技术领域
本发明属于生物制剂领域,是一种直投式凝结芽孢杆菌发酵剂的制备方法。
背景技术
凝结芽孢杆菌是一类具有端生芽孢结构的兼性厌氧杆菌,是对宿主有益的正常微生物。 其被广泛添加到各种食品和饲料中,食用后在体内的繁殖和定植能力强,活菌数高,对人体 健康十分有利。凝结芽孢杆菌对人体的保健作用主要通过两种途径:一是凝结芽孢杆菌菌体 本身的作用,它可以产生大量有益代谢产物,抑制腐败菌的生长,维持机体肠道菌群平衡; 二是其代谢产物,可促进肠蠕动,增强酶的活力,帮助机体消化吸收。
直投式发酵剂(directed vat set,DVS)是指一系列高度浓缩和标准化的干燥发酵剂菌种, 可直接加入热处理的原料进行发酵而无需对其进行活化、扩培等其他预处理工作。目前国内 外直投式凝结芽孢杆菌发酵剂尚未有产品。直投式凝结芽孢杆菌制剂具有以下优点:活菌含 量高,接种量小,生产成本低;保藏期长;方便运输、购买;可有效防止菌种污染及其退化, 提高产品品质;无需扩大培养,有效缩短生产周期,提高劳动生产率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种成本低、操作简单、具有独特优势的 直投式凝结芽孢杆菌发酵剂的制备方法。
本发明实现目的的技术方案如下:
一种直投式凝结芽孢杆菌发酵剂的制备方法,将凝结芽孢杆菌发酵液进行浓缩,发酵液 浓缩条件为:离心转速6000r/min,离心20min,离心温度为4℃,添加保护剂,所采用的保 护剂为含有5%m/m蔗糖和10%m/m麦芽糊精的水溶液,将菌泥加入到保护剂的水溶液中, 采用真空干燥法干燥,干燥温度选为60℃,干燥压力选为12000Pa。
而且,所述凝结芽孢杆菌的名称为TQ33,分类名称Bacillus coagulans,保藏编号为: CGMCC No.5233,保藏日期:2011年9月9日,保藏地址为:北京市朝阳区北辰西路1号 院3号,保藏单位:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。
而且,所述凝结芽孢杆菌液体种子培养基为g/L:蛋白胨20.0、酵母膏10.0、葡萄糖20.0、 CaCO3为10.0,pH7.2-7.4;培养条件为:37℃培养20h。
而且,所述菌泥与保护剂的水溶液的体积比1∶2-5。
而且,所述凝结芽孢杆菌真空干燥存活率为90.3%,活菌数达3.24×1010cfu/g。
而且,所述凝结芽孢杆菌发酵剂按1‰的接种量应用于液态发酵,最高活菌数为8.1× 109cfu/mL。
而且,所述凝结芽孢杆菌发酵剂按1‰的接种量应用于固态发酵,最高活菌数为1.0× 1010cfu/g。
本发明的优点和积极效果:
1、本发明中凝结芽孢杆菌TQ33菌株通过高密度放大培养后,采用真空干燥法制备菌体 发酵剂。用本方法生产的直投式凝结芽孢杆菌发酵剂的存活率为90.3%,活菌数达3.56× 1010cfu/g,按照1‰的接种量便可达到理想的液态和固态发酵效果。基于本菌株开发了一种新 型高活性低成本的直投式凝结芽孢杆菌发酵剂的制备方法。
2、本发明首次采用真空干燥法制备直投式凝结芽孢杆菌发酵剂,与原液态种子接种相比, 发酵剂具有接种量小,直接使用,节约劳动力,缩短生产周期;可有效地防止菌种污染及退 化;保存管理方便,产品品质稳定等优势。
3、本发明确定了凝结芽孢杆菌在浓缩过程中采用离心转速6000r/min,4℃下离心20min, 离心得率为93.27%。
4、本发明确定了菌体真空干燥过程中保护剂为含5%m/m蔗糖和10%m/m麦芽糊精的水 溶液,最终凝结芽孢杆菌存活率为90.3%,活菌数为3.24×1010cfu/g。
5、用本发明方法制备的直投式凝结芽孢杆菌发酵剂按1‰的接种量应用于液态发酵,最 高活菌数为8.1×109cfu/mL。
6、用本发明方法制备的直投式凝结芽孢杆菌发酵剂按1‰的接种量应用于固态发酵,最 高活菌数为1.0×1010cfu/g。
附图说明
图1为本发明200L发酵罐生长曲线;
图2为本发明单一保护剂对凝结芽孢杆菌真空干燥存活率的影响;其中,1水平各保护 剂浓度为:蔗糖3%,乳糖3%,海藻糖3%,谷氨酸钠3%,麦芽糊精3%,脱脂奶粉3%;2 水平各保护剂浓度为:蔗糖5%,乳糖5%,海藻糖5%,谷氨酸钠5%,麦芽糊精5%,脱脂 奶粉5%;
图3为本发明复合保护剂对凝结芽孢杆菌真空干燥存活率的影响,其中,1号5%蔗糖; 2号5%蔗糖+10%脱脂奶粉;3号5%蔗糖+10%脱脂奶粉+3%谷氨酸钠;4号5%蔗糖+10%麦 芽糊精;5号5%蔗糖+10%脱脂奶粉+5%谷氨酸钠;
图4为本发明温度对凝结芽孢杆菌真空干燥存活率的影响;
图5为本发明压力对凝结芽孢杆菌真空干燥存活率的影响;
