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胖安
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1 , Vol., No. 食品科学生物工程响应面法优化富铬灵芝发酵培养基张帅, 董基, 黄志明 ( 肇庆学院化学化工学院, 广东肇庆 ) 摘要 : 通过单因素试验确定富铬灵芝发酵培养基中 CrCl H O 添加量的适宜范围, 并由 Placett-Burman 设计筛选出对灵芝菌体铬总含量影响显著的种培养基组分 :CrCl H O 黄豆饼粉和玉米粉继而采用最陡爬坡试验逼近最大响应区域后, 通过中心组合设计的响应面试验建立以铬总含量为响应值的二次回归模型, 最终得到最优发酵培养基组成为 :CrCl H O.mg/L 黄豆饼粉.g/L 玉米粉.g/L 蔗糖 g/l VB.g/L NH Cl.g/L MgSO H O.g/L KH PO.g/L, 在此条件下测得铬总含量为.μg/L, 与预测值.μg/L 非常接近, 说明预测模型适用可靠, 可应用于富铬灵芝发酵培养基的优化关键词 : 富铬灵芝 ; 发酵培养基 ; 优化 ;Placett-Burman 设计 ; 中心组合设计 ; 响应面法 Optimization of Fermentation Medium for Chromium-enriched Ganoderma lucidum by Response Surface Methodology ZHANG Shuai,DONG Ji,HUANG Zhi-ming (College of Chemistry and Chemical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing, China) Abstract:In the current study, the appropriate concentration range of CrCl H O in the fermentation medium for chromiumenriched Ganoderma lucidum was established by one-factor-at-a-time design. CrCl H O, soybean cae powder and corn meal were identified by Placett-Burman (PB) design as main medium components that influence the total chromium content of G. lucidum mycelia and the steepest ascent method was used to approach the neighborhood of the optimum. A quadratic regression model with the total chromium content of G. lucidum mycelia as the dependent variable was established by central composite design (CCD). The optimum fermentation medium composition was determined by response surface analysis as. mg/l CrCl H O,. g/l soybean cae powder,. g/l corn meal, g/l sucrose,. g/l VB,. g/l NH Cl,. g/l MgSO H O and. g/l KH PO. The measured value of total chromium content was. μg/l under the optimal conditions, which was well consistent with the predicted value of. μg/l. Hence the prediction model was available and reliable for the optimization of fermentation medium for chromium-enriched G. lucidum. Key words:chromium-enriched Ganoderma lucidum;fermentation medium;optimization;placett-burman (PB) design;center composite design;response surface methodology (RSM) 中图分类号 :TQ. 