食用菌学报@2016.23(3):61 ̄66 DOI:10.16488/j.cnki.1005—9873.2016.03.012 蛹虫草固体发酵生产虫草素的条件优化 吐尔尼散・吐地 。,张忠 ,唐庆九 ,周 帅 ,刘艳芳¨ ( 上海市农业科学院食用菌研究所,农业部南方食用菌资源利用重点实验室,国家食用菌工程技术研究中心, 国家食用菌加工技术研发分中心,上海市农业遗传育种重点开放实验室,上海201403; 中国药科大学,江苏南京211198) 摘 要:用直径6 cm,高10 cm聚乙烯培养罐固体发酵蛹虫草(Cordyceps militaris),以固体发酵产物中虫草 素含量为指标,从16个蛹虫草菌株中筛选出虫草素含量最高的菌株,考察固体发酵该菌株的培养基组成、培 养时间、培养基装量、料液比、培养温度、接种量和添加物对虫草素含量的影响,得到了有利于蛹虫草固体发酵 产虫草素的培养条件:培养罐装20 g小麦,按小麦干重6%的量分别加入玉米粉和黄豆粉,按料液比1:1.4(w: v,以小麦干重为基准)加入营养液(g/L:2.0 K2HPO4・3H2O,0.5 MgSO4・7H2O,16甘氨酸),培养温度为 26℃,时间46 d,接种量1O%。 关键词:蛹虫草;虫草素;固体发酵 蛹虫草(Cordyceps militaris)又称北虫草、北冬虫夏草,是虫草属的模式菌,分类学上属于肉座菌 目(Hypocreales)、虫草菌科(Cordycipitaceae)、虫草属(Cordyceps)[ 。蛹虫草富含虫草素、腺苷、虫草 酸、虫草多糖和甾醇等多种化学成分,其中虫草素为蛹虫草的主要活性成分之一,具有抗肿瘤、抗衰老、 改善记忆力、抗菌抗炎、抗病毒、调节免疫力、降血糖、抗氧化等功效[2]。目前,人们主要从蛹虫草子实 体或菌丝体中提取纯化获得虫草素。蛹虫草子实体培养时间较长,受各种因素的影响,不同来源的子 实体中虫草素含量差别较大,文献报道的含量在0.03%~0.29%_3]。虽然蛹虫草已实现规模化生产, 但用子实体作为虫草素的来源,价格十分昂贵,这很大程度上限制了虫草素在临床上的广泛使用。研 究发现,蛹虫草固体发酵产物中虫草素含量较子实体中高,其它核苷类成分很少,可作为分离纯化虫草 素的优良原料[3]。目前,小麦和大米是蛹虫草固体发酵的主要培养基 ,而小麦与稻米相比更易得, 价格低廉,且有报道称麦麸、钙、磷、钾及维生素B对虫草素的生物合成具有一定的促进作用 ]。因 此,笔者以小麦为主要基质,研究蛹虫草固态发酵产虫草素的条件,为提高虫草素的生产效率及固体发 酵生产虫草素的工业化提供参考。 1材料与方法 1.1菌株 蛹虫草(C.militaris)供试菌株16个,分别编号为1.16号(原始菌株号依次为:1808、1811、4631、 1810、4632、0152、4633、4634、1812、1809、4635、4636、4638、4639、4640、4641),其中3、5号菌株由昆明 食用菌研究所提供,11号菌株由上海市农业科学院食用菌研究所高君辉副研究员惠赠,其余均由上海 市农业科学院食用菌研究所菌种保藏中心提供。 1.2虫草素含量测定 采用高效液相色谱法测定虫草素含量。Waters 2695高效液相色谱仪,Breeze工作站,2487紫外 检测器(美国Waters公司);色谱柱为AQ-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 rLm);流动相为甲醇(A).水 收稿日期:2016—03—02原稿;2016—04—20修改稿 基金项目:农业部公益性行业专项(201303080)和闵行区科技项目(2014mr1106)资助 作者简介:吐尔尼散・吐地(1988一),女,在读硕士,主要从事食用菌生物发酵与有效成分的分离纯化方面研究。 本文通讯作者E-mail:aliu.1980@163.com 62 食用菌学报 第23卷 (B),梯度洗脱:0—5 min,5%A.95%B;5—15 min,15%A 85%B;15—20 min,25%A.75%B;20— 25 min,25%A一75%B;25—26 min,5%A一95%B;26—35 min,5%A.95%B;流速1 mL/min,柱温 30℃,检测波长254 nm,进样量10 L。以虫草素标准品的进样浓度为横坐标,色谱峰的面积为纵坐 标,绘制标准曲线。 1.3液体菌种制备 将母种接在PDA斜面上,26℃培养8 d。取0.5 cm×0.5 cm的菌块接种到装100 mL液体培养 基(g/L:40葡萄糖,15鱼粉蛋白胨,0.5 KH2PO ,0.5 K HPO ・3H O,0.5 MgSO ・7H。O,pH自然) 的250 mL三角瓶中,26℃,150 r/min振荡培养8 d得一级种。将一级种以10%接种量接种到装 100 mL液体培养基的250 mL三角瓶中,26℃,150 r/min振荡培养6 d,得到蛹虫草液体菌种。 1.4高产虫草素菌株的筛选 称取30 g小麦置于直径6 gill,高10 cm的聚乙烯培养罐中(以下实验均采用该规格培养罐),按小 麦干重的6%加入黄豆粉和玉米粉,即玉米粉和黄豆粉各1.8 g,按1:1的比例(W:v,小麦干重为基准) 加入营养液(g/L:2.0 K2 HPO ・3H2 O,0.5 MgSO ・7H o),聚丙烯透气膜封口,浸泡16~20 h, 121℃灭菌35 min,分别接人16个菌株的液体种,接种量10%(以小麦干重为基准,即3 mL),每个菌 株接6罐,26℃黑暗培养60 d后收集发酵产物,60℃烘干粉碎,测定其虫草素含量,选择虫草素含量最 高的菌株进行以下实验。 