酵培养时间为100~120h。
进一步的,所述圆红冬孢酵母在好氧条件下发酵培养。
进一步的,所述圆红冬孢酵母以葡萄糖为碳源发酵培养。
进一步的,圆红冬孢酵母发酵培养的培养基以质量含量计,配方为:葡萄糖、K2HPO40.04%、NaH2PO40.1%、MgSO4·H2O 0.15%、酵母提取物0.175%,其中微量元素为:ZnSO4、CaCl2、MnCl2、CuSO4分别为0.192×10-7g/L、0.167g/L、0.54×10-4g/L、0.16×10-4g/L。
本发明采用离子束诱变圆红冬孢酵母,利用平板筛选具有较强的耐受性、并能产类胡萝卜素产量高的菌株。利用本发明的菌株和工艺进行发酵,以葡萄糖作为碳源,在摇瓶发酵产物中油脂含量和类胡萝卜素产量分别达到了66%和13.5mg/g,分别是同等条件培养的出发菌株的1.57倍和12.85倍,并且通过对油脂成分分析发现,其中的亚油酸和棕榈酸占总油比分别高达68%和22%,可用于联产亚油酸和棕榈酸;具有重大的社会意义和经济价值。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明所述的生物材料,其分类命名为圆红冬孢酵母(Rhodosporidiumtoruloides)Z11,已保藏于中国典型培养物保藏中心CCTCC,保藏编号为CCTCC NO:M2021226,保藏日期为2021年03月15日,保藏地址:中国武汉。
实施例1:本实施例说明将圆红冬孢酵母的筛选方法。
圆红冬孢酵母原始菌株为在南京工业大学西苑食堂附近的湖泊采集的土壤中筛选的野生菌;
具体的,以YPD平板作为培养基,在好氧、30℃条件下进行培养,培养2-4天,进行划线纯化5-7次,最终能在平板上生长的菌株进行验证,并将其发酵,考察其发酵产物和性能,发现该菌株可以利用很多碳源进行生长,并且可以产生微量的类胡萝卜素。将此菌株为出发菌株进行菌株改造。
进行第一步离子束诱变的方法如下:
用将圆红冬孢酵母原始菌株活化培养,培养温度30℃,100mL摇瓶装液量20mL,培养时间24~30h,得到处于对数生长期的菌液;取新鲜培养的细胞用生理盐水稀释至细胞浓度OD600=0.6,取10微升菌液铺开在小铁片上,无菌空气吹干;用10KeV注入1.6×1016ions/cm2剂量,脉冲方式每次注入5s,间隔15s。离子注入诱变后,将菌膜洗脱下来。
对诱变菌株进行进一步筛选,方法如下:
其中,所使用的培养基配方(%为质量百分比):
(1)固体平板培养基:酵母粉1%,蛋白胨2%,葡萄糖2%,琼脂2%,其余为水,pH6。
(2)摇瓶发酵筛选培养基:葡萄糖8%、K2HPO4 0.04%、NaH2PO4 0.1%、MgSO4·H2O0.15%、酵母提取物0.075%,添加不同的碳源(蛋白胨、谷氨酸、冰醋酸、硫酸铵),pH为6.0,115℃,高压灭菌20min。注:除冰醋酸外、MgSO4·H2O均为过滤除菌。
(3)磷酸盐缓冲溶液:0.2M NaH2PO4溶液,直至pH为6.0,121℃高压灭菌20min。
筛选步骤:
1、平板筛选
用生理盐水洗出经离子束诱变的菌株,稀释成不同浓度涂布于常规YPD固体培养基平板上,在28~30℃温度下好氧培养30h,挑选可以在筛选平板上生长、菌落较大的菌落几株。
2、平板复筛
将筛选的菌株接种于100mL的三角瓶装液量20mL,28~30℃好氧培养24~30h,无菌生理盐水制成浓度OD600=0.6的菌悬液,吸取2uL点滴培养基平板上,在28~30℃温度下好氧培养12~24h,挑选出菌落显大于出发菌的菌落。
最终菌株Z11和Z12产出了最大量类胡萝卜素。
3、摇瓶发酵筛选
将菌株Z11、Z12和原始菌株接入种子培养基扩大培养,培养温度30℃,250mL的三角瓶装液量50mL,培养时间24h。然后再以发酵培养基好氧发酵,接种量10%(v/v),发酵温度30℃,500mL三角瓶装液量100mL,发酵时间120h后检测各菌株的类胡萝卜素产量如表1所示:
表1筛选培养基中Z11、Z12和原始菌发酵结果
Figure BDA0003000808170000041
经过平板组合筛选获得的两株突变株在发酵过程中类胡萝卜素产量和油脂含量均明显高于出发菌株,其中Z11具有最高的产量。这与组合平板筛选的结果一致。
实施例2:本实施例说明突变株Z11和Z12的传代稳定性。
在以葡萄糖为碳源的发酵培养基中,检测突变株Z11和Z12的传代稳定性。菌株Z11和Z12传代发酵试验结果如表2所示:
表2菌株Z11和Z12传代发酵试验结果
Figure BDA0003000808170000051
从实验结果可知,经过7次连续传代,两株突变株的类胡萝卜素产量较稳定,具有较好的传代稳定性,可作为进一步研究和开发的生产菌株。
实施例3:本实施例说明圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)Z11发酵生产类胡萝卜素的工艺。
本实施例所述的培养基配方(%为质量百分比):
平板培养基:酵母粉1%,蛋白胨2%,葡萄糖2%,琼脂2%,其余为水,pH 6。
种子培养基:酵母粉1%,蛋白胨2%,葡萄糖2%,其余为水。
发酵培养基:葡萄糖8%、K2HPO4 0.04%、NaH2PO40.1%、MgSO4·H2O 0.15%、酵母提取物0.175%,其中微量元素为:ZnSO4、CaCl2、MnCl2、CuSO4分别为0.192×10-7g/L、0.167g/L、0.54×10-4g/L、0.16×10-4g/L。
将圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)Z11接种至平板培养基好氧培养,培养温度30℃,培养时间26h。将平板培养的Z11接种到种子培养基中,250mL三角瓶装液量50mL,培养温度30℃,培养时间26h;将种子接种到发酵培养基中,接种量10%(v/v),发酵温度28℃~30℃,500mL三角瓶装液量100mL,好氧发酵培养120h后,检测类胡萝卜素达到了13.5mg/g,比同等条件培养的出发菌株提高了12.85倍。
实施例4:本实施说明圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)Z11部分油脂含量稳定并且高产。
将发酵结束的菌液(Z11、Z12)全部收集并冷冻干燥48h后,称取20mg的菌株冻干粉于15mL玻璃管中,加入1.5mL的正己烷、0.5mL、2mg/mL的苯甲酸甲酯溶于正已烷,并加入2mL的15%H2SO4(酯化)甲醇中。
将预处理好的样品置于100℃环境下连续摇动2h。随后置于冰上冷却10min,加入1mL ddH2O,转速在2500rpm下离心5min。制得上清液(脂肪酸甲酯提取物),置于GC瓶中,进行气相检测。检测到各菌株总油脂含量及棕榈酸和亚油酸的含量如下表所示:
表3菌株Z11和Z12传代发酵试验结果
Figure BDA0003000808170000061
从实验结果所知,菌株Rhodosporidium toruloides Z11总油脂含量达到了66%,是同等培养条件下出发菌株总油脂含量的提高了2.12倍,其中油脂含量中的棕榈酸和亚油酸占总油比22%和68%,是其他圆红冬孢酵母产同类不饱和脂肪酸的20-30倍。
实施例5:本实施例说明圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)Z11制得固体菌渣用作动物饲料。
采用实施例4的方法本实施发酵培养将圆红冬孢抱酵母Rhodosporidiumtoruloides Z11后,将发酵液冷冻干燥得到含油量为66%的干菌体58.5g。在研磨机中将干菌体研磨成粉末,按50g菌粉加入0.1L正己烷进行萃取,超声波震荡5-15min,6000rpm离心10min,得到上层混合油,将混合油进行蒸煮取得到酵母油脂39g,再进行脱溶处理,回收固体菌渣。将前述菌渣与适量水混合调节到总固形物浓度为90%,用硫酸调节pH值在3.0-4.5范围内,在90℃温度下连续摇晃20分钟后,冰上冷却到室温,用4M NaOH溶液中和至pH 5.5~6.0。继续添加水,调节到总固形物浓度为30%,得液态动物饲料添加剂成品130mL。该成品为褐色悬浊液,略带香味,含粗脂肪5.2%,粗蛋白12%,粗纤维4%,灰分2.3%。

Claims (10)

1. 一株联产不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的菌株,其特征在于,其分类命名为圆红冬孢酵母(Rhodosporidiumtoruloides)Z11,保藏编号为CCTCC NO:M 2021226。
2.权利要求1所述的圆红冬孢酵母在生产油脂中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,将所述圆红冬孢酵母发酵培养后的发酵液冷冻干燥后,采用有机溶剂萃取获得。
4.权利要求1所述的圆红冬孢酵母在生产类胡萝卜素中的应用。
5.权利要求1所述的圆红冬孢酵母在制备动物饲料添加剂中的应用。
6. 根据权利要求5所述的应用,其特征在于,将所述圆红冬孢酵母发酵培养后的发酵液冷冻干燥后,采用有机溶剂萃取油脂,经水解处理后,制成总固形物浓度为10%〜90% w/w的液态添加剂成品或在20℃〜100℃下干燥制得固态添加剂成品。
7.根据权利要求2~6任一项所述的应用,其特征在于,所述圆红冬孢酵母发酵培养的方式如下:
1)平板培养:将圆红冬孢酵母接种至平板培养基培养,培养温度28℃~30℃,培养时间24~30 h;
2)种子培养:将平板培养的圆红冬孢酵母接种到种子培养基中培养,培养温度28℃~30℃,培养时间24~30h;
3)发酵培养:将种子培养液接种到发酵培养基中,接种量10~12% v/v,发酵温度28℃~30℃,发酵培养时间为100~120h。
8.根据权利要求2~6任一项所述的应用,其特征在于,所述圆红冬孢酵母在好氧条件下发酵培养。
9.根据权利要求2~6任一项所述的应用,其特征在于,所述圆红冬孢酵母以葡萄糖为碳源发酵培养。
10. 根据权利要求2~6任一项所述的应用,其特征在于,所述圆红冬孢酵母发酵培养的培养基以质量含量计,配方为:葡萄糖、K2HPO4 0.04%、NaH2PO40.1%、MgSO4·H2O 0.15%、酵母提取物0.175%,其中微量元素为:ZnSO4、CaCl2、MnCl2、CuSO4分别为0.192×10-7g/L、0.167g/L、0.54×10-4g/L、0.16×10-4g/L。
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