Optimization of Decolorization, Separation and Purification Process of Iturin A in Fermentation Broth
伊枯草菌素A(Iturin A)属于环脂肽类抗生素,其独特的两亲性结构赋予其优异的抗菌活性[1-2]。Iturin A对黑曲霉[3]、白色念珠菌[4]、青霉[5]、禾谷镰刀菌[6]等多数真菌具有抑制作用,常应用于植物病害防控领域,用于防治各类植物病原真菌[7-9]。
经有机试剂提取后得到的Iturin A粗提物含有植物蛋白、色素及多糖等杂质,需进一步纯化才能得Iturin A。目前Iturin A分离纯化方法主要包括溶剂萃取法[10]、大孔吸附树脂法[11-12]、硅胶柱层析法等[13-14]。如Zhang Dongliang等[15]利用CaCl2与Na2HPO4作为凝集剂,结合乙醇凝集获得高纯度表面活性肽,但所使用的发酵培养基营养单一、产量低,该方法不适合从复杂发酵培养基中分离纯化Iturin A;Dhanarajan等[12]研究表明,通过大孔树脂纯化策略纯化后,Iturin A纯度仅为68.3%;何强[16]运用离子树脂和大孔树脂层析方法分离纯化天然脂肽,但Iturin A、Surfactin等脂肽类物质难以被离子交换树脂吸附,难以采用该方法实现有效分离;Yuan Yuan等[17]利用大孔树脂纯化发酵产物,经核磁共振鉴定为伊枯草菌素同系物。
本研究以乙醇浸提液为基础,通过构建“活性炭脱色-正丁醇萃取-大孔树脂-硅胶柱精制”梯度纯化新工艺,以期为Iturin A规模化制备提供解决方案,为脂肽类化合物分离纯化提供实践指导。
贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)ND 中国典型培养物保藏中心(CCTCCM 2020983)。
胰蛋白胨、酵母粉、活性炭、豆粕粉(均为分析纯) 北京索莱宝科技有限公司;氯化钠、L-谷氨酸钠、七水合硫酸镁、磷酸二氢钾、七水合硫酸亚铁、乙酸铵、一水合硫酸锰、五水合硫酸铜(均为分析纯) 天津盛奥科技有限公司;Iturin A标准品(色谱纯≥95%) 美国Sigma公司;HZ816型大孔树脂、HP-20型大孔树脂、X-5型大孔树脂(均为分析纯) 郑州和成新材料科技有限公司;甘油、二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、正丁醇、甲醇(均为分析纯) 天津市富宇精细化工有限公司;甲醇、乙腈(均色谱纯) 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;硅胶(生化试剂,200~300目)青岛海洋化工厂;实验用水为蒸馏水。
LB液体培养基:胰蛋白胨10 g、酵母粉5 g、NaCl 10 g(配制固体培养基时加琼脂18 g)、蒸馏水1 L,121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。
发酵培养基:豆粕粉120 g、酵母浸粉16 g、L-谷氨酸钠1 g、甘油70 mL、七水合硫酸镁0.5 g、磷酸二氢钾1.0 g、七水合硫酸亚铁0.15 mg、一水合硫酸锰5 mg、五水合硫酸铜0.16 mg,pH 8,蒸馏水1 L,121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。
PHS-25 pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;1200高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)仪(配备可变波长检测器) 美国安捷伦公司;UV-1000紫外-可见分光光度计 翱艺仪器(上海)有限公司;MULTIFUGE X3R高速冷冻离心机 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;EYEL4旋转蒸发蒸仪 东京理化器械株式会社。
1.3.1 Iturin A粗提物制备
将B. velezensis ND接种于LB固体培养基,37 ℃培养12 h后挑取单菌落转接至LB液体培养基,37 ℃、180 r/min培养19~20 h;随后以10%(V/V)接种量接入装有30 mL发酵培养基的250 mL锥形瓶中,30 ℃、180 r/min发酵5 d,获得Iturin A发酵液,将发酵液调至pH 3后,4 ℃静置1 h,10 000 r/min离心15 min收集沉淀,采用初始发酵液与无水乙醇(1∶7,V/V)重悬,76.5 ℃浸提72 min,再次经10 000 r/min离心15 min后收集上清液,最后在50 ℃、-0.1 MPa条件下旋蒸浓缩旋干,制得Iturin A粗提物,备用。
1.3.2 Iturin A含量测定
样品中Iturin A含量测定参照Tang Zhongmin[18]、石举然[19]等的方法进行。采用HPLC法测定Iturin A含量。色谱条件:ZORBAX SB-C18色谱柱(150 mm× 4.6 mm,5 μm)。流动相为10 mmol/L乙酸铵-乙腈(65∶35,V/V),流速1.0 mL/min,检测波长210 nm。样品用甲醇溶解,涡旋振荡10 min,经0.22 μm微孔滤膜过滤后,按上述方法测样品峰面积。根据标准曲线方程计算样品中Iturin A含量。
1.3.3 脱色率、回收率、纯度、吸附率及解吸率测定
使用紫外-可见分光光度计测量Iturin A脱色前后297 nm波长处吸光度,根据式(1)计算脱色率,测定每次处理前后的Iturin A质量,按照式(2)计算回收率:

式中:A0为脱色前吸光度;A1为脱色后吸光度;m0为 处理前Iturin A质量/g;m1为处理后Iturin A质量/g。
按式(3)计算纯度:
式中:m2为处理后样品质量/g。
分别按式(4)(5)计算吸附率与解吸率:

式中:m3为原始样液中Iturin A质量/g;m4为吸附后溶液中的Iturin A质量/g;m5为解吸后溶液中的Iturin A 质量/g。
1.3.4 熵权法计算加权综合评分
采用熵权法对脱色率与回收率、纯度与回收率进行客观赋权与综合评价。熵权法是一种基于信息熵理论的客观赋权方法,首先,对脱色率与回收率或纯度与回收率的原始数据进行标准化处理;其次,计算各指标的信息熵与差异系数;最后,根据差异系数确定各指标的客观权重,并据此计算各工艺的加权综合评分。该方法完全由数据驱动,可避免主观设定权重可能带来的偏差,从而保证评价结果的客观性与科学性[20]。
1.3.5 活性炭脱色工艺优化
为系统优化活性炭对Iturin A粗提液的脱色工艺,本研究采用经典单因素试验法,取Iturin A粗提物,加适当蒸馏水充分溶解得到Iturin A提取液,分别考察活性炭用量、脱色温度、脱色时间、脱色pH值4个因素对Iturin A提取液脱色率、Iturin A回收率的影响,在确定某一因素的最优水平后,将其固定为后续因素考察的基准条件。固定脱色时间30 min、脱色温度50 ℃、pH 8、考察活性炭用量(0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%,以提取液质量计)对Iturin A提取液脱色率和Iturin A回收率的影响;固定活性炭用量1%、脱色温度50 ℃、pH 8,考察脱色时间(10、20、30、40、50、60、70 min)对Iturin A提取液脱色率和Iturin A回收率的影响;固定活性炭用量1%、脱色时间40 min、pH 8,考察脱色温度(20、30、40、50、60、70、80 ℃)对Iturin A提取液脱色率和Iturin A回收率的影响;固定活性炭用量1%、脱色时间40 min、脱色温度40 ℃,考察脱色pH值(2、3、4、5、6、7、8)对Iturin A提取液脱色率和Iturin A回收率的影响[21-22]。
1.3.6 溶剂萃取工艺优化
利用Iturin A在有机试剂和水中的分配特性不同,将脱色后提取液分别与有机试剂(二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、正丁醇)按4∶1(V/V)混合,振荡萃取静置30 min,利用分液漏斗进行分离,计算样品的回收率、纯度,获得萃取效果最优的有机试剂。最终选择工艺为脱色后处理液∶最优萃取剂=4∶1(V/V),连续萃取3次,合并有机相,计算总纯度、总回收率[23]。
1.3.7 大孔树脂纯化工艺优化
将3种树脂(HZ816、HP-20、X-5)浸入95%乙醇中过夜,并用超纯水冲洗至不含乙醇,分别用100 mL 5%(V/V)HCl和5%(V/V)NaOH溶液冲洗,使用超纯水洗脱,使pH值中性。大孔吸附树脂物理性质见表1。
表1 大孔树脂型号及其参数
Table1 Types and parameters of macroporous resins