1.5培养时间和固体培养基组成的选择 按照不同配方制备固体培养基(表1),置于培养罐中,按1:1的比例(w:v,小麦干重为基准)加入营 养液(30 mL),灭菌、接种等操作同1.4,培养46 d,配方A做30个平行罐,B、c、D、E、F、G配方各做3 个平行罐。在培养第10 ̄46天期间,每4 d取配方A处理的培养罐3罐,收集发酵产物,其余配方处 理在培养结束后收集发酵产物,60℃烘干,粉碎后测定虫草素含量。 表1固体培养基配方 ahble 1 Composition of growth substrates used for C militaris cultivation 配方中均有30 g小麦;“+”代表配方中添加该物质,“一”代表配方中不添加该物质;玉米粉、豆饼粉、蚕蛹粉、奶粉、黄豆粉和蛋清的添加 量为小麦干重的6%,即1.8 g;配方A、B、D、E、F、G中加入30 mL营养液1(g/L:2.0 KzHPO4・3H2O,0.5 MgSO4・7H2o),配方c中 加入30 mL营养液2(g/L:20葡萄糖,2.O KzHP04・3H2O,0.5 MgSO4・7H2o) In addition to 1.8 g of supplement(corn powder,soybean meal,silkworm pupa meal,milk powder,soybean powder or egg whites), each formula also contained 30 g(dry wt)wheat;Thirty mL nutrient solution1(g/L:2.0 K2HPo4・3H20,0.5 MgSO4・7H2o)was added to formulae A,B,E,F and G,and 3O mL nutrient solution 2(g/L:20 glucose,2.0 K2HPO4・3HzO,0.5 MgSO4・7H20) was added to formula C:”By.product after oil extraction from soybeans 1.6培养基装量的选择 在培养罐中分别加入20、3O、50和70 g小麦,按上述实验结果选择虫草素产量高的1个配方添加 其余成分,各成分的添加量为小麦干重的6%,按1:1的比例(W:v,以小麦干重为基准)加入营养液,每 个处理3个平行罐,按1.5的结果选择合适的培养时间,其余操作同1.4,测定不同培养基装量对虫草 素含量的影响,选择合适的培养基装量进行以下实验。 1.7料液比的选择 按上述实验结果在培养罐中加入适量培养基,按料液比1:1、1:1.2、1:1.4(W:V,以小麦干重为基 64 食用0.6 菌学报 第23卷 含量最低;A、B、D、G的虫草素含量没 有显著差异,分别是0.47%、0.49%、 0.45%和0.50%。选择G配方进行以 下实验。 0.5 蜘l互0.4 蓬.薯£ nz O.1 0.O 2.4培养基装量 由图4可知,固体培养基的装量会 影响虫草素的产生。10 d是蛹虫草菌 丝长满期,发酵46 d后,20 g装量组中 培养基的虫革素含量最高,为0.45%, 与其它3组相比差异显著,因此选择 20 g进行以下实验。 2.5料液比 A B C D E F G 培养基配方Cultivation subs ̄ate 不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著 Values are the means±SD of three replicates:different lower case letters indicate a significant difference at P<0.05:other footnotes as in Table 1 图3不同培养基配方对菌株14虫草素含量的影响 Fig.3 Effect of cultivation substrate on cordycepin production by C militaris strain 14 图5为料液比对虫草素的含量的影响。料液比1:1.4时虫草素含量最高,因此选择该料液比进 行以下实验。 O.5 不同小写字母表示在P<O.05水平差异显著;I~Ⅳ:培养基 中分别加入20、3O、5O、7O g小麦,玉米粉、黄豆粉添加量为小 麦重量的6%。营养液添加量分别为2O、3O、5O、70 mL(g/L: 2.0 K2HP04・3H2O,0.5 MgS04・7HzO) Polyethylene culture bottles(diameter 6 cm,height 10 cm) contained:(I)20 g wheat,1.2 g corn powder,1.2 g soybean 0.4 {0—3 彗’:l o‘ 0.1 O.0 一 一崔 lu。 口一 。』( 。rJ删舡懈褂茸 powder,20 mL nutrient solution(g/L:2.0 KzHP04・3HzO, O.5 MgSO4・7H2O);(II)30 g wheat,1.8 g corn powder, 1.8 g soybean powder,30 mL nutrient solution;(III)5O g wheat,3.0 g corn powder,3.0 g soybean powder,50 mL nutrient solution;(IV)7O g wheat,4.2 g corn powder,4.2 g I Ⅱ Ⅲ Ⅳ soybean powder,70 mL nutrient solution.Other cultivation 培养基装量T0tal weight of medium conditions as in Fig.2 图4 固体培养基装量对菌株14虫草素含量的影响 Fig.4 Effect of substrate weight in cultivation vessel on cordycepin production by C.militaris strain 14 2.6培养温度 0.5 图6为培养温度对虫草素含量的影响。