甘油对红曲菌甘油及碳源代谢关键酶酶活的影响

第41卷湖北师范大学学报(自然科学版)Vol 41第1期JournalofHubeiNormalUniversity(NaturalScience)No 1,2021
甘油对红曲菌甘油及碳源代谢关键酶酶活的影响石 佳1,2,3,4,赵 薇1,2,3,4,鲁 瑾1,2,3,4,王文娟1,2,3,4,余 翔1,2,3,4,冯艳丽1,2,3,4
(1.特野菜良种繁育与综合利用技术湖北省工程研究中心,湖北黄石 435002;
  2.湖北师范大学食用野生植物保育与利用湖北省重点实验室,湖北黄石 435002;
3.湖北师范大学生命科学学院,湖北黄石 435002;
4.湖北师范大学生物学国家级实验教学示范中心,湖北黄石 435002)
摘要:以丛毛红曲菌(Monascuspilosus)MS-1为实验菌株,考察合成培养基中甘油浓度对红曲菌碳源及甘
油代谢关键酶酶活的影响。结果表明,发酵过程中各处理发酵液pH均在3.5~7.5之间,且呈先降后升趋
势,发酵液体积呈下降趋势。在发酵的前9d,普遍表现为甘油浓度为1g/L和40g/L的处理中甘油及碳
源代谢关键酶酶活高于对照及甘油浓度为160g/L的处理中相关酶活,在发酵后期则普遍出现相反的现
象。甘油可影响红曲菌的碳源及甘油代谢关键酶酶活,进而影响红曲菌生长及代谢产物产生。该研究结
果可为深入探讨甘油影响红曲菌代谢产物产生的分子机制奠定基础。
关键词:红曲菌;甘油;红曲素;碳源代谢;关键酶
中图分类号:Q939.97  文献标志码:A  文章编号:2096-3149(2021)01-0017-09
doi:10.3969/j.issn.2096-3149.2021.01.003
0 前言
红曲菌(Monascusspp.),又称红曲霉,是我国重要的药食同源微生物,其淀粉质原料的发酵产品———红曲在我国有2000多年的应用历史[1,2]。红曲菌在工业生活的应用主要是红曲素(Monas cuspigments,MPs)的应用[3]。MPs在食品工业主要用于发酵豆制品、红曲米酒及干制鱼、肉制品等的着[4],保健食品[5]、替代肉品加工中的部分亚硝酸盐等[6]。在生产MPs的过程中发现,甘油可促进红曲菌产生MPs,但其作用机制不明确[7~9]。
甘油可作为碳源用于微生物发酵,但不同微生物对甘油的代谢和利用也不同。已有研究表明,以蔗糖为主要碳源时添加甘油可促进红曲菌生长、MPs和莫纳可林K(MonacolinK,MK)的产生,且甘油可影响红曲菌合成MPs和MK关键基因的表达,但具体机制并不清楚[8~10]。甘油代谢主要涉及4种酶,分别是甘油脱氢酶(Glyceroldehydrogenase,GDH)、甘油脱水酶(Glyceroldehydratase,GDHt)、二羟基丙酮激酶(Dihydroxyacetonekinase,DHAK)和1,3-丙二醇氧化还原酶(1,3-propanedioldehy drogenase,PDOR)[11,12]。近年来,有关碳源对微生物代谢的影响也有大量报道,主要包括碳源对微生物代谢产物的影响[13,14]及与碳源代谢相关基因的研究[15,16]等,未见甘油影响红曲菌碳源代谢的相关研究。课题组在合成培养基条件下,分析了甘油对红曲菌产MPs的影响,还对影响红曲菌代谢产物产生的碳源选择性进行了研究[10]。然而,甘油对红曲菌碳源代谢的影响效应并不清楚。
本研究从甘油代谢途径和红曲菌碳源代谢途径涉及关键酶的酶活探讨甘油对红曲菌发酵过程的影响。甘油代谢主要涉及4种酶,分别是GDH、GDHt、DHAK和PDOR,但通常仅监测GDH、GDHt、PDOR的酶活。红曲菌碳源代谢涉及的酶主要是β-半乳糖苷酶和葡萄糖激酶。本研究主要在前期
收稿日期:2020-08-18
基金项目:湖北省教育厅科研计划项目重点项目(D20192502),食用野生植物保育与利用湖北省重点实验室开放基金(EWPL201807),湖北师范大学科研创新团队项目(2019CZ07)
作者简介:石 佳(1998— ),女,山西晋中人,在读硕士研究生,研究方向为食品微生物.