型号平均孔径/Å粒径/mm类别比表面积/(m2/g)HZ816100~1200.315~1.25非极性≥680 HP2075~800.315~1.25非极性≥500 X-5290~3000.315~1.25非极性500~600
称取2.0 g预处理后的HZ816、HP20和X-5大孔树脂于250 mL锥形瓶中,与在最佳脱色条件下获得的25 mL提取液混合,120 r/min、25 ℃持续摇动锥形瓶24 h。达到平衡后,将提取物与树脂分离,然后在相同振荡条件下用25 mL 100%甲醇解吸树脂24 h。比较不同大孔树脂之间的吸附率、解吸率。基于此,考察萃取后提取液pH值(4、5、6、7、8、9)、解吸液甲醇体积分数(50%、60%、70%、80%、90%、100%)、解吸液pH值(4、5、6、7、8、9)对目标物解吸率的影响,实验中使用的树脂质量为2 g,吸附和解吸温度固定为25 ℃,振荡速率120 r/min。
1.3.8 HZ816大孔树脂与硅胶柱层析分离Iturin A
采用HZ816大孔树脂(3 cm×30 cm),柱体积50 mL,上样前调节样液pH值至8,上样体积2 BV,流速1 mL/min,依次用2.4 BV水、2.4 BV 50%甲醇、2 BV 90%甲醇梯度洗脱,收集洗脱液20 mL/管,减压蒸馏浓缩旋干,测每管中Iturin A含量,计算样品回收率和纯度,合并高纯度组分。
采用硅胶柱(200~300目、3 cm×30 cm),柱体积50 mL(乙酸乙酯平衡),上样后采用乙酸乙酯-甲醇(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、1∶1,V/V)流动相分别进行洗脱,每个比例洗脱6 BV,并以每50 mL为一个馏分进行收集[1,24]。所有馏分均经HPLC在210 nm波长下进行分析,确定可洗脱出Iturin A为洗脱目标成分的最佳比例为1∶1。采用硅胶柱(200~300目、3 cm×30 cm),柱体积50 mL(乙酸乙酯平衡),上样后依次用2.8 BV乙酸乙酯∶甲醇=3∶2(V/V)、4.8 BV乙酸乙酯∶甲醇=1∶1(V/V)、2 BV乙酸乙酯∶甲醇=2∶3(V/V)、2 BV甲醇洗脱剂分段洗脱,收集洗脱液 20 mL/管,减压浓缩以蒸干洗脱剂,然后用甲醇溶解,定容至合适的体积,测定每管中Iturin A含量,计算样品回收率和纯度,合并高纯度组分。
所有实验均重复进行3次操作,利用Origin 2025软件对各组数据进行描述性统计分析、绘图,利用Excel软件对分离纯化数据进行处理,计算综合评分。
2.1.1 活性炭脱色条件单因素试验结果
如图1a所示,活性炭用量对脱色率与Iturin A回收率呈现竞争性吸附效应。脱色率随用量增加呈先升后降趋势,在1.0%时达到峰值,超过该用量因吸附位点饱和导致吸附效率下降;而Iturin A回收率在活性炭用量大于1%时,由于其对目标产物的不可逆结合增强而显著降低。基于熵权法计算加权综合评分,脱色率与回收率的客观权重分别为50.21%和49.79%。基于此权重计算活性炭用量0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的加权综合评分分别为0.231 5、0.244 2、0.269 6、0.254 7、0.240 9、0.232 2、0.226 9。活性炭用量为1.0%时,综合评分最高,可实现脱色率(52.37%)与回收率(72%)的协同优化。


图1 Iturin A提取液脱色工艺条件单因素试验结果
Fig.1 Single-factor test results ofdecolorization conditions foriturinAextract
如图1b所示,脱色过程呈现典型吸附-解吸动态平衡。脱色率在10~40 min缓慢上升,40 min达峰值后因色素解吸加速而下降;而Iturin A回收率由于活性炭对环脂肽的非特异性吸附增强及吸附稳定性提升,因此随脱色时间延长而持续降低(10~70 min下降16.44%)。基于熵权法计算加权综合评分,脱色率与回收率的客观权重分别为50.09%和49.91%。基于此权重计算脱色时间10、20、30、40、50、60、70 min的加权综合评分分别为0.243 2、0.247 7、0.252 8、0.256 2、0.230 5、0.221 3、0.216 0。脱色40 min时综合评分最高,此时脱色率为54.57%、回收率为82.22%。
如图1c所示,在20~40 ℃区间,由于热运动加速色素分子扩散与碰撞效率,脱色率随温度升高显著提升(增幅20%);40 ℃时脱色率(63.98%)与Iturin A回收率(90.22%)同时达到最高。温度高于60 ℃后,脱色率因活性炭孔隙坍塌而下降,同时Iturin A回收率降低,表明肽键发生热降解。基于熵权法计算加权综合评分,脱色率与回收率的客观权重分别为50.47%和49.53%。基于此权重计算脱色温度20、30、40、50、60、70、80 ℃的加权综合评分分别为0.220 4、0.253 2、0.264 6、0.261 7、0.254 1、0.244 8、0.236 8。发现40 ℃时综合评分最高,此时脱色率为63.98%、回收率为90.22%。
如图1d所示,在pH<4时,活性炭表面高正电荷密度通过强静电作用实现高效色素脱除,但导致带正电的Iturin A回收率受限;随着pH值升至4~6,色素吸附机制转向疏水相互作用主导,使脱色率趋于稳定(63%左右),同时Iturin A电性转为弱负电,与带正电活性炭的静电排斥增强,推动回收率提升;在pH>7时,色素胶体稳定性破坏引发的疏水效应促使脱色率回升至64%以上,而Iturin A与活性炭表面强负电荷间的静电排斥作用使产物回收率突破89%。基于熵权法计算加权综合评分,脱色率与回收率的客观权重分别为49.40%和50.60%。基于此权重计算脱色pH 2、3、4、5、6、7、8的加权综合评分分别为0.233 5、0.233 0、0.264 9、0.268 7、0.271 1、0.291 7、0.292 7,脱色pH 8时综合评分最高,因此最终确定脱色pH 8为最优。
综上,以活性炭用量1%、脱色时间40 min、脱色温度40 ℃、脱色pH 8进行Iturin A提取液脱色处理,可得脱色率为65.37%,回收率为89.48%。
2.1.2 溶剂萃取工艺的优化
如表2所示,以正丁醇∶水(4∶1,V/V)为萃取体系可高效富集水相多肽。单次萃取纯度达24.50%、回收率59.27%,优于二氯甲烷、乙酸乙酯及正己烷(纯度< 4%、回收率<1%)。经3次连续萃取[25],Iturin A总收率达92.98%(与脱色工艺累计回收率为83.19%),合并纯度为19.23%(较初始提升约4.9倍)。尽管后续萃取纯度递减(2次16.8%、3次9.8%),但萃取3次后总回收率可达90%以上。综上,正丁醇体系在Iturin A分离中具有较高选择性与较高回收率优势。
表2 萃取试剂及萃取次数对Iturin A纯度与回收率的影响
Table2 Effects of extraction solvent and extraction times on purity and recovery rate ofiturin A

