Optimization by Response Surface Methodology for Agaricus bisporus W38 Fermentation in Liquid Medium
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摘要: 利用Design-Expert软件，在前期单因素试验的基础上，采用Plackett-Burman设计和中心组合设计对双孢蘑菇新菌株W38液体菌种培养基及培养条件进行优化。根据响应面分析法建立模型并确定其最佳的培养基和培养条件为:小米粉49.90 g·L-1，黄豆粉13.60 g·L-1，KH2PO4 2.00 g·L-1，MgSO4·7H2O 1.067 5 g·L-1，初始pH 6.5，发酵时间7 d，发酵温度24℃，摇瓶转速180 r·min-1。在此条件下，双孢蘑菇菌株W38液体菌种的菌丝体每100 mL生物量可达2.35 g，与初始培养条件下的菌丝体生物量相比提高了3.05倍，平均菌丝生长速度加快了14.7%。Abstract: Based on the results obtained by a previous single factor test, medium formulation and conditions for the fermentation of Agaricus bisporus W38 were optimized by the Plackett-Burman experimental design and the central composite design with Design-Expert software. A regression equation was obtained using the response surface methodology. The optimized medium was formulated toconsistof 39.90 g·L-1, 13.60 g·L-1, K2HPO4 2.0 g·L-1, and MgSO4·7H2O 1.067 5 g·L-1. The fermentation was designed to be carried out with an initial pH of 6.5 and maintained at 24℃ with a constant shaking in flask at 180 r·min-1 for 7 d. A mycelial biomass 100 mL of 2.35 g, which was 3.05-foldof the original design, and an average mycelial growth rate improvement by 14.7% were obtained.
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Key words:
- Agaricus bisporus /
- liquid fermentation /
- response surface methodology /
- optimization
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图 2 响应面 (X2, X4) 等高线和三维分析
Figure 2. Contour pattern and 3-D surface pattern derived from response surface methodology (X2, X4)
图 3 响应面 (X1, X4) 等高线和三维分析
Figure 3. Contour pattern and 3-D surface pattern derived from response surface methodology (X1, X4)
表 1 筛选试验设计及结果
Table 1. Plackett-Burman design and results
试验号 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 Y 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1.42 2 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1.81 3 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1.35 4 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 1.31 5 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1.58 6 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1.43 7 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1.54 8 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1.52 9 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1.65 10 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1.74 11 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1.58 12 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1.52 注：X1~X8为培养因素；Y值为W38菌丝体生物量 (100 mL含有的克重)。下表同。 
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表 2 Plackett-Burman试验回归分析
Table 2. Regression analysis of Plackett-Burman
编码 因素 水平 效应t 显著性Pt＞︱t︱ 低 (－1) 高 (1) X1 小米粉/ % 3.5 4.5 0.1091 0.0003 X2 黄豆粉/ % 1.00 1.25 －0.0341 0.0099 X3 K2HPO4/ % 0.20 0.25 0.0175 0.2900 X4 MgSO4·7H2O/% 0.100 0.125 0.0758 0.0010 X5 t/℃ 25 30 －0.0175 0.0577 X6 初始pH 6.5 7.5 －0.0225 0.0518 X7 t培养/ d 7 9 －0.0125 0.1215 X8 v/ r·min-1 180 220 －0.0125 0.1215
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表 3 中心组合设计的因素与水平
Table 3. Factors and levers on central composite design
编码 因素 水平 －1 0 1 X1 小米粉/(g·L-1) 30 40 50 X2 黄豆粉/(g·L-1) 10.0 12.5 15.0 X4 MgSO4·7H2O/(g·L-1) 0.75 1.00 1.25
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表 4 响应面试验设计与结果
Table 4. Experimental design and result of response surface methodology
试验号 因素 Y X1 X2 X4 1 1 1 1 2.28 2 1 0 1 2.23 3 0 0 0 2.01 4 －1 0 －1 1.66 5 0 0 0 2.03 6 0 －1 －1 1.81 7 0 0 0 2.07 8 0 1 1 2.04 9 0 －1 －1 2.03 10 0 0 0 1.96 11 1 0 －1 2.18 12 0 0 0 2.06 13 －1 0 1 1.61 14 －1 1 0 1.75 15 －1 －1 0 1.45 16 1 －1 0 2.19 17 0 －1 1 1.69
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表 5 回归方程各项回归系数显著性检验
Table 5. Test of significance for regression coefficient
参数 参数估计 标准误差 T检验 Pt＞︱t︱ X1 0.30 0.013 0.30125 ＜0.0001 X2 0.11 0.011 0.11125 ＜0.0001 X4 -0.005 0.011 -0.005 0.6498 X1X2 -0.053 0.011 -0.0525 0.0097 X1X4 0.025 0.015 0.025 0.1375 X2X4 0.050 0.015 0.050 0.0122 X12 -0.039 0.015 -0.03875 0.0322 X22 -0.084 0.015 -0.08375 0.0007 X42 -0.081 0.015 -0.08125 0.0008
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表 6 回归模型方差分析
Table 6. Analysis of variance of regression equation
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P(Pr＞F) 模型 0.92 9 0.10 12.22 ＜0.0001 残差 6.225×10-3 7 8.893×10-4 失拟 3.825×10-3 3 1.275×10-3 2.13 0.2398 纯误差 2.400×10-3 4 6.000×10-4 总值 0.93 16 决定系数R2 0.9933 变异系数CV 1.53%
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表 7 双孢蘑菇W38液体菌种的活力对比
Table 7. Comparative test on the activity of liquid spawn of Agaricus bisporus Strain W38
菌种来源 萌发时间/h 平均菌丝生长速度/(mm·d-1) 初始液体菌种 48 2.85±0.05A 优化液体菌种 36 3.27±0.02B 注：同列数据后不同大写字母表示差异达极显著 (P < 0.01) 水平。
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