本發(fā)明涉及微生物發(fā)酵技術領域，特別涉及一種用于生產左旋多巴發(fā)酵過程中的微量元素和發(fā)酵方法。
背景技術：
左旋多巴又名3,4-二羥基苯丙氨酸，為白色結晶性粉末，無臭無味，在乙醇、氯仿和丙酮中不溶，在稀酸中易溶，作為一種重要的生物活性物質，左旋多巴是神經遞質多巴胺的前體，可以通過血腦屏障，進入腦循環(huán)而到達中樞神經系統(tǒng)，在中樞神經脫羧酶的作用下，轉化為多巴胺，從而使腦組織中多巴胺含量增加達到治療帕金森疾病。其結構式如下：
左旋多巴是治療老年帕金森病的首選和最有效藥物，除此之外，左旋多巴還具有治療弱視和心力衰竭的作用，雖然在長時間的使用以后會有一些副作用，但是四十余年過去了，目前仍然沒有更好的替代藥物出現(xiàn)。目前市面上左旋多巴的制備多是植物提取或化學合成。如專利201310700220.0中公開的左旋多巴制備是以農產品貓豆為原料提取制備左旋多巴。但是上述兩種方法均無法保證原料來源，產量遠遠滿足不了市場需求。隨著分子生物學及生物技術的迅速發(fā)展，利用生物合成左旋多巴已經成為一種很有競爭力、前途光明的方法。
在現(xiàn)有左旋多巴生產技術的發(fā)酵過程中，隨著營養(yǎng)物質的消耗和代謝副產物的積累，菌體生長到穩(wěn)定期的后期會出現(xiàn)菌體活力下降，生物量增加不明顯的現(xiàn)象。
技術實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于左旋多巴發(fā)酵過程中的微量元素和發(fā)酵方法，以解決左旋多巴發(fā)酵過程后期菌體活力下降，生物量增加不明顯的問題。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案如下：
本發(fā)明提供了一種一種用于左旋多巴發(fā)酵過程中的微量元素，包括以下重量份的組分：znso4·7h2o0.01～0.1份,檸檬酸鐵銨0.02～0.08份，mnso4·5h2o0.01～0.05份,h3bo30.05～0.13份,fecl30.03～0.09份。
本發(fā)明還提供了一種用于左旋多巴發(fā)酵過程中的微量元素液，每升微量元素液中包括以下成分：znso4·7h2o1～10g,檸檬酸鐵銨2～8g，mnso4·5h2o1～5g,h3bo35～13g,fecl33～9g。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種生產左旋多巴的發(fā)酵方法，包括如下步驟：
(1)將重組大腸桿菌種子液接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵，控制發(fā)酵的ph為6.0～9.0，發(fā)酵溫度為34～38℃，發(fā)酵do≥30％；
(2)當發(fā)酵液的od600為25～30時，向發(fā)酵液中加入誘導劑進行低溫誘導蛋白表達；當發(fā)酵液的od600達到30～60時，在所述發(fā)酵液中加入上述微量元素液，所述微量元素液加入量為所述發(fā)酵液體積的0.5～1％；
(3)當發(fā)酵罐內od不增加時停止發(fā)酵，收集菌體，提取菌體中的左旋多巴。
其中，所述發(fā)酵培養(yǎng)基的配方為：每升發(fā)酵培養(yǎng)基中包括酵母膏5～14g，蛋白胨7～13g，十二水磷酸氫二鈉10～18g，硫酸鈉5～10g，氯化鈉0.1～1.5g，氯化銨1～6g，三水磷酸氫二鉀7～16g，檸檬酸0.1～1g，七水硫酸鎂0.1～1g，甘油1～10ml。
優(yōu)選的，所述步驟(1)后還包括補料步驟：當所述發(fā)酵培養(yǎng)基的do和ph值同時上升時，開始補料，維持發(fā)酵液的do在20％～40％。
其中，所述補料的補料培養(yǎng)基配方為：每升補料培養(yǎng)基中含有酵母膏10～50g，蛋白胨20～60g，甘油200～600g。
優(yōu)選的，所述種子液的接種量為發(fā)酵液體積的1％～5％。
優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述誘導劑為iptg，所述低溫誘導蛋白表達的發(fā)酵溫度為15～25℃。
