技术领域
本发明属于微生物技术领域,涉及一种酿酒酵母及其用途,具体涉及一株能 高效合成谷胱甘肽的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001及其用途。
背景技术
谷胱甘肽(Glutathione,GSH)由谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸经肽键缩合 而成,是生物体中最丰富的非蛋白类巯基化合物,广泛存在于动植物组织及微生 物细胞中。生物体内谷胱甘肽以两种形式存在:还原型谷胱甘肽(GSH)和氧化 型谷胱甘肽(GSSG),而在机体中大量存在并起作用的是GSH。GSH分子中由 于半胱氨酸上巯基(-SH)的存在,使GSH在生物体内有着多种重要的生理功能, 主要为三个方面,如抗氧化、解毒和免疫调节。第一,GSH起着维持生物体内适 宜氧化还原环境的作用,作为一种重要的抗氧化剂,GSH可以清除体内氧自由基 (reactiveoxygenspecies,ROS),保护DNA、蛋白质和其它生物分子不被氧化; 第二,作为解毒剂,半胱氨酸上的活性基团巯基易与某些药物、毒素、重金属等 结合,而具有整合解毒作用;第三,可增强机体免疫能力,在高等真核细胞中, GSH可以迅速增强机体的免疫能力。因此,谷胱甘肽在食品、医药、化妆品、发 酵、饲料添加剂等领域具有广泛的市场前景。
GSH的生产方法主要有化学合成法、溶剂萃取法、酶转化法和发酵法。其中, 发酵法是利用廉价的糖类、蛋白质类原料,通过微生物细胞内物质的代谢途径来 进行GSH合成的方法。该法具有菌种易于培养、原料来源方便廉价、成本低、转 化效率高、生产速率快等优点,已成为当前生产GSH的主要方法。国外早在20 世纪80年代就已实现了GSH的工业化生产,我国由于起步较晚目前GSH的工业化 生产仍未取得实质性突破。
在所有合成GSH的动植物细胞及微生物中,酵母是合成GSH最具潜力的微生 物。与此同时,酵母含有丰富的蛋白质及维生素,在食品、医药、化妆品、发酵、 饲料工业中早已广泛使用。利用发酵法生产富含谷胱甘肽的酵母均可作为上述工 业的原料,同时提供丰富的功能性有效成分GSH,对改善人体健康、提高动物机 能等方面发挥重要作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是筛选一株能高效合成谷胱甘肽的酵母并利用 该酵母发酵制备富含谷胱甘肽的干酵母,有效解决酵母合成谷胱甘肽能力低及干 酵母中谷胱甘肽含量低的问题。本发明将扩展富含谷胱甘肽干酵母的应用范围, 有效提高产品的附加值。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种酿酒酵母,其分类命名为酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae) GSH-HS-001,已于2015年12月4日保藏于中国典型培养物保藏中心,保藏编号为 CCTCCNO:M2015724,地址:中国.武汉.武汉大学。
作为优选,本发明所采用的酿酒酵母是用于发酵培养富含谷胱甘肽的酿酒酵 母。
本发明所采用的酿酒酵母在制备富含谷胱甘肽的饲料添加剂、食品、药品或 化妆品中的应用。
本发明所采用的酿酒酵母在制备富含谷胱甘肽的干酵母中的应用。
本发明涉及的保藏编号为CCTCCNO:M2015724的酿酒酵母 (Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001具有如下优点和显著的进步:
(1)筛选到的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001合成谷胱甘 肽的能力强,发酵周期短,经过鉴定遗传背景清晰,无生物安全性隐患。
(2)经过分批补料发酵及喷雾干燥所得的干酵母胞内还原型谷胱甘肽含量高 达200~220mg/g,显著高于已报道的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)CCCG。 有效解决了酵母合成谷胱甘肽能力低及干酵母中谷胱甘肽含量低的问题。这将扩 展富含谷胱甘肽干酵母的应用范围,有效提高产品附加值。
(3)通过摇瓶发酵所得酵母胞内还原型谷胱甘肽含量为60~80mg/g,通过 10L发酵罐采用变速流加发酵所得酵母胞内还原型谷胱甘肽含量为200~ 220mg/g,通过20立方发酵罐采用变速流加发酵所得酵母胞内还原型谷胱甘肽含 量为200~220mg/g。
(4)酵母细胞膜和细胞壁起天然屏障作用减少谷胱甘肽的氧化,因而无需对 谷胱甘肽进行提纯,可与酵母细胞一起使用,这将极大的减少谷胱甘肽的损失与 产品的成本。