通讯作者:冯艳丽(1981— ),女,河南周口人,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为食品发酵,E-mail:fengyanli@hbnu.edu.cn.
研究的基础上[10]
,探讨在合成培养基条件下,甘油对红曲菌甘油及碳源代谢关键酶酶活的影响,为后
续开展红曲菌利用甘油及甘油影响红曲菌代谢产物产生的分子机制提供依据。1 材料与方法
1.1 实验材料
丛毛红曲菌(M.pilosus)MS-1(CCTCCM2013295,中国典型培养物保藏中心)是从市售红曲
产品中分离获得的可高产MPs及M
K且不产桔霉素的菌株。土豆等均为市售。1.2 仪器设备
FSH-2型可调高速电动匀浆器,金坛市江南仪器厂;UV1900型紫外分光光度计,日本岛津公司;
5427R型台式高速离心机,德国eppandorf;HZQ-F16型振荡培养箱,哈尔滨市东联电子技术开发有限公司。其余设备均为常规小型实验室设备。内外接
1.3 试剂及溶液
葡萄糖、蔗糖、甘油、MgSO4·7H2O、KCl、FeSO4、盐酸、NaOH、K2HPO4·3H2O、KH2PO4
、乙酸钠、盐酸3-甲基-2苯并噻唑酮腙(MBTH)、(NH4)2SO4、Fe(NH4)2(SO4)2、K2CO3、KHCO3
、1,2-丙二醇、柠檬酸钾、柠檬酸、酚试剂、1,3-丙二醇(PDO)、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、Na2CO3
、三(羟甲基)氨基甲烷Tris-HCl及MgCl2均为国产分析纯试剂。谷氨酸钠、
琼脂粉、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、(NAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)及辅酶B12
均为国产生物试剂。二硫苏糖醇、邻-硝基苯酚、邻硝基苯β-D-半乳吡喃糖苷、腺苷三磷酸(ATP)和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶均为高级纯,
其中二硫苏糖醇、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G-6-PDH)和腺苷三磷酸(ATP)生产商为BCmEI,其
余为国产试剂。
1.4 培养基
PDA培养基:将200g马铃薯去皮切块(约2cm3),加入1000mL蒸馏水煮沸30min.冷却后过
滤,滤液加蒸馏水补足至1000mL.加入20g葡萄糖搅拌均匀。加入20g琼脂至充分溶解,自然p
H.分装至茄形瓶中,每瓶100mL,1×105Pa灭菌2
0min.发酵培养基:蔗糖60g/L,10g/L谷氨酸钠,0.0007mol/LMgSO4·7H2O,1g/LK2HPO4
,0.5g/LKCl,0.05g/LFeSO4
,调节pH为6.0,1×105Pa灭菌20min.1.5 孢子悬液的制备及红曲液态发酵
接种红曲菌的PDA斜面在28℃培养10d,加入10mL无菌水。用无菌接种铲刮取孢子,将孢子
悬液滤入装有玻璃珠的无菌锥形瓶中。调整孢子浓度为106cfu/mL.将孢子悬液接入装有5
朋友网0mL培养基的250mL三角瓶中,接种量为1
