本發(fā)明屬于發(fā)酵工程技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種多階段發(fā)酵生產(chǎn)利普司他汀的方法。
背景技術(shù):
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,飲食生活發(fā)生巨大變化,人們攝取了更多的垃圾食品及糖分,運(yùn)動(dòng)量不足,導(dǎo)致脂肪過量堆積和和異常分布引起肥胖。肥胖會引發(fā)血糖、胰島素、血脂等機(jī)體多項(xiàng)參數(shù)水平的紊亂,當(dāng)然近些年來科學(xué)家們越來越關(guān)心肥胖和癌癥之間的關(guān)系。
胰脂肪酶抑制劑利普司他汀由毒三素鏈霉菌代謝產(chǎn)生,它通過選擇性地抑制胃腸道內(nèi)的胰脂肪酶減少30% 的脂肪的分解和吸收,從而達(dá)到減重的目的,是目前唯一通過非中樞神經(jīng)系統(tǒng)作用治療肥胖癥的藥物,其作用機(jī)制獨(dú)特,安全性高,它的四氫衍生物Orlistat( 奧利司他)已被羅氏公司成功開發(fā)為減肥藥Xenical (賽尼可) ,該藥物是目前市場上唯一的OTC 減肥藥,占據(jù)了減肥藥市場80%的市場份額。作為Oristat 合成的關(guān)鍵中間體,生物合成Lipstatin 的發(fā)酵備受關(guān)注。
利普司他汀主要由鏈霉菌在細(xì)胞膜內(nèi)合成,屬胞內(nèi)產(chǎn)物,僅有部分產(chǎn)物經(jīng)滲透后,分泌于發(fā)酵液中。微生物正常代謝時(shí),胞內(nèi)過多的產(chǎn)物積累會對其前導(dǎo)關(guān)鍵合成酶活性產(chǎn)生抑制或阻遏,受制于細(xì)胞精密的反饋調(diào)節(jié)作用,微生物自身難以大量合成某種產(chǎn)物。因此,鏈霉菌發(fā)酵過程中,若采用合適的手段,提高細(xì)胞膜的通透性,將合成的利普司他汀及時(shí)排出胞外,釋放到發(fā)酵液中,可有效緩解甚至解除細(xì)胞的反饋調(diào)節(jié),大大提高利普司他汀產(chǎn)量同時(shí)分離純化難度大大降低。
目前,國內(nèi)對Lipstatin 發(fā)酵的研究多見于對培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件的優(yōu)化,仍然存在發(fā)酵周期長,提取分離步驟復(fù)雜收率低等問題。如能建立起一套系統(tǒng)的發(fā)酵法生產(chǎn)利普司他汀的多階段發(fā)酵與分離偶合基礎(chǔ)理論,特別對產(chǎn)物的分離提取及轉(zhuǎn)化進(jìn)行深入研究,為生物法生產(chǎn)次級代謝產(chǎn)物提供參考。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于提供一種多階段發(fā)酵生產(chǎn)利普司他汀的方法,采用多階段溶氧控制、分批補(bǔ)料發(fā)酵,以多階段發(fā)酵生產(chǎn)利普司他汀同時(shí)調(diào)控鏈霉菌菌絲體的通透性,使80%以上產(chǎn)物分泌到菌絲體外,利普司他汀產(chǎn)量高,產(chǎn)物易分離,有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種多階段發(fā)酵生產(chǎn)利普司他汀的方法,包括菌種活化、種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)階段,所述發(fā)酵培養(yǎng)階段采用有氧多階段發(fā)酵,發(fā)酵的前10~40 h為菌體生長階段,控制溶氧水平在50-100 %;40h之后是利普司他汀產(chǎn)生階段,當(dāng)濕菌體重達(dá)到10-12 g/L時(shí),轉(zhuǎn)入微氧發(fā)酵階段,溶解氧水平控制在20-30%。
所述的菌種活化為將砂土管保藏的菌種接種到PDA斜面培養(yǎng)基上,于溫度24-27℃,培養(yǎng)6-7天,得孢子斜面。
所述的種子培養(yǎng)為:將孢子斜面用無菌生理鹽水洗下來,接種到種子培養(yǎng)基中,在溫度24-27℃,pH為6.5-8.5,轉(zhuǎn)速為150-200 rpm的搖床中培養(yǎng)24-48h,得到種子培養(yǎng)液。所述的種子培養(yǎng)基組成為(g/L):玉米淀粉3.0-5.0,魚蛋白胨3.0-5.0,酵母膏1.0-4.0,NaCl 1.0-3.0,葡萄糖2.0-5.0,壓榨大豆油3.0-5.0,K2HPO41.0-3.0,pH7.0-7.2。