附图说明
图1是GSH-HS-001显微镜(400X)观察照片;
图2是GSH-HS-001平板菌落观察照片。
具体实施方式
本发明通过大量试验从全国不同地区采集的不同样本中反复进行菌种筛选, 最终获得了一株能高效合成谷胱甘肽的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae) GSH-HS-001,已于2015年12月4日保藏于中国典型培养物保藏中心,专利保藏编 号为CCTCCNO:M2015724。
菌株形态学特征:菌落呈乳白色,无光泽,扁平,大而厚,不透明,表面光 滑,边缘整齐,湿润粘腻,容易挑起,正反面、边缘与中央部位颜色一致。
菌株生理特性:可利用葡萄糖、蔗糖、麦芽糖等常见碳源。
菌株代谢特性:代谢过程利用前体物质高效合成谷胱甘肽。
实施例一:高产谷胱甘肽菌种的筛选
(1)筛选样本
土壤、淡水、果实、植物、动物粪便等。
(2)培养基
富集培养基(g/L):葡萄糖50,(NH4)2SO42,KH2PO42.5,MgSO4﹒7H2O1,酵母膏0.5,pH4.5,115℃灭菌30min;
初筛平板培养基(g/L):葡萄糖50,尿素1,(NH4)2SO41,KH2PO42.5, Na2HPO40.5,MgSO4﹒7H2O1,FeSO4﹒7H2O0.1,酵母膏0.5,孟加拉红0.03, pH4.5,琼脂20,115℃灭菌30min;
斜面培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH4.5,琼脂20, 115℃灭菌30min;
种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH4.5~ 6.0,115℃灭菌30min;
发酵培养基(g/L):葡萄糖50,酵母膏10,尿素4,(NH4)2SO44, (NH4)2HPO410,KH2PO42.5,Na2HPO40.5,MgSO4﹒7H2O1,CaCl21,pH4.5~ 6.0,115℃灭菌30min;
混合维生素溶液(g/L):维生素B11,维生素B21,维生素B31,维生素B41, 维生素B63,泛酸钙1;
前体氨基酸溶液(g/L):谷氨酸钠40,L-半胱氨酸盐酸盐40,甘氨酸10。
(3)富集培养
取10g筛选样本于100ml灭菌生理盐水中,28~32℃下200~220rpm摇床振荡 1~2h后取10ml菌液接种于富集培养基中,28~32℃、200~220rpm摇床振荡培 养36~42h。富集培养3次。
(4)稀释涂布
取富集培养液0.5mL于灭菌后的小试管内,加入4.5ml无菌水,依次稀释,分 别得到10-1到10-7等7个稀释梯度。分别取10-5到10-7等3个梯度的稀释菌液100μl于 初筛平板培养基上,涂布均匀,每个梯度分别做3个平行。28~32℃恒温培养36~ 48h。
(5)平板划线分纯
取稀释涂布平板上菌落直径较大,长势较好的菌落分别编号并在琼脂平板上 划线分纯,于28~32℃恒温培养36~48h。划线分纯后挑选菌落直径较大,生长 较快的菌株转接于斜面培养基28~32℃恒温培养36~48h后4℃冰箱保藏。初筛共 计筛选到904个菌株。
(6)初筛菌株活化
斜面培养基灭菌备用,将初筛菌株转接于试管斜面活化,28~32℃培养36~ 48h。
(7)种子液制备
种子培养基分装(100ml/500ml摇瓶)灭菌备用,取活化后的菌种转接于种 子培养基中。28~32℃、200~220rpm摇床培养18~20h。
(8)接种发酵培养基发酵
发酵培养基分装(100ml/500ml摇瓶)灭菌备用,取5mL混合维生素溶液及 10ml种子液(接种量8~10%)加入发酵培养基中,28~32℃、200~220rpm摇床 培养。在摇床培养12h,24h时分别补加30%葡萄糖溶液15mL,在摇床培养24h时 补加15mL前体氨基酸溶液,摇床培养36~42h后结束发酵。
(9)酵母细胞破壁释放谷胱甘肽
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,用蒸馏水悬浮,摇匀后放入-80℃冰箱迅速冰冻, 将冰冻的菌体在沸水浴条件下迅速融化,反复冻融2次后5000~8000rpm离心5~ 10min,取上清液作为测试样品。
(10)细胞干重的测定
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,得到的湿菌体在105℃条件下烘干至恒重。
(11)胞内谷胱甘肽含量的测定