萃取试剂萃取次数纯度/%回收率/%二氯甲烷13.000.85乙酸乙酯10.800.96正己烷10.760.42正丁醇124.5059.27正丁醇216.8024.10正丁醇39.809.60
2.2.1 大孔树脂筛选
如图2a所示,HZ816大孔树脂的静态吸附率(81.56%)与解吸率(80.40%)明显高于HP20、X-5,因此选择HZ816进行后续实验。

图2 大孔树脂纯化工艺优化结果
Fig.2 Optimization results ofthe macroporous resin purification process
2.2.2 大孔树脂纯化工艺条件单因素试验结果
如图2b所示,当pH值从4升至6时,吸附率由83.56%降至71.33%,因Iturin A羧基解离增强导致负电荷密度上升,分子内极性作用促使疏水链折叠、疏水性降低,削弱了与树脂的疏水相互作用;当pH值从6升至9时,吸附率由71.33%回升至82.44%,由于负电荷密度进一步升高引发强烈电荷排斥,使分子构象伸展、疏水链暴露,显著增强疏水性并强化吸附作用。鉴于pH 4(83.56%)与pH 8(82.22%)吸附率接近且均处高位,考虑到大量处理液回调至中性会产生盐分,不利于后续纯化操作,且前期体系pH值接近8,故直接采用浓缩液进行上样处理,以此简化整体工艺。
如图2c所示,甲醇体积分数通过双重作用调控解吸率:甲醇体积分数由70%升至90%时,解吸率从39.84%激增至89.43%,源于洗脱液极性降低竞争性削弱疏水吸附作用,同时Iturin A在甲醇中溶解度上升,二者协同促进目标物质解吸;甲醇体积分数升至100%时,解吸率降至80.76%,因纯甲醇环境导致亲水肽环溶解度下降,且分子间作用增强阻碍有效扩散。因此,确定90%甲醇为最优体积分数,其峰值解吸率达89.43%。
如图2d所示,pH 4~6时解吸率持续上升,因pH>pI时,Iturin A所带负电荷密度增加、分子极性增强,不仅削弱疏水作用,还可提升其在甲醇中的溶解度;pH 6~8时解吸率维持90%左右,此时疏水作用持续减弱与溶解度饱和达成动力学平衡;pH>8后,强碱性环境易形成氢键缔合结构,降低物质溶解性与扩散效率,最终导致解吸率回落。90%甲醇自身pH值(6.5~7.5)恰好处于高解吸率稳定区间(pH 6~8),故无需调节pH值即可直接用作洗脱剂。
2.2.3 大孔树脂柱层析纯化及产物纯度
如图3所示,大孔树脂柱层析洗脱液中Iturin A质量出现2个洗脱峰,第1个峰(0.4~1.6 BV)是由于上样Iturin A 总量略高于该特定条件下大孔树脂的动态吸附载量。因此,一部分Iturin A未能被树脂有效吸附,而是随着蒸馏水直接流出大孔树脂柱。这部分产物在洗脱曲线上形成了1个较早的峰。第2个主峰(6~7.6 BV),当洗脱剂为90%甲醇时,成功吸附在树脂上的Iturin A被解吸附,形成1个洗脱峰,在洗脱液6.4 BV时,Iturin A质量迅速下降。对6~7.6 BV洗脱液进行合并,其纯度由19.23%提升至35.36%,回收率为66.21%。