文献标志码 :A 文章编号 :-()-- doi:./spx-- 铬 (Ⅲ) 是葡萄糖耐量因子 (glucose tolerance factor,gtf) 的中心活性成分, 能协助胰岛素维持正常糖耐量 [], 人体缺铬会产生葡萄糖脂肪蛋白质代谢障碍, 引起糖尿病动脉粥样硬化冠心病末梢神经炎近视眼等多种疾病 [] 人体对铬的吸收能力与铬的化学形式密切相关, 其中对无机铬的吸收范围一般在.%~%, 而对有机铬的吸收和利用能力则超过无机铬倍 [] 因此, 利用生物资源将无机铬转化为有机铬从而制成补铬食品或药品, 来满足糖尿病患者等特殊人群的需要, 已成为一条非常有效的途径灵芝是一种名贵的食 ( 药 ) 用真菌, 含有多种氨基酸生物碱活性多糖及三萜类化合物等生物活性成分, 具有增强免疫力调节血糖抗肿瘤护肝等生理功能 [] 灵芝具有较强的富集微量元素能力, 尤其是通过发酵法以菌丝体富集, 不仅富集率高, 且可大大缩短培养周期, 适于工业化生产 [] 目前, 灵芝富集微量元素的研究主要集中在富硒锌锗等方面 [-], 而在富铬方面鲜见报道, 仅杨志孝等 () [] 通过单因素试验考察了不同铬浓度的培养液对灵芝菌体的生长和富铬程度的影响为了最大程度提高灵芝菌体富铬能力, 有必要对其发酵培养基组成进行优化由于单因素试验未考虑各因素间的交互作用, 故无法提供未考察区域的信息, 以及进行预测和控制响应面法可同时对多因素水平及其交互作用进行优化与评价, 并能快速有效地确定多因素系收稿日期 :-- 作者简介 : 张帅 ( ), 男, 讲师, 硕士, 研究方向为食品发酵 Chinazhsh@gmail.com

2 , Vol., No. 统的最优条件[] 本研究利用Placett-Burman设计对影响素另加个虚拟因子作为误差分析每个因素分别确灵芝菌体铬总含量的培养基组成进行考察和评价对筛定高() 低( )两水平共进行次试验根据试验数选到的重要因素进行中心组合设计试验通过试验数据据拟合出一阶回归模型 Y = a + ai Xi 式中 Y为预测拟合响应面模型对模型进行数学处理得到最优的发 i= 响应值即铬总含量(μg/L) a 为常数项 a i 为偏回归系酵培养基组成数 X i 为各因素编码水平值它与因素真实值x i 的关系. 为 Xi = (xi xi)/δi xi为因素零水平处的真实值 Δi为材料与方法因素变化区间 Δi =(xi xi)/ xi和xi分别为因素上下水平的真实值材料试剂与培养基赤灵芝(Ganoderma lucidum) 院食品微生物实验室保藏 CrCl H O 设计PB试验因素水平如表所示高水平为低水平的肇庆学院化学化工学上海化学试剂有限公司其他试剂.倍(CrCl HO的高水平是低水平的.倍) 进行PB试验设计每轮试验重复次 Y取均值均为国产分析纯表斜面培养基 PDA培养基种子液培养基马铃 Table 薯(去皮)g 麸皮g 蔗糖g (NH ) SO.g MgSO H O.g KH PO.g ph. 发酵培养基按Placett-Burman(PB)试验设计表配制... 方法培养条件将斜面菌种接入种子液培养基中 r/min ml三角瓶装液ml r/min培养h[] 分析方法铬含量的测定原子吸收法参照文献[]测定菌体因素编号玉米粉/(g/L) 蔗糖/(g/L) 黄豆饼粉/(g/L) NHCl/(g/L) MgSO HO/(g/L) X X X X X X X X X X KHPO/(g/L) VB/(g/L) CrCl HO/(mg/L) 虚拟因子培养h后以体积分数%接种量接入发酵培养基中.. PB试验因素与水平设计 Factors and levels for PB design.. 中的铬含量水平最陡爬坡试验响应面拟合模型只有在考察的紧邻区域里才能充分生物量的测定于r/min离心发酵液min 分离近似真实情况故应先逼近最大响应区域后再建立有效沉淀物并用去离子水洗涤次收集菌体烘干至恒的拟合模型 [] 最陡爬坡法以试验值变化的梯度方向为质量后称其质量换算成L菌液的菌体量爬坡方向根据各因素效应值的大小确定变化步长能铬总含量/(μg/L)=生物量/(g/L) 铬含量/(μg/g)... 