采用碘量法测定上清液中谷胱甘肽含量,再结合破壁率及细胞干重计算出胞 内谷胱甘肽的含量。
参见图1以及图2,经过初筛和复筛,编号为GSH-HS-001的菌株合成谷胱甘 肽的能力最强,其通过摇瓶发酵所得酵母胞内还原型谷胱甘肽含量为60~ 80mg/g,通过18SrRNA、ITS以及26SrRNA鉴定,最终确定该菌株为酿酒酵母 (Saccharomycescerevisiae),已于2015年12月4日保藏于中国典型培养物保藏中 心,保藏编号为CCTCCNO:M2015724。将该菌株作为后续实施例的试验菌株。 其中,18SrRNA的序列是序列表中的SEQIDNO.1,ITS序列是序列表中的SEQID NO.2,26SrRNA序列是序列表中的SEQIDNO.3。
实施例二:在摇瓶水平上发酵培养
(1)菌种
酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001,保藏编号CCTCCNO:M 2015724。
(2)培养基
斜面培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH4.5,琼脂20, 115℃灭菌30min;
种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH4.5~ 6.0,115℃灭菌30min;
发酵培养基(g/L):葡萄糖50,酵母膏10,尿素4,(NH4)2SO44, (NH4)2HPO410,KH2PO42.5,Na2HPO40.5,MgSO4﹒7H2O1,CaCl21, pH4.5~6.0,115℃灭菌30min;
混合维生素溶液(g/L):维生素B11,维生素B21,维生素B31,维生素B41, 维生素B63,泛酸钙1;
前体氨基酸溶液(g/L):谷氨酸钠40,L-半胱氨酸盐酸盐40,甘氨酸10。
(3)菌种活化
斜面培养基灭菌备用,将菌种转接于试管斜面活化,28~32℃培养36~48h。
(4)种子液制备
种子培养基分装(100ml/500ml摇瓶)灭菌备用,取活化后的菌种转接于种 子培养基中。28~32℃、200~220rpm摇床培养18~20h。
(5)接种发酵培养基发酵
发酵培养基分装(100ml/500ml摇瓶)灭菌备用,取5mL混合维生素溶液及 10ml种子液(接种量8~10%)加入发酵培养基中,28~32℃、200~220rpm摇床 培养。在摇床培养12h,24h时分别补加30%葡萄糖溶液15mL,在摇床培养24h时 补加15mL前体氨基酸溶液,摇床培养36~42h后结束发酵。
(6)酵母细胞破壁释放谷胱甘肽
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,用蒸馏水悬浮,摇匀后放入-80℃冰箱迅速冰冻, 将冰冻的菌体在沸水浴条件下迅速融化,反复冻融2次后5000~8000rpm离心5~ 10min,取上清液作为测试样品。
(7)细胞干重的测定
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,得到的湿菌体在105℃条件下烘干至恒重。
(8)胞内谷胱甘肽含量的测定
采用碘量法测定上清液中谷胱甘肽含量,再结合破壁率及细胞干重计算出胞 内谷胱甘肽的含量。
(9)结果
发酵时间:36-42小时;细胞干重:10-15g/L;胞内谷胱甘肽含量:60-80mg/g。
实施例三:在10L发酵罐水平上发酵培养
(1)菌种
酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001,保藏编号CCTCCNO:M 2015724。
(2)培养基
斜面培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH4.5,琼脂20, 115℃灭菌30min;
种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH4.5~ 6.0,115℃灭菌30min;
10L发酵罐水平上(底水2L)发酵培养基(g/L):酵母膏30,CaCl22.5, MgSO4﹒5H2O7.5,ZnSO40.008,KCl5,pH4.5~6.0,消泡剂4mL;
流加发酵培养基:300g/L葡糖糖(4L),80g/L尿素、35g/L硫酸铵(600mL), 57g/L磷酸二氢铵(300mL),混合维生素溶液100mL(含维生素B10.1%,维生 素B20.1%,维生素B30.1%,维生素B40.1%,维生素B60.3%,泛酸钙0.1%), 前体氨基酸溶液600ml(含谷氨酸钠4.33%,L-半胱氨酸盐酸盐4.67%,甘氨酸 1.17%)。