26℃适 0.4 合于虫草素的产生,而温度太高或太低都不利于虫草 O.3 素的产生。 2.7接种量 O2 图7表明各接种量处理间虫草素含量无显著性 差异,从经济角度考虑,接种量选择10%。 2.8培养基中添加前体化合物对虫草素产量的影响 图8的结果表明,在培养基中添加一定浓度的甘氨 O.1 0.O 1:l 1:1.2 1:1.4 料液比%lid:liquid ratio 酸和腺嘌呤可提高蛹虫草发酵物中的虫草素含量,和未 添加前体化合物的处理相比,在实验浓度范围内,当营 养液中甘氨酸添加浓度为8、16和20 g/L时,发酵物中 不同小写字母表示在P<O.05水平差异显著 Values are the means±SD of three replicates;different lower case 1etters indicate a significant difference at P< 0.05;Solid(dry weight of wheat):liquid(volume of nutrient solution)ratio;Cultures grown for 46 d on medium G(20 g wheat,1.2 g corn powder,1.2 g soy・ bean powder) 虫草素含量都得到提高,其中16 g/L的处理虫草素 含量最高,与对照相比提高了107%,而营养液中腺嘌 呤的添加浓度为0.05 g/L时虫草素含量显著提高, 其它处理均不能显著提高虫草素含量。 图5料液比对菌株14虫草素含量的影响 Fig.5 Effect of solid:liquid ratio on cordycepin production by C militaris strain 14 第3期 吐尔尼散・吐地,等:蛹虫草固体发酵生产虫草素的条件优化 65 一 lu∞lu。。 Id 。hpJor】咖扣憾抖茸 叭 一 岩尝。 =Id pI。r)删如懈料茸 16 21 26 32 10 20 3O 4O 5O 培养温度Cultivation temperature(℃) 接种量Inoculum size(%) 不同小写字母表示在P<O.05水平差异显著 不同小写字母表示在P<O.05水平差异显著 Values are the means±SD of three replicates:different lower Values are the means±SD of three replicates;different lower case letters indicate a significant difference at P<0.05 case 1etters indicate a significant difference at P<0.05 Medium:20 g wheat,1.2 g corn powder,1.2 g soybean Medium:20 gwheat,1.2 g corn powder,1.2 g soybean powder, powder,28 mL nutrient solution(g/L:2.0 KzHPO4・3H2O, 28 mL nutrient solution(g/L):2.0 K2HPO4・3Hz O,0.5 0.5 MgSO4・7Hzo);solid:liquid ratio 1:1.4 MgSO4・7H20);solid:liquid ratio 1:1.4;temperature 26℃ 图6 培养温度对菌株14虫草素含量的影响 图7接种量对菌株14虫草素含量的影响 Fig.6 Effect of cultivation temperature on Fig.7 Effect of inoculum size on cordycepin cordycepin production by C.militaris strain 14 production by C.militaris strain 14 0.7 O.6 一 置尝。_lu一争。hpJ。r】 姐 擗茸 ¨ ∞ 0.叭 ∞ 5 o.4 ●■●●■■ 0.3 ●■■In2 0.1 ●■■●InO 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll l2 l3 l4 l5 ●■●●■■ 添加物Supplement 不同小写字母表示在P<O.05水平差异显著;营养液中添加的前体化合物及其浓度:0为对照,1~5分别为1、4、8、16和20 g/L甘氨 酸,6~10分别为0.05、0.1、0.5、1和2 g/L腺嘌呤,l1~15分别为O.1、0.2、0.25、0.5和1 g/L腺苷 ●■■■I Values are the means±SD of three replicates;different lower case letters indicate a significant difference at P<O.05 Medium:20 g wheat,1.2 g corn powder,1.2 g soybean powder,28 mL nutrient solution,solid:liquid ratio 