图3 大孔树脂柱层析动态洗脱曲线
Fig.3 Dynamic elution curve of macroporous resin column chromatography
2.2.4 硅胶柱柱层析纯化及产物纯度
如图4所示,硅胶柱层析纯化后的Iturin A周围杂质峰数目及高度明显减少,硅胶柱层析洗脱液中Iturin A质量在2.8~3.6 BV时迅速上升,在3.6~6.0 BV时较为平稳,在6.0 BV后Iturin A质量迅速下降。合并3.2~6.8 BV高纯度组分,得到纯度84.66%、回收率46.91%的Iturin A。

图4 硅胶柱层析纯化工艺优化结果
Fig.4 Optimization results of silica gel column chromatography purification process
2.2.5 基于熵权法的纯化工艺综合评价
为更客观地确定纯度与回收率在综合评分中的相对重要性,进一步采用熵权法进行客观赋权并计算综合评分,结果表明纯度与回收率的客观权重分别为89.49%和10.51%。依托该权重计算得出,正丁醇1次萃取、正丁醇3次萃取和正丁醇3次萃取结合大孔树脂纯化及正丁醇3次萃取结合大孔树脂、硅胶纯化的综合评分分别为0.158 3、0.139 3、0.220 5及0.481 9。从综合得分来看,正丁醇3次萃取结合大孔树脂、硅胶纯化工艺显著优于其他3种方案,也进一步验证了正丁醇萃取-大孔树脂层析-硅胶柱精制3级纯化体系具备良好可行性与实际应用价值。
Iturin A因其独特的分子结构,在抑菌活性和分离难度上形成鲜明对比,其工业化生产长期面临回收率低和成本高的双重挑战。现阶段活性炭脱色已广泛应用于发酵液预处理领域,但针对伊枯草菌素A发酵液的脱色工艺研究仍较为匮乏,本研究首先通过调节活性炭脱色 pH值至8,使Iturin A分子表面羧基充分电离而携带负电荷,与活性炭表面含氧基团产生同电荷排斥效应,成功将脱色率与产物回收率协同优化至65.37%与89.48%。在此基础上,建立正丁醇萃取-大孔树脂层析-硅胶柱精制三级纯化体系:首先采用正丁醇进行3次萃取,使产物纯度从3.91%提升至19.23%,回收率83.19%;利用HZ816大孔树脂的超高比表面积特性与优化孔径结构,通过90%甲醇洗脱,产物纯度增至35.36%,回收率达66.21%;最后通过硅胶柱多梯度洗脱获得纯度为84.66%的产物,回收率46.91%。产物纯度约为初始浸提液的21.4倍(表3)。 与现有方法相比,本工艺可在营养成分复杂的培养基(豆粕质量较高)中获得较高纯度的Iturin A,并具有操作简便、设备要求低等优势,为Iturin A的工业化制备提供思路,可推动Iturin A在农业生物防治[26]、医药开发[27]和食品保鲜[28]等领域的应用。
表3 Iturin A分离纯化工艺过程参数
Table3 Process parameters ofiturin A separation and purification

步骤纯度/%步骤回收率/%累计回收率/%初始提取液3.96100100活性炭脱色后3.9189.4889.48正丁醇萃取后19.2392.9883.19大孔树脂纯化后35.3679.5866.21硅胶柱纯化后84.6670.8646.91
本研究构建了以活性炭脱色、多级纯化联用的Iturin A 高效制备工艺。以脱色率与回收率为双目标,通过正丁醇萃取及梯度纯化,实现纯度从3.91%升至84.66%(约为初始样品的21.4倍),突破现有Iturin A纯度为68.3%瓶颈。在活性炭脱色阶段脱色率65.37%、回收率89.48%;正丁醇萃取纯度升至19.23%、回收率83.19%;HZ816树脂提纯后纯度升至35.36%、回收率66.21%;硅胶柱精制终纯度达84.66%、回收率46.91%。该工艺在保证高纯度的同时兼顾了各阶段的回收率,所建立的工艺流程为Iturin A的规模化制备提供参考。
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