图6为本发明直投式凝结芽孢杆菌发酵剂液态发酵接种效果比较;
图7为本发明直投式凝结芽孢杆菌发酵剂固态发酵接种效果比较。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明进一步说明,下述实施例是说明性的,不是限定性的,不能 以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明使用的菌种为凝结芽孢杆菌TQ33,分类名称Bacillus coagulans,保藏编号为: CGMCC No.5233,保藏日期:2011年9月9日,保藏地址为:北京市朝阳区北辰西路1号 院3号,保藏单位:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。
1.种子及发酵培养基:
液态种子培养基(g/L):蛋白胨20.0、酵母膏10.0、葡萄糖20.0、CaCO310.0,pH7.2-7.4。
液态发酵培养基(g/L):蛋白胨10.0、酵母膏10.0、葡萄糖6.0,pH7.0。
2.菌体活化:
将甘油管冻藏的菌种接到装有50mL液体种子培养基的250mL摇瓶中,37℃摇瓶培养20 小时。
3.菌体种子发酵培养:
将活化好的菌种以5%的接种量接到装液量为100mL的500mL摇瓶中,于37±1℃摇瓶培 养20小时。
4.菌体的高密度放大培养:
(1)50L种子罐培养
以8%的接种量将凝结芽孢杆菌接种于起始装液量为30L的种子罐中,发酵温度为37℃, 起始搅拌转速320r/min,通风量为1∶0.7,罐压为0.05MPa。培养20小时。
(2)200L发酵罐培养
以4.0%的接种量将凝结芽孢杆菌接种于200L罐进行发酵培养,装液量为罐体积的60%, 发酵温度为37℃,起始搅拌转速220r/min,通风量为1∶0.5,培养20小时。
5.离心分离:
采用离心法浓缩分离菌体,分离条件为:6000r/min离心20min,离心温度为4℃。
离心效果测定:
6.菌悬液的制备:
离心后,弃去上清液,将浓缩后的菌泥添加配置好的复合保护剂制成菌悬浮液,菌泥与 复合保护剂体积比为1∶3。
7.真空干燥:
将加入保护剂的菌种经真空干燥10小时,制得高活力凝结芽孢杆菌发酵剂。
真空干燥存活率测定
取待测样品干燥菌粉于超净工作台,加入10mL无菌生理盐水,静置20min使其复水, 然后采用倾注计数法测定活菌数,存活率按下式计算:
9.菌体浓度的测定:
平板倾注法计数,用移液管取1mL菌液加进9mL无菌生理盐水试管中,混合均匀,依次 做10倍梯度稀释,取1mL稀释后菌液注入平板中,每个稀释度做三个平行,再将融化后的计 数培养基倒入平板,将菌液与培养基混匀,凝固后37℃培养48h。
以下是对直投式凝结芽孢杆菌TQ33发酵剂制备条件的确定,包括最适菌体收获时间、 离心时间、离心力、真空干燥保护剂、温度、压力等参数的确定,以及直投式凝结芽孢杆菌 发酵剂的应用效果的测定。
一、最适菌体收获时间的确定:
筛选实例1
液态发酵进行6h后从发酵罐中取样,平板倾注法计数,测该时刻活菌数。
测得活菌数为:1.5×108cfu/mL。
筛选实例2
液态发酵进行16h后从发酵罐中取样,平板倾注法计数,测该时刻活菌数。
测得活菌数为:8.2×108cfu/mL。
结果
从绘出的发酵过程凝结芽孢杆菌生长曲线可知(附图1),发酵进行16h左右活菌数达到 最大,约为8.2×108cfu/mL,进入稳定期,活菌数基本保持不变,因此最适菌体收获时间为 16h-20h。
二、离心分离:
1、发酵液pH对分离效果的影响
筛选实例1
取发酵罐中培养16h的菌液,不调节其pH,在6000r/min、4℃离心20min的条件下收 集 上清液和沉淀物,分别进行活菌计数,计算离心收得率。
测得离心沉积物活菌数为3.8×1010cfu/g;上清液活菌数为2.4×104cfu/g;离心得率 为82.1%。
筛选实例2
取发酵罐中培养16h的菌液用NaOH调节pH到6.8,在6000r/min、4℃离心20min的条 件 下收集上清液和沉淀物,分别进行活菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.9×1010cfu/g;上清液活菌数为2.23×104cfu/g;离心得 率 为84.9%。
结果
发酵液pH对凝结芽孢杆菌的离心收得率影响不显著(附表1),因此,对发酵液pH不作 调整,可节省劳动强度,简化操作工艺,离心收得率为82.1%,沉积物活菌数为3.8×1010cfu/g。
2、离心时间对分离效果的影响
筛选实例1