所述的發(fā)酵培養(yǎng)基的組分(g/L):玉米粉10.0-15.0,魚蛋白胨8.0-12.0,酵母膏10.0-15.0,甘油6.0-10.0,NaCl 3.0-8.0,葡萄糖5.0-10.0,壓榨大豆油5.0-8.0,K2HPO41.0-5.0,MgSO4·7H2O 0.1-1.5,CaCO3 1.0-3.0,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.005-0.025,ZnSO4·7H2O 0.005-0.025,MnCl2·4H2O 0.001-0.005,CoCl2·6H2O 0.001-0.005。將發(fā)酵培養(yǎng)基溶于60-80℃熱水中,攪拌均勻,倒入發(fā)酵罐中,通入冷卻水,121℃高壓蒸汽滅菌25-35min,滅菌前校正溶解氧DO為0%;
所述的發(fā)酵過程,發(fā)酵培養(yǎng)基的培養(yǎng)溫度24-27℃,控制pH6.5-8.5;調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)速、空氣流量及罐壓以校正溶氧DO 100%;所述的有氧多階段發(fā)酵為:發(fā)酵過程的前10~40 h為菌體生長階段,空氣流量為1.8vvm,攪拌速度為300-350 rpm,溶氧水平DO控制在50-100 %;發(fā)酵過程的40h之后是利普司他汀產(chǎn)生階段,當(dāng)濕菌體重達(dá)到10-12 g/L時(shí),轉(zhuǎn)入微氧發(fā)酵階段,調(diào)節(jié)空氣流量為0.8-1.0vvm,攪拌速度為200-250 rpm,溶解氧水平控制在20-30%。
上述有氧多階段發(fā)酵過程中,當(dāng)葡萄糖濃度低于1g/L時(shí),開始流加底物Ⅰ,以發(fā)酵液中葡萄糖的濃度來指導(dǎo)底物Ⅰ流加速度,使發(fā)酵罐內(nèi)葡萄糖濃度控制在1.0-1.5g/L范圍內(nèi)發(fā)酵60-80h。
底物Ⅰ流加10-20h后開始流加底物Ⅱ,控制流加時(shí)間10-15h,至反應(yīng)體系Triton-100濃度0.3-0.5g/L。
底物Ⅰ流加20-30h后開始流加底物Ⅲ,控制流加時(shí)間10-15h,至反應(yīng)體系CaCl2濃度0.5-0.8 g/L。
其中:底物Ⅰ組成為(g/L):葡萄糖 250-350,酵母膏80-120,甘油50-75,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌20-30min,冷卻至室溫備用;底物Ⅱ組成為:Triton-100液體,121℃高壓蒸汽滅菌15-20min,冷卻至室溫備用;底物Ⅲ組成為:CaCl2,配置成濃度40-50 g/L的水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌15-20min,冷卻至室溫備用。
所述的菌株為產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)物包含利普司他汀的任意菌株,優(yōu)選為鏈霉菌,本發(fā)明中所采用的是鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443(購自美國農(nóng)業(yè)研究菌種保藏中心),將砂土管保藏的菌種接種到斜面活化培養(yǎng);利用活化的菌種制備發(fā)酵種子液;將發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行接種前準(zhǔn)備滅菌;然后將發(fā)酵種子液按發(fā)酵培養(yǎng)基體積的2-5%比例接種于發(fā)酵培養(yǎng)基,通過控制葡萄糖濃度進(jìn)行有氧多階段發(fā)酵,同時(shí)調(diào)控菌絲體的通透性,使產(chǎn)物分泌到發(fā)酵液中。
有益效果:
采用鏈霉菌作為生產(chǎn)用菌種,經(jīng)過發(fā)酵種子液制備、接種前準(zhǔn)備及接種、多階段溶氧控制、分批補(bǔ)料發(fā)酵階段,這是一個(gè)有氧、微氧等多階段集成發(fā)酵,實(shí)現(xiàn)鏈霉菌多階段發(fā)酵生產(chǎn)利普司他汀,同時(shí)在培養(yǎng)中后期調(diào)控菌絲體的通透性,使80%以上產(chǎn)物分泌到菌絲體外。本發(fā)明成本低,操作簡易,產(chǎn)物利普司他汀效價(jià)高,有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1 實(shí)施例1分批補(bǔ)料發(fā)酵底物流加圖;
圖2實(shí)施例2分批補(bǔ)料發(fā)酵底物流加圖;
圖3實(shí)施例3分批補(bǔ)料發(fā)酵底物流加圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例中的菌種采用鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443(購自美國農(nóng)業(yè)研究菌種保藏中心)。
本發(fā)明提供一種鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443多階段發(fā)酵方法,下面列舉實(shí)施例予以進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