進一步優(yōu)選的，所述誘導劑的濃度為30～70mg/ml，所述誘導劑加入量為所述發(fā)酵液體積的0.05～0.15％。
優(yōu)選的，所述步驟(1)中，發(fā)酵在發(fā)酵罐中進行，所述發(fā)酵罐的轉速為100～300rpm，通氣量為0.5～1.5vvm，壓力為0.01～1mpa。
現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
本發(fā)明通過在發(fā)酵后期添加微量元素液，補充了微生物生長所需要微量離子和酶合成所需要的輔酶離子，使菌體后期的生長活性得到延續(xù)，最終發(fā)酵周期在20h左右，菌體od600在80以上，菌體濕重大于100g/l。
具體實施方式
本發(fā)明提供了用于左旋多巴發(fā)酵過程中的微量元素，包括以下重量份的組分：znso4·7h2o0.01～0.1份,檸檬酸鐵銨0.02～0.08份，mnso4·5h2o0.01～0.05份,h3bo30.05～0.13份,fecl30.03～0.09份。優(yōu)選所述微量元素包括znso4·7h2o0.03～0.08份,檸檬酸鐵銨0.04～0.06份，mnso4·5h2o0.02～0.04份,h3bo30.08～0.11份,fecl30.05～0.08份。本發(fā)明對上述微量元素中所用的成分來源沒有特殊限制，采用本領域中的常用物質即可，也可以采用市售商品。
本發(fā)明還包括由上述微量元素制備的微量元素液。每升微量元素液中包括以下成分：znso4·7h2o1～10g,檸檬酸鐵銨2～8g，mnso4·5h2o1～5g,h3bo35～13g,fecl33～9g。優(yōu)選每升微量元素液中包括znso4·7h2o3～7g,檸檬酸鐵銨4～7g，mnso4·5h2o2～5g,h3bo37～10g,fecl34～8g。本發(fā)明對微量元素液的配制方法沒有特殊限定，采用本領域的常規(guī)配制方法進行制備即可。
znso4·7h2o參與構成含硫氨基酸，同時作為菌體胞內酶的輔酶的活性基團；fe2+、fe3+是構成細胞色素氧化酶、過氧化物酶等酶的組成成分，是微生物有氧氧化必不可少的元素；硼離子作為刺激因子，可刺激菌體的高活性代謝。在發(fā)酵后期添加上述微量元素液，能夠補充微生物生長所需要的微量離子和酶合成所需要的輔酶離子，使菌體后期的生長活性得到延續(xù)，有利于提高菌體活力和蛋白生產量。
本發(fā)明還提供了一種生產左旋多巴的發(fā)酵方法，包括如下步驟：
(1)將重組大腸桿菌種子液接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵，控制發(fā)酵的ph為6.0～9.0，發(fā)酵溫度為34～38℃，發(fā)酵do≥30％；
(2)當發(fā)酵液的od600為25～30時，向發(fā)酵液中加入誘導劑進行低溫誘導蛋白表達；當發(fā)酵液的od600達到30～60時，在所述發(fā)酵液中加入上述微量元素液，所述微量元素液加入量為所述發(fā)酵液體積的0.5～1％；
(3)當發(fā)酵罐內od不增加時停止發(fā)酵，收集菌體，提取菌體中的左旋多巴。
本發(fā)明對重組大腸桿菌的種子液來源沒有特殊限制，優(yōu)選將重組大腸桿菌菌種進行分離純化后，在種子培養(yǎng)基中對菌種進行培養(yǎng)，制備重組大腸桿菌的種子液。
本發(fā)明對重組大腸桿菌的菌種來源沒有特殊限定，可以采用本領域技術人員熟知的能夠生產左旋多巴的重組大腸桿菌。在本發(fā)明具體實施例中采用的是基因工程菌e.colim15，對菌種來源沒有限制。