离心力为4297g(5000r/min)时,4℃离心15min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.78×1010cfu/g;上清液活菌数为2.31×104cfu/g;离心得 率为85.67%。
筛选实例2
离心力为5157g(6000r/min)时,4℃离心15min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.79×1010cfu/g;上清液活菌数为1.47×104cfu/g;离心得 率为89.20%。
筛选实例3
离心力为5157g(6000r/min)时,4℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.63×1010cfu/g;上清液活菌数为1.16×104cfu/g;离心得 率为93.92%。
结果
离心15min-20min,离心得率较高,但以6000r/min,离心20min时,离心得率最高为 93.92% (附表2),且与5000r/min,离心15min的离心得率差异显著,所以离心时间定为20min。
3、离心力对分离效果的影响
筛选实例1
离心力为4297g(5000r/min)时,4℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.71×1010cfu/g;上清液活菌数为2.4×103cfu/g;离心得 率为89.48%。
筛选实例2
离心力为5157g(6000r/min)时,4℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.63×1010cfu/g;上清液活菌数为1.16×104cfu/g;离心得 率为93.92%。
筛选实例3
离心力为6451g(8000r/min)时,4℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.14×1010cfu/g;上清液活菌数为6.5×103cfu/g;离心得 率为83.44%。
结果
随着离心力的增大,离心得率逐渐降低,以5000r/min离心20min,离心得率为89.48%, 其他离心力条件下离心20min,离心得率均较低,其中7000r/min离心20min,离心得率降低 为90.70%(附表3),表明7000r/min离心20min为离心得率的临界条件。故选择6000r/min 离心20min。
4、离心温度对分离效果的影响
筛选实例1
离心力为4348g(5000r/min)时,20℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.04×1010cfu/g;上清液活菌数为3.46×104cfu/g;离心得 率为78.27%。
筛选实例2
离心力为5257g(6000r/min)时,20℃离心20min后,收集上清液和沉淀物,分别进行 活 菌计数,计算离心收得率。
测得:离心沉积物活菌数为3.79×1010cfu/g;上清液活菌数为2.64×104cfu/g;离心得 率为86.30%。
结果
离心力和离心时间不变,温度增加,凝结芽孢杆菌的离心得率降低(附表4)。相同条件 下,4℃比20℃离心得率提高约4%-10%。故选择在4℃下离心。
三、真空干燥保护剂的确定
以下提及的保护剂的浓度均为对应物质的水溶液的重量百分比浓度。
1、单一保护剂的确定:
筛选实例1
收集离心后的菌泥,以重量百分比为3%的蔗糖水溶液作为保护剂,按保护剂与菌泥的体 积比为3∶1的比例混合。测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为12.6%。
筛选实例2
收集离心后的菌泥,以重量百分比为3%的海藻糖作为保护剂,按保护剂与菌泥的体积比 为3∶1的比例混合。测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为20.8%。
筛选实例3
收集离心后的菌泥,以重量百分比为5%的蔗糖作为保护剂,按保护剂与菌泥的体积比为 3∶1的比例混合。测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为17.8%。
结果
蔗糖保护作用效果显著(附图2),质量分数为3%的蔗糖凝结芽孢杆菌存活率为12.6%, 添加5%的蔗糖可使其存活率达到17.8%。
2、复合保护剂的确定:
以下提及的保护剂的浓度均为对应物质的水溶液的重量百分比浓度。
筛选实例1
以5%的蔗糖为基础,添加10%脱脂奶粉作为保护剂,按保护剂与菌泥的体积比为3∶1的 比例混合。测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为40.5%。