①種子的培養(yǎng)
所述的斜面活化培養(yǎng),是將砂土孢子接種到PDA斜面培養(yǎng)基(土豆200g,葡萄糖20g,瓊脂20g,水1000mL,自然pH)上,于溫度24℃,培養(yǎng)箱培養(yǎng)7天,得孢子斜面。
將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443孢子斜面用10 mL無菌生理鹽水洗下來,取2 mL接種到裝種子培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中(裝液量75mL),在溫度27℃,pH為8.0,轉(zhuǎn)速為200 rpm的搖床中培養(yǎng)24 h,得到發(fā)酵種子培養(yǎng)液;其中所述的發(fā)酵種子培養(yǎng)基組成為(g/L):玉米淀粉3.5,魚蛋白胨5.0,酵母膏3.0,NaCl 2.0,葡萄糖5.0,壓榨大豆油3.0,K2HPO4 1.5,pH 7.2。
②接種前準(zhǔn)備
洗凈體積為5L的發(fā)酵罐,空罐121℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻到室溫,組裝好溫度計(jì),pH計(jì)(已校正)和泡沫傳感器,將發(fā)酵培養(yǎng)基溶于80℃熱水中,攪拌溶解培養(yǎng)基至無沉淀,倒入發(fā)酵罐中,補(bǔ)充自來水至培養(yǎng)基體積為3L,通入冷卻水,121℃高壓蒸汽滅菌30 min,滅菌前校正溶解氧DO為0%;其中所述的發(fā)酵培養(yǎng)基的組分(g/L):玉米粉10.0,魚蛋白胨12.0,酵母膏12.0,甘油9.0,NaCl 6.0,葡萄糖10.0,壓榨大豆油8.0,K2HPO4 3.0,MgSO4·7H2O 1.2,CaCO3 3.0,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.02,ZnSO4·7H2O 0.025,MnCl2·4H2O 0.004,CoCl2·6H2O 0.005。
③接種
在火焰圈保護(hù)下,以2%接種量將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443種子液接種于5L自動(dòng)控制發(fā)酵罐中,裝液量3.0L,空氣流量1.8vvm,攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min,培養(yǎng)溫度26℃,校正溶氧100%,自動(dòng)流加氨水控制pH8.0±0.5。
④多階段溶氧控制
鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443發(fā)酵過程分為菌體生長和利普司他汀形成兩個(gè)階段。菌體生長階段為發(fā)酵過程的前38h,這一階段需要大量氧氣,初始空氣流量為1.8vvm,攪拌速度為300rpm,溶氧水平DO控制在50-100%;利普司他汀形成階段位于發(fā)酵過程的38h之后,當(dāng)濕菌體重達(dá)到11 g/L時(shí),轉(zhuǎn)入微氧發(fā)酵階段。但是由于發(fā)酵液粘度較高,氧的傳遞速率會相對下降,而高強(qiáng)度攪拌增加氧的供給會對菌體造成機(jī)械損傷,將加大空氣流量與增加攪拌強(qiáng)度相結(jié)合有助于解決此問題。此階段調(diào)節(jié)空氣流量為1.0vvm,攪拌速度為200rpm,溶解氧水平控制在25-30%。
⑤分批補(bǔ)料發(fā)酵
發(fā)酵38h葡萄糖濃度低于1g/L,開始流加底物Ⅰ,以發(fā)酵液中葡萄糖的濃度來指導(dǎo)底物Ⅰ流加速度,使發(fā)酵罐內(nèi)葡萄糖濃度控制在1.0-1.2g/L范圍內(nèi)發(fā)酵80h。具體流加方式如下:
底物Ⅰ流加16h后開始流加底物Ⅱ,控制流加時(shí)間15h,至反應(yīng)體系Triton-100濃度0.45 g/L。
底物Ⅰ流加26h后開始流加底物Ⅲ,控制流加時(shí)間15h,至反應(yīng)體系CaCl2濃度0.5 g/L。
其中所述的底物Ⅰ組成為(g/L):葡萄糖 290,酵母膏110,甘油75,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅱ組成為:Triton-100液體,121℃高壓蒸汽滅菌15min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅲ組成為:CaCl2配置成50g/L水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌15min,冷卻至室溫備用。
發(fā)酵80h,放罐,最終測得利普司他汀效價(jià)為2200mg/L,發(fā)酵液中利普司他汀效價(jià)為1806 mg/L,占總效價(jià)的82.1%。
實(shí)施例2
1、種子的培養(yǎng)