本發(fā)明對重組大腸桿菌的分離純化方法沒有特殊限制，采用本領域的常規(guī)分離純化方法即可。本發(fā)明具體實施例中對重組大腸桿菌采用平板劃線法進行分離純化。本發(fā)明中，重組大腸桿菌的平板培養(yǎng)基配方(g/l)優(yōu)選為：酵母提取物2～8g、蛋白胨4～11g、氯化鈉5～12g、瓊脂粉14～23g。在無菌環(huán)境下用接種環(huán)取一環(huán)劃平板，37℃恒溫培養(yǎng)12～16h，獲得分布均勻的平板單菌落。用滅菌接種針從平板挑取重組大腸桿菌單菌落接種至液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基成分同平板培養(yǎng)基，在34～38℃，150～400rpm培養(yǎng)12～16h，得到活化后的重組大腸桿菌。
將活化后的重組大腸桿菌進行種子培養(yǎng)，獲得種子液。種子擴大培養(yǎng)的過程可以采用本領域的常規(guī)操作進行培養(yǎng)，如搖瓶或種子罐進行逐級擴大培養(yǎng)。在本發(fā)明具體實施例中，優(yōu)選采用搖瓶種子培養(yǎng)。在本發(fā)明中，種子培養(yǎng)基配方(g/l)優(yōu)選為：酵母提取物15～36g、蛋白胨7～18g、磷酸二氫鉀1.5～4.5g、三水磷酸氫二鉀12～17g、甘油3～9ml。配方直接采用碳氮源和磷酸緩沖液進行搭配培養(yǎng)，可滿足菌體種子擴大培養(yǎng)的所需的基本營養(yǎng)元素，使菌體快速適應，配方簡單，效果好。將上述活化的重組大腸桿菌以2％～5％的接種量從試管中移取1～3ml菌液接種至滅菌的搖瓶種子培養(yǎng)基內，在34～38℃，150～400rpm下培養(yǎng)4～5h，得到重組大腸桿菌種子液。經革蘭氏染色檢查，菌體形態(tài)為飽滿的短桿狀。
將得到的重組大腸桿菌種子液接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵。本發(fā)明中，發(fā)酵培養(yǎng)基的配方(g/l)優(yōu)選為：酵母膏5～14g，蛋白胨7～13g，十二水磷酸氫二鈉10～18g，硫酸鈉5～10g，氯化鈉0.1～1.5g，氯化銨1～6g，三水磷酸氫二鉀7～16g，檸檬酸0.1～1g，七水硫酸鎂0.1～1g，甘油1～10ml。優(yōu)選種子液的接種量為發(fā)酵培養(yǎng)基重量的1％～5％，進一步優(yōu)選為2％～4％。控制發(fā)酵過程中發(fā)酵液的ph為6.0～9.0，進一步為7.0～8.0；發(fā)酵溫度為34～38℃，進一步為35～37℃。本發(fā)明中，優(yōu)選發(fā)酵在發(fā)酵罐中進行。本發(fā)明對發(fā)酵罐的結構和種類沒有特殊限制，可以采用本領域中的常規(guī)發(fā)酵罐。通過調節(jié)發(fā)酵罐的轉速、通氣量及罐壓控制發(fā)酵do≥30％。優(yōu)選發(fā)酵罐的轉速為100～300rpm，進一步優(yōu)選為150～260rpm；發(fā)酵罐的通氣量為0.5～1.5vvm，進一步優(yōu)選為0.8～1.3vvm；發(fā)酵罐的罐壓為0.01～1mpa，進一步優(yōu)選為0.1～0.8mpa。在發(fā)酵過程中，發(fā)酵培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分如氮源和碳源能夠滿足重組大腸桿菌的生長需求，發(fā)酵液的do和ph值穩(wěn)定的保持在上述范圍內。
若培養(yǎng)過程中出現(xiàn)發(fā)酵液的do和ph值同時上升，說明發(fā)酵液中的營養(yǎng)成分不能夠滿足重組大腸桿菌的生長需求，此時則需要對發(fā)酵液進行補料。在本發(fā)明中，優(yōu)選補料培養(yǎng)基配方(g/l)為：酵母膏10～50g、蛋白胨20～60g、甘油200～600g，進一步優(yōu)選為酵母膏20～40g、蛋白胨30～50g、甘油300～500g。此補料培養(yǎng)基滿足了菌體在基礎料消耗殆盡對營養(yǎng)物質的需求，尤其是碳氮源，碳氮源配比適宜，菌體量繼續(xù)快速增長。控制補料培養(yǎng)基的補料速度以保證菌體生長。優(yōu)選補料時維持發(fā)酵液的do在20％～40％，進一步優(yōu)選為24～36％。