筛选实例2
以5%的蔗糖为基础,添加10%麦芽糊精作为保护剂,按保护剂与菌泥的体积比为3∶1 的比例混合,测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为90.3%。
筛选实例3
以5%的蔗糖为基础,添加10%脱脂奶粉和3%谷氨酸钠作为保护剂,按保护剂与菌泥的 体积比为3∶1的比例混合,测定真空干燥前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为80.7%。
结果
其他复合保护剂效果见附图3,以含5%蔗糖和10%麦芽糊精的水溶液为保护剂时,凝 结芽孢杆菌存活率达到最高为90.3%。因此,复合保护剂为5%蔗糖和10%麦芽糊精水溶液。
其余没有具体列出的保护请参照图3和图3的附图说明。
四、真空干燥条件的确定
1、加热温度的确定
筛选实例1
在干燥室压力为3000Pa和物料量为40g的情况下,干燥温度为40℃时,测定真空干燥 前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为95%。
筛选实例2
在干燥室压力为3000Pa和物料量为40g的情况下,干燥温度为60℃时,测定真空干燥 前后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为93.7%。
结果
干燥温度为60℃时,菌体存活率高,与40℃和50℃相比存活率几乎没有差别,而且60 ℃时能缩短干燥时间。因此,干燥温度选为60℃(附图4)。
2、干燥压力的确定
筛选实例1
在干燥室温度为60℃和物料量为40g的情况下,干燥压力为800Pa,测定真空干燥前后 的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为94.5%。
筛选实例2
在干燥室温度为60℃和物料量为40g的情况下,干燥压力为3000Pa,测定真空干燥前 后的活菌数,计算菌体存活率。
测得存活率为93%。
结果
干燥压力为12000Pa时,菌体存活率高,而且干燥时间短。因此,干燥压力选为12000 Pa(附图5)。
五、直投式凝结芽孢杆菌发酵剂在液态发酵中的应用
筛选实例1
将凝结芽孢杆菌发酵剂加入已灭菌的0.85%生理盐水中,常温复水20min,然后按0.1% 的接种量接入灭过菌的液态发酵培养基,组成(g/L):蛋白胨10.0;酵母膏10.0;葡萄糖 10.0。于37±1℃摇瓶培养16h,测活菌数。
测得活菌数为:6.0×109cfu/mL。
筛选实例2
将经液体活化后的凝结芽孢杆菌按5%的接种量接入灭过菌的液态发酵培养基,(g/L): 蛋白胨10.0;酵母膏10.0;葡萄糖10.0。于37±1℃摇瓶培养16h,测活菌数。测得活菌数 为:7.2×109cfu/mL。
结果
使用直投式凝结芽孢杆菌发酵剂按接种量0.1%与接种量5%液体接种于液态发酵培养基 中对比,最高活菌数分别为8.1×109cfu/mL和7.8×109cfu/mL(附图6)。明显降低接种量, 并可达到更好的发酵效果。
六、直投式凝结芽孢杆菌发酵剂在固态发酵中的应用
筛选实例1
将凝结芽孢杆菌发酵剂加入已灭菌的0.85%生理盐水中,常温复水20min,然后按0.1% 的接种量接入灭过菌的以豆粕为主的固态发酵培养基,组成(%):豆粕60,葡萄糖20,蛋白 胨20。然后按照每100g培养基加入水150ml。于37±1℃好氧培养26h,测活菌数。
测得活菌数为:7.9×109cfu/g。
筛选实例2
将经液体活化后的凝结芽孢杆菌按10%(v/w)的接种量接入灭过菌的以豆粕为主的固态 发酵培养基,组成(%):豆粕60,葡萄糖20,蛋白胨20。然后按照每100g培养基加入水150ml。 于37±1℃好氧培养26h,测活菌数。
测得活菌数为:7.3×109cfu/g。
结果
使用直投式凝结芽孢杆菌发酵剂按接种量0.1%与接种量10%液体接种于固态发酵培养基 中对比,最高活菌数分别为10.0×109cfu/g和9.7×109cfu/g(附图7)。发酵剂接种后菌体 存在约14h的迟滞期,而后生长快速,最终发酵效果理想,可明显降低接种量。
结论
通过对直投式凝结芽孢杆菌发酵剂生产工艺的研究,凝结芽孢杆菌浓缩采用最终凝结芽 孢杆菌存活率达90.3%,发酵剂的活菌数为3.24×1010cfu/g,按1‰的接种量便可达到理想 的液态或固态发酵效果,最高活菌数分别为8.1×109cfu/mL、1.0×1010cfu/g。
表1发酵液pH对分离效果的影响
表2离心时间对分离效果的影响
表3离心力对分离效果的影响
表4离心温度对分离效果的影响