所述的斜面活化培養(yǎng),是將砂土孢子接種到PDA斜面培養(yǎng)基上,于溫度26℃,培養(yǎng)箱培養(yǎng)7天,得孢子斜面。
將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443孢子斜面用10 mL無菌生理鹽水洗下來,取2 mL接種到裝種子培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中(裝液量50mL),在溫度26℃,pH為8.5,轉(zhuǎn)速為200 rpm的搖床中培養(yǎng)30 h,得到發(fā)酵種子培養(yǎng)液;其中所述的發(fā)酵種子培養(yǎng)基組成為(g/L):玉米淀粉4.5,魚蛋白胨4.5,酵母膏4.0,NaCl 3.0,葡萄糖4.5,壓榨大豆油5.0,K2HPO4 2.5,pH 7.2。
2、接種前準(zhǔn)備
洗凈體積為5L的發(fā)酵罐,空罐121℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻到室溫,組裝好溫度計(jì),pH計(jì)(已校正)和泡沫傳感器,將發(fā)酵培養(yǎng)基溶于80℃熱水中,攪拌溶解培養(yǎng)基至無沉淀,倒入發(fā)酵罐中,補(bǔ)充自來水至培養(yǎng)基體積為3L,通入冷卻水,121℃高壓蒸汽滅菌30 min,滅菌前校正溶解氧DO為0%;其中所述的發(fā)酵培養(yǎng)基的組分(g/L):玉米粉12.0,魚蛋白胨11.0,酵母膏15.0,甘油10.0,NaCl 5.0,葡萄糖10.0,壓榨大豆油8.0,K2HPO4 5.0,MgSO4·7H2O 1.5,CaCO3 3.0,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.025,ZnSO4·7H2O 0.015,MnCl2·4H2O 0.005,CoCl2·6H2O 0.005。
3、接種
在火焰圈保護(hù)下,以2.5%接種量將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443種子液接種于5L自動(dòng)控制發(fā)酵罐中,裝液量3.0L,空氣流量1.8vvm,攪拌轉(zhuǎn)速為350r/min,培養(yǎng)溫度25℃,校正溶氧100%,自動(dòng)流加氨水控制pH8.5±0.5。
4、多階段溶氧控制
鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443發(fā)酵過程分為菌體生長和利普司他汀形成兩個(gè)階段。菌體生長階段為發(fā)酵過程的前42h,這一階段需要大量氧氣,初始空氣流量為1.8vvm,攪拌速度為350rpm,溶氧水平DO控制在60-100%;利普司他汀形成階段位于發(fā)酵過程的42h之后,當(dāng)濕菌體重達(dá)到12 g/L時(shí),轉(zhuǎn)入微氧發(fā)酵階段。但是由于發(fā)酵液粘度較高,氧的傳遞速率會相對下降,而高強(qiáng)度攪拌增加氧的供給會對菌體造成機(jī)械損傷,將加大空氣流量與增加攪拌強(qiáng)度相結(jié)合有助于解決此問題。此階段調(diào)節(jié)空氣流量為1.0vvm,攪拌速度為250rpm,溶解氧水平控制在25-30%。
5、分批補(bǔ)料發(fā)酵
發(fā)酵42h葡萄糖濃度低于1g/L,開始流加底物Ⅰ,以發(fā)酵液中葡萄糖的濃度來指導(dǎo)底物Ⅰ流加速度,使發(fā)酵罐內(nèi)葡萄糖濃度控制在1.2-1.5g/L范圍內(nèi)發(fā)酵78h。具體流加方式如下:
底物Ⅰ流加14h后開始流加底物Ⅱ,控制流加時(shí)間10h,至反應(yīng)體系Triton-100濃度(g/L)0.5。
底物Ⅰ流加24h后開始流加底物Ⅲ,控制流加時(shí)間10h,至反應(yīng)體系CaCl2濃度(g/L)0.7。
其中所述的底物Ⅰ組成為(g/L):葡萄糖 350,酵母膏120,甘油75,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅱ組成為:Triton-100液體,121℃高壓蒸汽滅菌15min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅲ組成為(g/L):CaCl2 46,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌15min,冷卻至室溫備用。發(fā)酵78h,放罐,最終測得利普司他汀效價(jià)為2420mg/L,發(fā)酵液中利普司他汀效價(jià)為2061 mg/L,占總效價(jià)的85.2%。
實(shí)施例3
1、種子的培養(yǎng)
所述的斜面活化培養(yǎng),是將砂土孢子接種到PDA斜面培養(yǎng)基上,于溫度27℃,培養(yǎng)箱培養(yǎng)6天,得孢子斜面。