發(fā)酵過程中，對發(fā)酵液的od600進行定期監(jiān)測，以明確發(fā)酵狀態(tài)。本發(fā)明具體實施例中，優(yōu)選每一小時監(jiān)測一次。當發(fā)酵液的od600為25～30時，在發(fā)酵液中加入誘導劑進行低溫誘導蛋白表達。本發(fā)明對誘導劑的種類和用量沒有特殊的限制，采用本領域的常規(guī)誘導劑及應用量即可。在本發(fā)明具體實施例中，采用異丙基硫代半乳糖苷(iptg)作為低溫誘導的誘導劑。誘導劑的濃度優(yōu)選為10～80mg/ml，進一步優(yōu)選為30～70mg/ml。所述誘導劑加入的量為發(fā)酵液體積的0.03～0.2％，進一步的為0.05～0.15％。其他培養(yǎng)條件不變。
本發(fā)明在低溫誘導發(fā)酵過程中，當發(fā)酵液的od600達到20～80，優(yōu)選為40～70時，在發(fā)酵液中加入本發(fā)明的微量元素液。本發(fā)明中，所述微量元素液的配方(g/l)為：znso4·7h2o1～10g,檸檬酸鐵銨2～8g，mnso4·5h2o1～5g,h3bo35～13g,fecl33～9g。。優(yōu)選所述微量元素液加入的體積為所述發(fā)酵液體積的0.1～2％，進一步優(yōu)選為0.5～1％。本發(fā)明所述微量元素液在加入前，進行過濾除菌。本發(fā)明優(yōu)選采用0.22μm的濾膜對為微量元素液進行過濾。本發(fā)明對微量元素液的除菌方式沒有特殊限定，采用本領域常規(guī)的滅菌方式進行除菌即可。
當發(fā)酵液的od不再增加時，結束發(fā)酵，放罐。放罐前將發(fā)酵溫度降至5～15℃，停止補料，發(fā)酵液的ph和do回升，維持30～60min。使發(fā)酵過程中的積累的代謝副產物消耗殆盡。放罐后，收集發(fā)酵液中的菌體。本發(fā)明中，將發(fā)酵罐中的發(fā)酵液在4℃低溫下進行離心，收集菌體。本發(fā)明對從菌體中提取左旋多巴的方法沒有特殊限定，可以采用本領域技術人員熟知的提取方法。
采用本發(fā)明的發(fā)酵方法，能夠使發(fā)酵周期在20h左右，發(fā)酵后菌體od600在80以上，菌體濕重大于100g/l。
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。
實施例1
微量元素液按照下列配方進行配制：
微量元素液的配方(g/l)：每升微量元素液中含有znso4·7h2o8g,檸檬酸鐵銨5g，mnso4·5h2o3g,h3bo39g,fecl35g。
實施例2
微量元素液按照下列配方進行配制：
微量元素液的配方(g/l)：每升微量元素液中含有znso4·7h2o10g,檸檬酸鐵銨8g，mnso4·5h2o5g,h3bo313g,fecl39g。
實施例3
微量元素液按照下列配方進行配制：
微量元素液的配方(g/l)：每升微量元素液中含有znso4·7h2o3g,檸檬酸鐵銨4g，mnso4·5h2o2g,h3bo37g,fecl34g。
實施例4
采用實施例1的微量元素液進行左旋多巴發(fā)酵培養(yǎng)，步驟如下：
按照下列配方配制發(fā)酵培養(yǎng)基：
發(fā)酵培養(yǎng)基配方(g/l)：酵母膏10g、蛋白胨10g、十二水磷酸氫二鈉15g、硫酸鈉7g、氯化鈉1.0g、氯化銨4g、三水磷酸氫二鉀10g、檸檬酸0.5g、七水硫酸鎂0.5g、甘油5ml。
將配制好的發(fā)酵培養(yǎng)基注入發(fā)酵罐中，并接種基因工程菌e.colim15種子液，接種量為5％(v/v)?？刂瓢l(fā)酵液的ph為7.0，發(fā)酵溫度為35℃。調節(jié)發(fā)酵罐的轉速為200rpm，通氣量為1.0vvm，罐壓為0.5mpa，控制發(fā)酵液的do≥30％。
當發(fā)酵液的od600為30時，將發(fā)酵溫度降至20℃，加入發(fā)酵液體積0.15％的誘導劑iptg繼續(xù)培養(yǎng)；iptg的濃度為20mg/ml。當發(fā)酵液的od600達到50時，在所述發(fā)酵液中加入0.8％(v/v)微量元素液。
當發(fā)酵液的od不增加時放罐，總發(fā)酵周期為21h。發(fā)酵結束時菌液od600為85，濕重為110g/l。