0%(v/v)。在30℃、130r/min培养3d后调整温度为25℃,继续培养至1
5d.1.6 红曲菌液态发酵产物中粗酶液的制备
结合前期研究基础[10],分别将发酵培养基中甘油浓度调整至1g/L、40g/L和160g/L,接种量及
培养条件同“1.5孢子悬液的制备及红曲液态发酵”,每隔3d取样(每个处理取出3瓶进行分析),检
测甘油脱氢酶、1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油脱水酶、β-半乳糖苷酶、葡萄糖激酶酶活,至第1
5d(设置3个平行)
。粗酶液的制备:过滤发酵液,将收集到的菌丝体保存在50mmol/L磷酸钾缓冲液(pH7.0,含有
2mmol/L二硫苏糖醇)中,然后用组织匀浆机(每次6s,间歇3s,共进行3次)进行破碎,释放胞内酶,
最后在8000r/min条件下离心10min,所得上清液即为胞内酶粗提液,该粗酶液用于后续实验中酶活分析。采用过滤后的发酵液测定胞外酶的酶活。
1.7 甘油对红曲菌发酵过程中甘油代谢关键酶酶活的影响
1.7.1 甘油脱氢酶酶活的测定 采用分光光度法测定甘油脱氢酶的酶活[17],该反应液总体积为
1.5mL,包括25mmol/L(NH4)2SO4、1μmol/LFe(NH4)2(SO4)2
、0.2mol/L甘油、1.2mmol/LNAD
以及适量保存于0.1mol/LK2CO3缓冲溶液(
pH9.8)中的待测液。用紫外分光光度计于30℃,340nm波长下,测定1min内的吸光度值。1个酶活单位(U)的定义是指在该条件下1min内消耗1μmol底物所需要的酶量。
酶活计算公式如下:
酶活力单位(U/mL)=(VT×△A/△t×K)/(ε×VS×
中国图书馆学会
L)其中,K指样品稀释倍数;VT指1.5mL的总体积;VS指0
.06mL的样品体积;ε指摩尔吸光系数,NADH在340nm处的毫摩尔消光系数为6.22;L指1cm光径的比杯;△A/△t指1m
in内变化的吸光度值。
甘油脱氢酶酶活力单位(U/mL)=8.04×△A/△t
1.7.2 甘油脱水酶酶活的测定 采用分光光度法检测甘油脱水酶的酶活,因甘油脱水酶的反应需依
赖易见光分解的辅酶B12
,测定该酶活须在避光条件下进行[18]。1mL的反应液:KCl50mmol/L、1,2-丙二醇0.2mol/L、辅酶B121
5μM、磷酸钾缓冲液(pH7.0)0.035mol/L和适量细胞抽提液。首先在37℃下保温10min,然后加入1mL的0.1mol/L柠檬酸钾缓冲液(pH3.6)和0
.5mL的0.1%MBTH(盐酸3-甲基-2苯并噻唑酮腙)溶液,然后在37℃下保温15min,最后加入1m
L的蒸馏水,用紫外分光光度计于305nm处测定1min内的吸光度值。1个酶活单位(U)的定义是指在上述条件
下1min内生成1μmol1,3-丙二醇所需的酶量。
酶活力计算:甘油在甘油脱水酶的催化作用下脱水生成2-羟基丙酮,该物质可与M
BTH发生显反应,因此甘油脱水酶的酶活可以通过终点法测定。首先在pH7.0、37℃的条件下,底物、酶与辅
酶B12
共反应10min,接着加入柠檬酸钾缓冲液以终止反应,然后加入的MBTH在305nm处与2-羟基丙酮发生显反应。但是MBTH显法并不能直接用来测甘油脱水酶酶活,这是因为甘油脱水酶