试验设计单因素试验快速经济地逼近最大响应区域[] 根据PB试验筛选影响铬总含量的重要因素的结论做最陡爬坡试验.. 响应面试验由于铬具有一定毒性当培养基铬质量浓度过高时在PB试验结果基础上在最陡爬坡试验确定的区会抑制菌体的生长和代谢同化铬到菌体内的代谢作用也域内以铬总含量为响应值设计响应面试验 [] 由试会受到抑制因此首先通过单因素试验考察铬添加量对灵验数据拟合得一描述响应变量与自变量关系的二阶回芝菌体富铬的影响在发酵培养基中添加玉米粉g/L 归模型蔗糖g/L 黄豆饼粉g/L NHCl g/l MgSO HO g / L K H P O g / L V B. g / L 然后分别添加 CrCl HO mg/l进行灵芝富铬培养分别考察CrCl HO添加 PB试验设计 j- i= i= j= i= 式中 Y代表预测响应值 b为常数项 bi bii bij为回归系数 Xi为各因素编码水平值量对灵芝菌体生物量(g/L)及铬含量(μg/g)的影响.. Y = b + bi Xi + bij Xi Xj + bii Xi 利用Design Expert软件对试验数据进行回归拟合并对拟合模型作显著性检验及方差分析应用Design Expert软件(Version:.., Stat-Ease Inc., Minneapolis, MN. USA)对发酵试验进行PB设计结果与分析从发酵培养基组成的种成分(因素) 玉米粉蔗糖发酵培养基中CrCl HO添加量对灵芝菌体富铬黄豆饼粉 NH Cl MgSO H O KH PO VB. CrCl HO中筛选出对灵芝菌体铬总含量影响显著的因的影响

3 , Vol., No. 表䞣䫀䞣 Table 䫀䞣/(µg/g) 䞣/(g/L) PB design 来源平方和自由度均方 F值 P值显著性模型 X X.... X.... X.... X.... X X.... 残差总和... CrClgHO 䞣/(mg/L) 图 CrCl HO添加量对灵芝菌体生物量及铬含量的影响 Fig. Effect of CrCl HO concentration on the biomass and chromium content of G. lucidum mycelia 由图可知在CrCl HO添加量低于mg/L时灵芝菌体生物量无显著变化但当CrCl HO添加量大由表还可看出玉米粉(X )和黄豆饼粉(X )对响应添加量条件下菌体生长受到了较强抑制而菌体铬含趋势至CrCl HO mg/l时铬含量达.μg/g 注. 差异极显著(P.). 差异显著(P.) R=. 于mg/L时生物量迅速下降可见在此CrCl HO 量则随培养基CrCl H O添加量的增大而呈快速上升一阶回归模型方差分析 ANOVA for the linear regression model established based on 变量铬总含量有显著影响而CrCl H O(X )对铬总含量的影响极显著可见这种组分是影响灵芝富铬的重此后随铬添加量的增大菌体铬含量无显著变化说明要因素另外这个因素的偏回归系数均为正值表当CrCl H O添加量mg/L时菌体细胞同化铬的明它们对铬总含量的影响为正效应在后续最陡爬坡试能力已趋饱和参照..节铬总含量的计算方法当验中应提高其添加量 [-] 不显著因素中蔗糖(X )和 CrCl HO添加量为mg/L时菌体铬总含量达到最 VB()为正效应在后续试验中应取高水平即蔗糖为大值.μg/L g/l VB为.g/L NH Cl(X ) MgSO H O(X). 及KH PO (X )为负效应在后续试验中应取低水平即 PB试验筛选发酵培养基重要组分 NHCl.g/L MgSO HO.g/L KHPO.g/L 表 Table 试验号 X X X PB设计及试验结果. PB design and corresponding response X X X X X X X Y铬总含量/(μg/L) 对表试验数据拟合得一阶回归模型如下 Y=..X.X.X.X.X 爬坡由PB试验的中心点(零水平值)开始沿玉米粉 (X) 黄豆饼粉(X)及CrCl HO(X)添加量增加的方向移动参照文献[]计算步长的方法 X X X 的基本步长Δ分别定为. 