低溫4℃下離心收集菌體，提取菌體中的左旋多巴。
實施例5
采用實施例1的微量元素液進行左旋多巴發(fā)酵培養(yǎng)，步驟如下：
按照下列配方配制發(fā)酵培養(yǎng)基：
發(fā)酵培養(yǎng)基配方(g/l)：酵母膏5g、蛋白胨7g、十二水磷酸氫二鈉10g、硫酸鈉5g、氯化鈉0.2g、氯化銨1g、三水磷酸氫二鉀7g、檸檬酸0.2g、七水硫酸鎂0.1g、甘油2ml。
將配制好的發(fā)酵培養(yǎng)基注入發(fā)酵罐中，并接種基因工程菌e.colim15種子液，接種量為3％(v/v)?？刂瓢l(fā)酵液的ph為8.0，發(fā)酵溫度為38℃。調節(jié)發(fā)酵罐的轉速為100rpm，通氣量為0.6vvm，罐壓為0.1mpa，控制發(fā)酵液的do≥30％。
發(fā)酵過程中，當發(fā)酵液的do和ph值同時上升時，向發(fā)酵罐中進行補料，控制補料速度保證菌體生長。維持發(fā)酵液do在20％～40％。其中補料培養(yǎng)基按照下列配方進行配制：
補料培養(yǎng)基配方(g/l)：酵母膏30g、蛋白胨35g、甘油400g。
當發(fā)酵液的od600為25時，將發(fā)酵溫度降至20℃，加入發(fā)酵液體積0.05％的誘導劑iptg繼續(xù)培養(yǎng)；iptg的濃度為70mg/ml。當發(fā)酵液的od600達到50時，在所述發(fā)酵液中加入0.5％(v/v)微量元素液。
當發(fā)酵液的od不增加時放罐，總發(fā)酵周期為20h。發(fā)酵結束時菌液od600為90，濕重為115g/l。
低溫4℃下離心收集菌體，提取菌體中的左旋多巴。
實施例6
采用實施例1的微量元素液進行左旋多巴發(fā)酵培養(yǎng)，步驟如下：
按照下列配方配制發(fā)酵培養(yǎng)基：
發(fā)酵培養(yǎng)基配方(g/l)：酵母膏14g、蛋白胨13g、十二水磷酸氫二鈉18g、硫酸鈉10g、氯化鈉1.5g、氯化銨6g、三水磷酸氫二鉀46g、檸檬酸1g、七水硫酸鎂1g、甘油10ml。
將配制好的發(fā)酵培養(yǎng)基注入發(fā)酵罐中，并接種基因工程菌e.colim15種子液，接種量為1％(v/v)。控制發(fā)酵液的ph為6.0，發(fā)酵溫度為34℃。調節(jié)發(fā)酵罐的轉速為300rpm，通氣量為1.5vvm，罐壓為1mpa，控制發(fā)酵液的do≥30％。
發(fā)酵過程中，當發(fā)酵液的do和ph值同時上升時，向發(fā)酵罐中進行補料，控制補料速度保證菌體生長。維持發(fā)酵液do在20％～40％。其中補料培養(yǎng)基按照如下配方進行配制：
補料培養(yǎng)基配方(g/l)：酵母膏50g、蛋白胨60g、甘油600g。
當發(fā)酵液的od600為27時，將發(fā)酵溫度降至20℃，加入發(fā)酵液體積0.1％的誘導劑iptg繼續(xù)培養(yǎng)；iptg的濃度為50mg/ml。當發(fā)酵液的od600達到50時，在所述發(fā)酵液中加入1％(v/v)微量元素液。
當發(fā)酵液的od不增加時放罐，總發(fā)酵周期為18h。發(fā)酵結束時菌液od600為110，濕重為140g/l。
低溫4℃下離心收集菌體，提取菌體中的左旋多巴。
實施例7
采用實施例2的微量元素液進行左旋多巴發(fā)酵培養(yǎng)，步驟同實施例6。
發(fā)酵結束時，總發(fā)酵周期為20h，菌液od600為100，濕重為130g/l。
對比例1
發(fā)酵方法中除在發(fā)酵后期沒有添加微量元素液外，其余方法與實施例4相同。發(fā)酵結束后，發(fā)酵周期為20h，發(fā)酵液od600為50，菌體濕重為65g/l。
對比例2
發(fā)酵方法中除在發(fā)酵后期沒有添加微量元素液外，其余方法與實施例5相同。發(fā)酵結束后，發(fā)酵周期為20h，發(fā)酵液od600為70，菌體濕重為90g/l。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。