將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443孢子斜面用10 mL無菌生理鹽水洗下來,取2 mL接種到裝種子培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中(裝液量75mL),在溫度24℃,pH為6.5,轉(zhuǎn)速為150 rpm的搖床中培養(yǎng)48 h,得到發(fā)酵種子培養(yǎng)液;其中所述的發(fā)酵種子培養(yǎng)基組成為(g/L):玉米淀粉5.0,魚蛋白胨3.0,酵母膏1.0,NaCl 1.5,葡萄糖2.0,壓榨大豆油3.5,K2HPO4 3.0,pH 7.0。
2、接種前準(zhǔn)備
洗凈體積為5L的發(fā)酵罐,空罐121℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻到室溫,組裝好溫度計(jì),pH計(jì)(已校正)和泡沫傳感器,將發(fā)酵培養(yǎng)基溶于60℃熱水中,攪拌溶解培養(yǎng)基至無沉淀,倒入發(fā)酵罐中,補(bǔ)充自來水至培養(yǎng)基體積為3L,通入冷卻水,121℃高壓蒸汽滅菌30 min,滅菌前校正溶解氧DO為0%;其中所述的發(fā)酵培養(yǎng)基的組分(g/L):玉米粉15.0,魚蛋白胨8.0,酵母膏10.0,甘油6.0,NaCl 3.0,葡萄糖5.0,壓榨大豆油5.0,K2HPO4 1.0,MgSO4·7H2O 0.1,CaCO3 1.0,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.005,ZnSO4·7H2O 0.005,MnCl2·4H2O 0.001,CoCl2·6H2O 0.001。
3、接種
在火焰圈保護(hù)下,以1.5%接種量將鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443種子液接種于5L自動(dòng)控制發(fā)酵罐中,裝液量3.0L,空氣流量1.8vvm,攪拌轉(zhuǎn)速為350r/min,培養(yǎng)溫度27℃,校正溶氧100%,自動(dòng)流加氨水控制pH6.5±0.5。
4、多階段溶氧控制
鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443發(fā)酵過程分為菌體生長和利普司他汀形成兩個(gè)階段。菌體生長階段為發(fā)酵過程的前38h,這一階段需要大量氧氣,初始空氣流量為1.8vvm,攪拌速度為350rpm,溶氧水平DO控制在50-100%;利普司他汀形成階段位于發(fā)酵過程的38h之后,當(dāng)濕菌體重達(dá)到10 g/L時(shí),轉(zhuǎn)入微氧發(fā)酵階段。但是由于發(fā)酵液粘度較高,氧的傳遞速率會相對下降,而高強(qiáng)度攪拌增加氧的供給會對菌體造成機(jī)械損傷,將加大空氣流量與增加攪拌強(qiáng)度相結(jié)合有助于解決此問題。此階段調(diào)節(jié)空氣流量為0.8vvm,攪拌速度為200rpm,溶解氧水平控制在20-25%。
5、分批補(bǔ)料發(fā)酵
發(fā)酵38h葡萄糖濃度低于1g/L,開始流加底物Ⅰ,以發(fā)酵液中葡萄糖的濃度來指導(dǎo)底物Ⅰ流加速度,使發(fā)酵罐內(nèi)葡萄糖濃度控制在1.0-1.3g/L范圍內(nèi)發(fā)酵75h。具體流加方式如下:
底物Ⅰ流加10h后開始流加底物Ⅱ,控制流加時(shí)間12h,至反應(yīng)體系Triton-100濃度(g/L)0.3。
底物Ⅰ流加20h后開始流加底物Ⅲ,控制流加時(shí)間15h,至反應(yīng)體系CaCl2濃度(g/L)0.8。
其中所述的底物Ⅰ組成為(g/L):葡萄糖 250,酵母膏80,甘油50,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌30min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅱ組成為:Triton-100液體,121℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻至室溫備用。
底物Ⅲ組成為(g/L):CaCl2 40,配置成水溶液,115℃高壓蒸汽滅菌20min,冷卻至室溫備用。發(fā)酵75h,放罐,最終測得利普司他汀效價(jià)為1700mg/L,發(fā)酵液中利普司他汀效價(jià)為1328 mg/L,占總效價(jià)的78.1%。
本發(fā)明用于多階段發(fā)酵法生產(chǎn)利普司他汀,具有廣闊的應(yīng)用前景。通過開發(fā)鏈霉菌Stretomyces toxytricini NRRL 15443多階段發(fā)酵生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)物利普司他汀的效價(jià),且產(chǎn)物易分離,有利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。