盾葉薯蕷細(xì)胞培養(yǎng)工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的初步研究.pdf

1、盾葉薯蕷(Dioscoreazingberensis C.H.Wright)是我國(guó)特有的、具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用植物，其次生代謝產(chǎn)物薯蕷皂甙元(diosgenin)是合成甾體激素類(lèi)藥物最重要的前體。為了解決薯蕷資源日漸枯竭的問(wèn)題，近年來(lái)人們嘗試使用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，大規(guī)模培養(yǎng)薯蕷細(xì)胞以生產(chǎn)薯蕷皂甙元。但目前的研究?jī)H停留在搖瓶或小試階段，對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)研究較少，培養(yǎng)過(guò)程中遇到的許多問(wèn)題仍機(jī)理不明，離工業(yè)化還有很大的距離。
　　

2、 本文在搖瓶培養(yǎng)條件下，通過(guò)對(duì)盾葉薯蕷細(xì)胞懸浮培養(yǎng)體系選擇培養(yǎng)基種類(lèi)、添加真菌誘導(dǎo)子、優(yōu)化培養(yǎng)基成分等方法，得到較優(yōu)的培養(yǎng)條件和較高的薯蕷皂甙元產(chǎn)率。然后在優(yōu)化的培養(yǎng)條件下，對(duì)培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)基中的碳源、氮源、磷酸鹽濃度進(jìn)行了測(cè)定和分析；研究了細(xì)胞鮮重、干重、存活率以及薯蕷皂甙元產(chǎn)量的變化情況；在對(duì)反應(yīng)機(jī)理做適當(dāng)探討和假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了盾葉薯蕷細(xì)胞懸浮培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。結(jié)論歸納如下：
　　 (1)MS培養(yǎng)基是盾葉薯蕷細(xì)胞懸浮

3、培養(yǎng)的最適培養(yǎng)基；添加誘導(dǎo)子真菌RE0105使薯蕷皂甙元產(chǎn)量提高了16.8％；進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)基成分，當(dāng)KH2PO4204mg/L和NH4NO31836mg/L時(shí)，產(chǎn)量又提高了19.7％。
　　 (2)在最佳培養(yǎng)基條件下，盾葉薯蕷細(xì)胞懸浮培養(yǎng)周期為14天，單、共培養(yǎng)體系生長(zhǎng)情況類(lèi)似。細(xì)胞生長(zhǎng)曲線近“S”型，細(xì)胞經(jīng)歷了正常生長(zhǎng)、膨脹、裂解三個(gè)階段。薯蕷皂甙元只在2～6天合成，產(chǎn)物合成為生長(zhǎng)部分相關(guān)型。培養(yǎng)基中碳源和氮源的吸收與細(xì)胞生

4、長(zhǎng)緊密相關(guān)。對(duì)細(xì)胞的得率系數(shù)分別為單培養(yǎng)YX/C=0.476g·g-1 YX/N=3.7041g·g-1；共培養(yǎng)YX/C’=0.4528g·g-1、YX/N’=3.332g·g-1。培養(yǎng)基中磷酸鹽的吸收不與細(xì)胞生長(zhǎng)同步，但胞內(nèi)磷的消耗與細(xì)胞的生長(zhǎng)同步。
　　 (3)基于以上研究，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型法，建立了盾葉薯蕷細(xì)胞懸浮培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。在Matlab7.0中運(yùn)用遺傳算法與fminsearch函數(shù)相結(jié)合獲得較精確的最優(yōu)化參數(shù)。

5、最終模型為：
　　 (5)該模型能夠很好的模擬細(xì)胞培養(yǎng)2～10天內(nèi)的動(dòng)力學(xué)特性，反應(yīng)薯蕷皂甙元只在2～6天合成的產(chǎn)物積累特征，但模型對(duì)延遲期和限制性底物缺乏的衰亡期預(yù)測(cè)能力較差。其原因?yàn)榕囵B(yǎng)周期內(nèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝速率是不一樣的，而模型中反應(yīng)培養(yǎng)過(guò)程生理生化特征的參數(shù)和細(xì)胞對(duì)限制性培養(yǎng)基的得率系數(shù)卻用的定值。2～10天是細(xì)胞培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期，體系的生長(zhǎng)和代謝速率比較穩(wěn)定，模擬效果較好；而0～2天和10天以后的速率變化比較大引起