(3)菌种活化
斜面培养基灭菌备用,将菌种转接于试管斜面活化,28~32℃培养36~48h。
(4)发酵种子液制备
取活化好的斜面种子一到两环接入装液量为50mL/250mL的种子培养基中, 28~32℃、200~220rpm摇床培养18~20h即得一级种子,按照接种量8%~10% 的比例将一级种子接入相同的种子培养基中28~32℃、200~220rpm摇床培养 14~18h即得二级种子。
(5)接种发酵罐发酵
取上述制备的二级种子按照8%~10%的接种量接种到发酵罐中,利用葡萄 糖为碳源,尿素、硫酸铵、磷酸氢二铵为氮磷源分阶段控制流加策略,控制发酵 温度28~32℃,搅拌转速200~600rmp,通气量5~15L/min,罐压0.03MPa~ 0.04MPa,pH4.5~6.0。接种时一次性补加混合维生素溶液100mL,在氮、磷流 加完1~2h后一次性补加前体氨基酸溶液600ml。发酵过程调节转速和通气量,分 阶段控制溶解氧水平。葡萄糖持续流加并控制葡萄糖含量在1%,36~42h结束发 酵。
(6)酵母细胞破壁释放谷胱甘肽
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,用蒸馏水悬浮,摇匀后放入-80℃冰箱迅速冰冻, 将冰冻的菌体在沸水浴条件下迅速融化,反复冻融2次后5000~8000rpm离心5~ 10min,取上清液作为测试样品。
(7)细胞干重的测定
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,得到的湿菌体在105℃条件下烘干至恒重。
(8)胞内谷胱甘肽含量的测定
采用碘量法测定上清液中谷胱甘肽含量,再结合破壁率及细胞干重计算出胞 内谷胱甘肽的含量。
(9)结果
发酵时间:36-42小时;细胞干重:45-50g/L;胞内谷胱甘肽含量:200-220 mg/g。
实施例四:在20立方发酵罐水平上发酵培养
(1)菌种
酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001,保藏编号CCTCCNO:M 2015724。
(2)培养基
斜面培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH4.5,琼脂20, 115℃灭菌30min;
一级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
二级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
三级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
20m3发酵罐水平上(底水4000L)发酵培养基(g/L):酵母膏30,CaCl22.5, MgSO4﹒5H2O7.5,ZnSO40.008,KCl5,pH4.5~6.0;
流加发酵培养基:300g/L葡糖糖(8000L),80g/L尿素、35g/L硫酸铵(1300L), 57g/L磷酸二氢铵(600L),混合维生素溶液200L(含维生素B10.1%,维生素B20.1%,维生素B30.1%,维生素B40.1%,维生素B60.3%,泛酸钙0.1%),前体 氨基酸溶液1200L(含谷氨酸钠4.33%,L-半胱氨酸盐酸盐4.67%,甘氨酸1.17%)。
(3)菌种活化
斜面培养基灭菌备用,将菌种转接于试管斜面活化,28~32℃培养36~48h。
(4)发酵种子液制备
取活化好的斜面种子一到两环接入装液量为1000mL/5000mL的种子培养基 中,28~32℃、200~220rpm摇床培养18~20h即得一级种子,按照接种量,1%~ 3%(V/V)的比例将一级种子接入相同种子培养基的800L发酵罐中培养20~24h 即得二级种子,之后再按8%~10%(V/V)的接种量将二级种子接入相同种子培 养基的2m3发酵罐中培养12-16小时制备三级种子。
(5)接种发酵罐发酵
取上述制备的三级种子按照10%~15%的接种量接种到发酵罐中,利用葡萄 糖为碳源,尿素、硫酸铵、磷酸氢二铵为氮磷源分阶段控制流加策略,控制发酵 温度28~32℃,通气量300~700m3/h,罐压0.03MPa~0.04MPa,pH4.5~6.0。 接种时一次性补加混合维生素溶液200L,在氮、磷流加完1~2h后一次性补加前 体氨基酸溶液1200L。发酵过程调节转速和通气量,分阶段控制溶解氧水平,同 时控制发酵液中酒精的含量在0.1%-0.5%(W/V)。葡萄糖持续流加并控制葡萄 糖含量在1%,36~42h结束发酵。