1:1.4,cultivation temperature 26℃,inoculum size 1%.Supplement:[O],none(contro1);[1—5],1,4,8,16 and 20 g/L glycine,respectively;[6- 10],0.05,0.1,0.5,1 and 2 g/L adenine,respectively;[-11—15],0.1,0.2,0.25,0.5 and 1 g/L adenosine,respectively 图8前体化合物对菌株14虫草素含量的影响 Fig.8 Effect of substrate supplements on cordycepin production by C militaris strain 14 3讨论 虫草素是蛹虫草的次生代谢产物,虫草素的快速累积需要一定的时间、碳氮源、氧气和前体化合 物。本实验通过测定不同发酵时间内固体培养基中虫草素含量的结果发现,培养基中的虫草素含量在 前期一直处于较低的水平,随发酵时间增加,不断积累到一定值。培养罐中培养基装量对虫草素的含 量有显著影响,随着培养基装量增多,虫草素含量下降,可能因为培养基装量多的处理,培养罐中的空 气流通相对较少,不利于虫草素的产生。虫草素的前体化合物种类很多,本研究发现,合适浓度的甘氨 酸和腺嘌呤对虫草素的产生有促进作用。在实验过程中发现,随着菌株传代次数的增加,菌株活力下 降,导致虫草素产量的下降。在菌株发酵时间的确定试验中,虫草素含量最高值在46 d左右,而从培养 基装量实验开始,虫草素产量有所下降,这可能与菌株功能的退化有关,所以在实际生产过程中应减少 菌株的传代次数,保证菌株的最优状态。 66 食用菌学报 第23卷 参考文献 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Optimization of Selected Parameters Affecting Cordycepin Production by Cordyceps mili taris During Cultivation on Solid Substrates TUDI・Tuernisan 1,2,ZHANG Zhong ,TANG Qingjiu ,ZHoU Shuai ,LIU Yanfang [ Institute of Edible Fungi,Shanghai Academy of Agricultural Sciences;Key Laboratory of Edible Fungi Resources and Utilization(South),Ministry of Agriculture,P.R.China;National Engineering Research Center of Edible Fungi;National ROD Center for Edible Fungi Processing;Key Laboratory of Agricultural Genetics and Breeding of Shanghai,Shanghai 201403,China; China Pharmaceutical University, Nanjing,Jiangsu 211198,China] Abstract:Cordyceps militaris strain 14 produced the highest amounts of cordycepin among 16 test strains when grown at 26℃for 60 d in polyethylene culture bottles(diameter 6 cm,height 10 cm)containing 30 g wheat,1.8 g corn powder,1.8 g soybean powder and 30 mL nutrient solution(g/L:2.0 K2HPO4。3H2O, 0.5 MgSO4・7H2 0).Selected parameters(cultivation time,substrate composition,weight of substrate in the cultivation bottle,solid—liquid ratio,cultivation temperature and inoculum size)affecting eordycepin production by this strain were then optimized using monofactorial analysis.Highest cordycepin levels in the cultivation substrate were recorded when polyethylene culture bottles containing 20 g wheat,1.8 g corn powder.1.8 g soybean powder,and 1.4 volumes of a nutrient solution consisting of(g/L)2.0 K2HPO4。3H20, 0.5 MgSO4・7H2 O and 16.0 glycine,were seeded with a 10%inoculum of C.militaris strain 14 and incubated at 26℃for 46 d. Key words:Cordyceps militaris;cordycepin;solid—state culture [本文编辑] 朱丽娜