试验设计及结果如表所示可见最大铬总含量区在第次和第次试验条件之间由于这两次试验结果差异不显著从节约原料的角度出发选择第次试验的条件为后续响应面试验因素水平的中心点表 Table 由表可知回归模型显著即该模型在被步长 X X Δ X/(g/L) X/(g/L)... X Δ.. X Δ.. X Δ X Δ.... 模型来解释通常情况下变异系数越低试验的可信. 度和精确度越高变异系数等于.% 说明PB试验.. 的可信度和精确度非常高精密度是有效信号与噪声的比值(信噪比R SN ) 通常大于.视为合理验精密度达到. [-] 本试最陡爬坡试验设计及结果 Steepest ascent design and results 试验号.X..X 对该模型的方差分析结果见表研究的整个回归区域拟合良好校正决定系数 R =. 表明.%的试验数据的变异性可用此最陡爬坡试验确定最大响应区域 X/(mg/L) Y铬总含量/(μg/L) 响应面试验优化发酵培养基中心组合设计及结果中心组合设计(CCD)是一种常用的响应面试验设计法它可以通过最少的试验来拟合响应面模型每个因素通常设置个水平在PB试验及最陡爬坡试验结果的

4 , Vol., No. 基础上设计玉米粉黄豆饼粉及CrCl H O三因素由表方差分析可知 X X X对菌体铬总含量的的CCD响应面试验为使拟合响应方程具有旋转性和通影响极显著 X X X 亦有显著影响说明这个因素是用性选择中心点试验数为(用于估计试验误差) 星号臂长γ=. [,] 另外还进行个立方体点和个星点试发酵培养基的重要组分交互项中XX影响极显著说明黄豆饼粉和CrCl HO交互作用明显二次回归模型极显著失拟项不显著模型的校正决定系数R Adj=. 验试验设计及结果见表说明.%的试验数据的变异性可用此模型来解释变异表 Table 中心组合设计及试验结果系数为.% 精密度为. 表明试验数据可靠分析 CCD matrix and corresponding response 试验号 X玉米粉/(g/L) X黄豆饼粉/(g/L) X CrCl HO/(mg/L) Y铬总含量/(μg/L) 结果可信可见该模型拟合度较好试验误差较小可以用此模型对灵芝菌体的富铬进行分析和预测模型的极 () () (.) ().. (.).. (). Expert软件的Optimization命名进行条件寻优所得结果与. 微分法计算得到的结果一致且优化的试验方案只有一.. 个说明优化结果可靠拟合模型合理编码代换后值点为 X=. X=. X=. 代入回归方程解得预测响应值铬总含量最大值为.μg/L 利用Design.(.) (.) (). 得各因子最优的真实值为玉米粉.g/L 黄豆饼粉.(.)..g/L CrCl HO.mg/L ().(.)..(.)....(.). 为了验证所建模型的适用性与可靠性在上述优化条件下重复次试验所得菌体铬总含量分别为..(.) 模型的验证..μg/L 平均值为.μg/L 与模型预测值.μg/L非常接近表明该模型能够很好地预测实际的富铬情况结论回归模型的建立及方差分析用Design Expert软件对表试验数据拟合得二次回归模型如下 Y=..X.X.X.X X.X X.X X.X.X.X 对该模型进行方差分析结果见表表 Table 单因子试验确定了富铬灵芝发酵培养基中 CrCl H O添加量的适宜范围 PB试验筛选出了对铬总含量影响显著的种培养基组分 CrCl H O 黄豆饼粉和玉米粉在此基础上利用最陡爬坡试验逼近最大响应区域并通过中心组合设计的响应面试验建立了以铬总含量为响应值的二次回归模型最终得到富铬灵二次回归模型的方差分析 ANOVA for the quadratic regression model established based on CCD design 芝发酵培养基的最优组成为 CrCl HO.mg/L 黄豆饼粉.g/L 玉米粉.g/L 蔗糖g/L VB 来源平方和自由度均方 F值 P值显著性模型 X g/L NHCl.g/L MgSO HO.g/L KHPO X.... X.....μg/L 与预测值.μg/L非常接近说明预测 XX.... XX.... XX.... X.... X.... 是非常有效的该优化结果为富铬灵芝发酵的工业化放 X.... 大提供了一定的理论依据残差.. 失拟项.... 纯误差总和... 注 R=..g/L 在此条件下进行验证实验测得铬总含量为模型适用可靠未加铬发酵培养基培养的灵芝的铬总含量为.μg/L 本工艺培养的灵芝铬总含量是其倍研究证明采用响应面法优化富铬灵芝发酵培养基另外发酵结束后发酵液中尚残存一定量的无机铬如果直接排放不但浪费了资源而且会对环境造成污染如何合理有效的利用这部分铬资源还有待于进一步研究