(6)酵母细胞破壁释放谷胱甘肽
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,用蒸馏水悬浮,摇匀后放入-80℃冰箱迅速冰冻, 将冰冻的菌体在沸水浴条件下迅速融化,反复冻融2次后5000~8000rpm离心5~ 10min,取上清液作为测试样品。
(7)细胞干重的测定
取一定体积的菌液于离心管中,5000~8000rpm离心5~10min收集菌体,生 理盐水洗涤菌体细胞2~3次后,得到的湿菌体在105℃条件下烘干至恒重。
(8)胞内谷胱甘肽含量的测定
采用碘量法测定上清液中谷胱甘肽含量,再结合破壁率及细胞干重计算出胞 内谷胱甘肽的含量。
(9)结果
发酵时间:36-42小时;细胞干重:45-50g/L;胞内谷胱甘肽含量:200-220 mg/g。
实施例五:富含谷胱甘肽干酵母的制备
(1)菌种
酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)GSH-HS-001,保藏编号CCTCCNO:M 2015724。
(2)培养基
斜面培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,pH4.5,琼脂20, 115℃灭菌30min;
一级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
二级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
三级种子培养基(g/L):葡萄糖20,蛋白胨20,酵母膏10,NaCl5,pH 4.5~6.0,115℃灭菌30min;
20m3发酵罐水平上(底水4000L)发酵培养基(g/L):酵母膏30,CaCl22.5, MgSO4﹒5H2O7.5,ZnSO40.008,KCl5,pH4.5~6.0;
流加发酵培养基:300g/L葡糖糖(8000L),80g/L尿素、35g/L硫酸铵(1300L), 57g/L磷酸二氢铵(600L),混合维生素溶液200L(含维生素B10.1%,维生素B20.1%,维生素B30.1%,维生素B40.1%,维生素B60.3%,泛酸钙0.1%),前体 氨基酸溶液1200L(含谷氨酸钠4.33%,L-半胱氨酸盐酸盐4.67%,甘氨酸1.17%)。
(3)菌种活化
斜面培养基灭菌备用,将菌种转接于试管斜面活化,28~32℃培养36~48h。
(4)发酵种子液制备
取活化好的斜面种子一到两环接入装液量为1000mL/5000mL的种子培养基 中,28~32℃、200~220rpm摇床培养18~20h即得一级种子,按照接种量,1%~ 3%(V/V)的比例将一级种子接入相同种子培养基的800L发酵罐中培养20~24h 即得二级种子,之后再按8%~10%(V/V)的接种量将二级种子接入相同种子培 养基的2m3发酵罐中培养12-16小时制备三级种子。
(5)接种发酵罐发酵
取上述制备的三级种子按照10%~15%的接种量接种到发酵罐中,利用葡萄 糖为碳源,尿素、硫酸铵、磷酸氢二铵为氮磷源分阶段控制流加策略,控制发酵 温度28~32℃,通气量300~700m3/h,罐压0.03MPa~0.04MPa,pH4.5~6.0。 接种时一次性补加混合维生素溶液200L,在氮、磷流加完1~2h后一次性补加前 体氨基酸溶液1200L。发酵过程调节转速和通气量,分阶段控制溶解氧水平,同 时控制发酵液中酒精的含量在0.1%-0.5%(W/V)。葡萄糖持续流加并控制葡萄 糖含量在1%,36~42h结束发酵。
(6)富含谷胱甘肽干酵母的制备
将(5)中得到的发酵液在5000~8000rpm条件下离心5~10min收集菌体, 用生理盐水洗涤菌体细胞2~3次后得干净菌体,再用溶解了0.1%~0.3%阿拉伯 胶的生理盐水将干净菌体配置成10%~15%的酵母液,利用离心喷雾干燥机控制 进风温度140~160℃,出风温度80~90℃,最终得到干物质含量在92%~96%的 干酵母。
(7)酵母细胞破壁释放谷胱甘肽
取1g干酵母用99g蒸馏水悬浮,摇匀后放入-80℃冰箱迅速冰冻,将冰冻的菌 体在沸水浴条件下迅速融化,反复冻融2次后5000~8000rpm离心5~10min,取 上清液作为测试样品。
(8)干酵母水分含量的测定
取一定质量的干酵母在105℃条件下烘干至恒重,测定水分含量。
(9)胞内谷胱甘肽含量的测定
采用碘量法测定上清液中谷胱甘肽含量,再结合破壁率及细胞干重计算出胞 内谷胱甘肽的含量。
(10)结果
干酵母干物质含量:92%~96%;胞内谷胱甘肽含量:200-220mg/g。