受甘油的影响,在3min之内完全丧失酶活。由于甘油脱水酶催化1,2-丙二醇与甘油这两种底物的
反应速率呈正相关,因此可采用3个1min终点法来测甘油脱水酶的酶活,即在加入辅酶B12
起始反应后的1min、2min和3min内终止反应,并测量1,2-丙二醇与甘油的反应速率,两者比值为1
.41,MBTH的摩尔吸光系数为13.22L/mmol/cm.根据以上原因,Forge等推导所得酶活计算公式为:
甘油脱水酶活力单位(U/ml)=0.53×A305
1.7.3 1,3-丙二醇氧化还原酶酶活的测定 采用分光光度法检测1
,3-丙二醇氧化还原酶的酶活[18,19],测定该酶活的反应液总体积为1.5mL,包括25mmol/L(NH4)2SO4、1μmol/LFe(NH4)2(SO4)2、0.1mol/L的PDO、1.2mmol/LNAD以及适量保存于0.1mol/LK2CO3缓冲液(
pH9.8)中的待测液。用紫外分光光度计在30℃、340nm处测量1min内的吸光度值。1个酶活单位(U)的定义
是指在该条件下1min内消耗1μmol底物所需要的酶量。
PDOR活力的计算方法:
PDOR活力单位(U/mL)=D×V×(△A/△t)/ε×
L×vD指稀释倍数;V指1.5mL的总体积;v指0.06mL的样品体积;ε指摩尔吸光系数,
NADH在340nm处的毫摩尔消光系数为6.22;L指0.1cm光径的比杯;△A/△t指单位时间内的O
D变化值。PDOR的作用是将还原3-羟基丙醛(3-Hydroxypropionaldehyde,3-HPA)生成PDO,由于3-HPA极不稳定,因此采用逆反应方法测量该酶活力。Daniel等研究发现,来自菌种C
itrobacterfreundii的PDOR还原丙醛反应的速率是还原3-HPA的21%.Forage等研究发现,来自K
.pneumoniae的PDOR对丙醛的还原与对PDO的氧化反应速率比为0.83.由此采用测定PDO的反应速率,利用转化
因数:
0.83/0.21=3.95,来计算得到PDOR的活力。1,3-丙二醇氧化还原酶酶活力单位(U/mL)=31.76×△A/△t
1.8 甘油对红曲菌发酵过程中碳源代谢关键酶酶活的影响青藏线的风
1.8.1 β-半乳糖苷酶酶活的测定 β-半乳糖苷酶能够水解邻硝基苯β-D-半乳吡喃糖苷(ON PG),主要是在酶的作用下ONPG发生糖苷键断裂,生成黄的邻-硝基苯酚(ONP)和β-D-吡喃
半乳糖,由于ONP的含量与其颜深浅与呈正比,因此可用紫外分光光度计,于4
20nm处测定ONP
的吸光度值[20]。
首先取1mL2mg/mL的ONPG作为底物,在37℃下预热10min,然后在底物中加入粗酶液
1mL,37℃下保温25min,接着加入5mL、0.15mol/L的碳酸钠溶液终止酶和底物的反应,于4
国家社科基金2017公示20nm处测定待测产物的吸光度值[21]。1个酶活单位(U)的定义是指在1L的总体系内反应1m
in释放1μmolONP所需要的酶量。标准校正曲线由已知浓度的O
NP溶液计算所得,ONP校正曲线如图1.该方程式如下:
y=1.0442x+0.0201,R2
=0.999.酶活力计算公式为:Y=D×C×7T×10
Y指酶活力/(U/L);D指稀释倍数;C指ONP的浓度/(μ
mol/L);7指反应体积/mL;T指反应时间/min;10指总的样品体积/mL.