5 , Vol., No. 食品科学生物工程参考文献 : [] SCHWARZ K, MERTZ W. Chromium (Ⅲ) and the glucose tolerance factor[j]. Archives of Biochemistry and Biophysics,, : -. [] ANDERSON R A. Chromium as an essential nutrient for humans[j]. Regulatory Toxicology and Pharmacology,, (Suppl ): -. [] PECHOVA A, PAVLATA L. Chromium as an essential nutrient: a review[j]. Veterinarni Medicina,, (): -. [] 林志彬. 灵芝的现代研究 [M]. 版. 北京 : 北京大学医学出版社, : -. [] 张宏绪, 张春阳, 刘国毅. 生物富集微量元素的应用 [J]. 世界元素医学,, (): -. [] 赵镭, 胡小松. 富硒灵芝的研究进展 [J]. 中国食用菌,, (): -. [] 秦义. 富锌灵芝液态发酵研究 [D]. 杨凌 : 西北农林科技大学,. [] 牛君仿. 富锗灵芝中有机锗化合物的分离纯化及结构鉴定 [D]. 保定 : 河北农业大学,. [] 杨志孝, 苏延友, 安蔚. 灵芝菌株富铬性能的研究 [J]. 泰山医学院学报,, (): -. [] 王普, 孙立明, 何军邀. 响应面法优化热带假丝酵母菌株产羰基还原酶发酵培养基 [J]. 生物工程学报,, (): -. [] 金婵, 郝素娥, 孙丽欣. 高铬酵母的制备及其有机铬含量的研究 [J]. 营养学报,, (): -. [] DAVIES O L, GEORGE E P, LEWIS R C. The design and analysis of industrial experiments[m]. nd ed. London: Longman Group Limited, : -. [] MONTGOMERY D C. Design and analysis of experiments[m]. th ed. New Yor: John Wiley & Sons, : -. [] CAI Menghao, ZHOU Xiangshan, SUN Xueqian, et al. Statistical optimization of medium composition for aspergiolide A production by marine-derived fungus Aspergillus glaucus[j]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology,, (): -. [] 吴波, 陈长华, 杨琳. 洛伐他汀发酵培养基配方优化及 L 罐放大 [J]. 中国抗生素杂志,, (): -. [] 曲留柱, 金世超, 崔洁, 等. 响应面优化闪式提取香蕉多酚氧化酶 [J]. 食品科学,, (): -. [] 骆健美, 金志华, 岑沛霖. 褐黄孢链霉菌纳他霉素发酵条件优化 [J]. 高校化学工程学报,, (): -. [] 张靖媛, 王成荣, 杨绍兰, 等. 响应面分析法优化南瓜酒发酵工艺条件 [J]. 食品科学,, (): -. [] 袁志发, 周静芋. 试验设计与分析 [M]. 北京 : 高等教育出版社, : -. [] 王华, 贺金梅. 中心组合设计优化热带假丝酵母菌冷冻干燥保护剂 [J]. 食品科学,, (): -.

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知第卷第期年月开放教育研究何秋琳张立春华南师范大学未来教育研究中心广东广州随着图像化技术和电子媒体的发展视觉学习也逐步发展为学习科学的一个研究分支得到研究人员和教育工作者的广泛关注基于此作者试图对视觉学习