肉桂链轮丝菌产微生物转谷氨酰胺酶的生物反应器条件优化及酶学特性研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Characterisation and optimisation of microbial production of transglutaminase produced by Streptoverticillium cinnamoneum

　　本研究针对微生物转谷氨酰胺酶(MTG)生产成本高的问题，通过响应面法(RSM)优化了肉桂链轮丝菌(Streptoverticillium cinnamoneum)KKP 1648在生物反应器中的发酵条件。结果表明在pH 6.5、氮源2.75%、培养72小时条件下，酶活达到4.29±0.08 U/mL，经硫酸铵沉淀后提升至22±0.05 U/mL。该酶在pH 5.0-9.0和20-37°C范围内保持稳定，为食品工业中低成本生产MTG提供了新策略。

　　

在食品工业的创新发展浪潮中，蛋白质修饰技术正扮演着越来越重要的角色。微生物转谷氨酰胺酶(Microbial Transglutaminase, MTG)作为一种能够催化蛋白质分子间形成异肽键的关键酶制剂，通过连接谷氨酰胺和赖氨酸残基，显著改善肉制品、烘焙食品和乳制品的质构特性。这种酶不仅能增强产品的凝胶性、乳化性和持水性，还能减少脂肪和稳定剂的添加量，从而降低生产成本。然而，传统的MTG生产方法面临成本高、效率低的挑战，特别是从动物组织中提取的酶存在伦理问题和钙离子依赖性等限制。

目前，微生物来源的MTG因其不需钙离子激活的优势而受到青睐，但工业化生产仍存在优化空间。特别值得关注的是，如何利用工农业副产品作为培养基组分，既降低生产成本又实现废物资源化，成为研究者面临的重要课题。在这一背景下，华沙生命科学大学的研究团队将目光投向了肉桂链轮丝菌(Streptoverticillium cinnamoneum)KKP 1648菌株，希望通过系统优化生物反应器培养条件，实现MTG的高效生产。

本研究采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)对发酵条件进行精确优化，重点考察了氮源添加量、初始pH和培养时间三个关键参数。研究人员设计了包含可溶性淀粉、Aminobak、废玉米浆、酵母提取物和矿物盐的培养基配方，在28°C、200 rpm转速和2.0 vvm通气量的生物反应器中进行培养。通过Box-Behnken实验设计，建立了酶活性与各因素之间的数学关系模型，为工业化生产提供了理论依据。

在技术方法方面，研究团队主要运用了以下关键技术：首先采用生物反应器培养技术进行菌体扩增和酶生产；通过离心分离获得粗酶液后，使用超滤浓缩和硫酸铵沉淀进行酶蛋白的初步纯化；采用Lowry法测定蛋白质含量，SDS-PAGE分析酶分子量；最后通过分光光度法系统评估了酶的温度稳定性、pH稳定性和时间稳定性等生化特性。

优化生物反应器中微生物转谷氨酰胺酶的生产条件

通过Box-Behnken实验设计，研究人员发现氮源添加量、培养时间和初始pH的交互作用显著影响MTG产量。响应面分析表明，在72小时培养时间下，pH 6.5和2.75%氮源剂量组合能获得最大酶活性(约5 U/mL)。模型预测值与实验测定值高度吻合(R²=95.34%)，证实了优化结果的可靠性。

生物反应器培养参数的验证

在最优条件下(pH 6.5、氮源2.75%、72小时)，生物量产量达到14.62±0.56 g/L，MTG活性为4.29 U/mL。超滤浓缩后酶活性提升至10.87 U/mL，特异性活性从0.7 U/mg增加到1.2 U/mg。硫酸铵沉淀进一步将酶活性提高至22 U/mL，特异性活性达1.64 U/mg，表明纯化策略的有效性。

转谷氨酰胺酶的生化特性表征

SDS-PAGE显示酶分子量为43 kDa，与常见微生物来源的MTG一致。时间稳定性测试表明酶活性在28°C下120分钟达到峰值(5.54 U/mL)。温度稳定性分析显示酶在20-37°C保持稳定，50°C时活性下降75%，60°C完全失活。pH稳定性研究表明酶在pH 5.0-9.0范围内保持活性，最适pH为7.0。

本研究成功建立了肉桂链轮丝菌KKP 1648产MTG的优化工艺，证实了废玉米浆作为氮源的有效性，为降低生产成本提供了可行方案。酶的宽pH稳定性和适中温度适应性表明其具有良好的工业应用前景。与文献报道的其他菌株相比，本研究所获MTG的活性(4.29 U/mL)显著高于Streptomyces thioluteus(0.135 U/mL)和Bacillus nakamurai(3.95 U/mL)，展示了菌株优势。研究结果不仅为食品工业提供了高效的酶制剂生产方案，也为工农业废弃物的资源化利用开辟了新途径，符合循环经济发展理念。未来研究可进一步探索MTG在肉类重组、奶酪生产和可生物降解包装材料等领域的实际应用价值。