图1
 ONP校准曲线1.8.2 葡萄糖激酶酶活的测定 采用分光光度法检测葡萄糖激酶的酶活,反应体系包括:
美国次贷危机的原因1.6mL的三(羟甲基)氨基甲烷溶液、
0.8mL的ATP溶液、0.8mL的NADP溶液和0.8mL的氯化镁溶液[22]。首先取3.2mL的反应体系,然后加入56μL的G-6-PDH和100μL的待测液,混合为溶液①,接着
将溶液①与0.8mL的葡萄糖溶液,分别在25℃条件下保温5min,最后将二者混合(总体积为
4.156mL),用紫外分光光度计于3
40nm处测定的吸光度值。酶活力计算
酶活力单位(U/mL)=(VT×△A/△t×K)/(ε×VS×
L)其中,K指样品稀释倍数;VT指4
.156mL的总体积,本实验中为2.078;VS指0
.1mL的样品体积;ε:摩尔吸光系数,NADH在340nm处的毫摩尔消光系数为6.22;L指1cm的光径比杯;△A/△t指每分钟吸光度变化值。
葡萄糖激酶酶活力单位(U/mL)=6.68×△A/△t
2 结果与分析
2.1 甘油对发酵液pH、体积的影响
检测甘油对发酵液pH及体积的影响,每3d取样1次,结果如图2和图3所示。
图2
 甘油对发酵液pH的影响       图3 甘油对发酵液体积的影响
由图2可知,4种培养基发酵液pH在3.5~7.5之间。发酵至第6d开始,甘油浓度为40g/L和160g/L的处理发酵液pH均低于对照和甘油浓度为1g/L的发酵液pH.主要是由于红曲菌利用甘油后产生了小分子酸[2]。在发酵过程中,发酵液pH的上升可能与MPs本身具有碱性及极性有关[23]。通过监测发酵液的pH可反应红曲菌对碳源的利用情况,因红曲菌在利用碳源过程中可产生小分子酸[2]。
由图3可知,随着发酵时间的延长,发酵液体积逐渐减少,且添加甘油的处理,所得发酵液体积大于对照。发酵液体积下降主要是因为发酵前期红曲菌生长代谢旺盛,对水分消耗量较大,且菌丝体中含水量较高(约为80%)。发酵过程中出现发酵液体积轻微上升可能是因为菌丝体自溶造成的[24]。通过监测发酵液的体积,可以从侧面了解红曲菌的生长情况,也是对已有研究结果的验证。
2.2 甘油对红曲菌发酵过程中甘油代谢关键酶酶活的影响
2.2.1 甘油对红曲菌发酵过程中甘油脱氢酶酶活的影响 采用分光光度法检测发酵过程中甘油对红曲菌发酵过程中甘油脱氢酶酶活的影响,每3d取样1次,结果如图4所示。
  A胞外酶活                 B胞内酶活
图4 甘油对红曲菌发酵过程中甘油脱氢酶酶活的影响
由图4可知,胞外酶活显著低于胞内酶活(p<0.05),说明甘油脱氢酶主要存在于胞内,这与已有的文献报道相符[18,25]。由图4B可知,发酵过程的前9d,甘油浓度为1g/L和40g/L的处理胞内酶活高于对照和甘油浓度为160g/L的处理中甘油脱氢酶酶活。发酵至第9d以后甘油浓度为160g/L的处理所得甘油脱氢酶的酶活最高。推测在红曲菌生长前期,培养基中甘油浓度为1g/L和40g/L可促进红曲菌的生长及代谢,促使甘油脱氢酶酶活增加。而甘油浓度达160g/L可造成培养基渗透压过高,造成红曲菌生长缓慢[26],红曲菌对甘油的利用速率也较慢,使得发酵前期甘油脱氢酶的酶活较低。随着发酵时间的延长,甘油逐渐被红曲菌利用而浓度下降,此时红曲菌加速对甘油的利用促使酶活增加。另外,由于甘油脱氢酶是甘油转化为生物量或进入氧化代谢途径的关键酶,该酶活的变化反映了红曲菌对培养基中甘油浓度变化的响应[27]。
2.2.2 甘油对红曲菌发酵过程中1,3-丙二醇氧化还原酶酶活的影响 采用分光光度法检测甘油对红曲菌发酵过程中1,3-丙二醇氧化还原酶酶活的影响,每3d取样1次,结果如图5所示。
  A胞外酶活                 B胞内酶活
图5 甘油对红曲菌发酵过程中1,3-丙二醇氧化还原酶酶活的影响

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