Yeast Growth Monitoring with TURBIDI.T™ in Bioreactor - Blog Post Image

应用说明 | TURBIDI.T™

利用浊度测量推进酵母生长监测

by Gloria Pinilla and Nora Kasaplar,

应用科学家们， Rheolution Inc.

与

波尔多国家生物分子技术高等学院（ENSTBB）。

摘要

监测酵母生长是确保生物技术工艺中条件最优和生产效率的关键过程。
基于浊度的测量方法已成为一种快速、无损的手段，可用于评估酵母生长情况并随时间推移追踪培养液密度。TURBIDI.T™（Rheolution公司，加拿大魁北克省）已被用于精确监测酿酒酵母（S. cerevisiae）随时间推移的生长情况。
对浊度（850 nm）和吸光度（600 nm）的测定结果进行了比较，结果表明两者呈现相似的趋势且相关性很强。
在细胞生长分析和数据采集方面，TURBIDI.T™相比分光光度计展现出了多重优势。

酵母生长监测领域的进展：浊度测量

引言

在生物工程和生物技术领域，细胞作为催化剂，用于生产各种有价值的产品，例如生物燃料、药品、抗体、工业酶和生物基化学品[1]。在此背景下，作为一种广泛应用的微生物，酵母发挥着至关重要的作用。监测酵母的生长对于确保生物技术工艺中的最佳条件和生产效率至关重要[2]。

传统上，分光光度法通过测量酵母培养液对光的吸收来评估600 nm波长下的光密度（OD600nm），并监测细胞群浊度的变化。基于浊度的测量已成为一种快速、无损的方法，用于评估酵母生长并随时间追踪培养液密度。该方法利用了光散射原理，即细胞浓度和大小的变化会影响培养液散射的光强度。通过量化由此产生的浊度，可以获得关于细胞生长进程的宝贵信息。

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，5-10 µm），又称面包酵母或啤酒酵母，在工业生产领域作为模式生物占据着重要地位。这得益于其特性明确、适应性强、生产效率高以及用途广泛。

本应用说明重点介绍了如何使用TURBIDI.T™（Rheolution 公司，加拿大魁北克省）来监测酿酒酵母（S. cerevisiae）随时间推移的生长情况。将所得结果与使用标准分光光度计测得的OD600nm值进行比较并建立关联。通过分析这一比较，可以获得有价值的见解，从而进一步了解TURBIDI.T™作为酵母生长监测工具的有效性和可靠性。

利用浊度测量监测酵母生长：以酿酒酵母（S. cerevisiae）为例

材料与方法

在无菌条件下，从培养皿上的固体培养物中接种酿酒酵母（S. cerevisiae）菌落，制备了100 mL的酵母预培养液，随后进行过夜培养。与此同时，准备了一个3 L的生物反应器（BIOSTAT B； Sartorius Stedim Biotech，德国哥廷根）已备好，其中装有无菌合成培养基[3]，准备在高压灭菌锅中进行过夜灭菌。该合成培养基由多种无机盐（(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、MgSO₄）、维生素、微量元素和葡萄糖组成。灭菌后，按照BIOSTAT B软件提供的说明，对pH和pO₂探头以及葡萄糖进料泵进行了校准（图1）。

图1： 用于在无菌条件下培养酵母的生物反应器 装置。

为了对TURBIDI.T™ 进行校准，在测试前使用了福马津标准品。分别使用 Emitt.805 滤光片（波长为 850 nm）和 Receiv.ViS 滤光片（波长范围为 400 nm 至 1000 nm）进行发光和接收。我们选择使用 850 nm 滤光片，因为其光吸收效应较低。每次测量前，均使用一瓶去离子蒸馏水 (ddH2O) 对分光光度计（SAFAS UVmc，SAFAS，摩纳哥）进行校准。

将预培养的酵母以220 FTU（0.21 uOD）的密度接种到生物反应器中。随后，通过每小时取一份酵母样本，持续监测8小时，以观察酵母的生长情况。每个时间点均进行三次重复测量（n=3），分别测定850 nm波长下的浊度（以FTU表示）和吸光度（以uOD表示）。进行分光光度法测定时，将酵母培养液样本按 1:100 的比例稀释；而进行浊度法测定时，则无需稀释，直接对样本进行测试。结果以均值 ± 标准差的形式呈现。

分析酵母生长动力学：酿酒酵母培养液中浊度与吸光度的测定比较

结果与讨论

图2展示了酵母随时间推移的生长规律，显示在经历了2小时的短暂潜伏期后，浊度单位（FTU）和吸光度单位（uOD）均呈现出显著的指数级增长。在潜伏期，酵母细胞经历一个适应阶段，逐渐适应所处的环境。随着该阶段结束，曲线开始陡升，表明酵母细胞持续增殖。这一指数增长阶段表明存在适宜酵母生长的最优条件，其中营养物质的供应和环境信号等因素促进了活跃的细胞分裂和代谢活动。

图2：用于在无菌条件下培养酵母的生物反应器装置。浊度的变化趋势 酿酒酵母 培养8小时后，比较850 nm处的浊度与OD值600 nm的比较。

使用TURBIDI.T™测得的浊度值（显示在左侧 Y 轴上）与使用标准分光光度计测得的吸光度值（显示在右侧 Y 轴上）高度吻合，因为两条曲线呈现出相似的趋势。所有标准偏差均非常低（图中包含误差条），这表明测量具有很高的精度（变异性低于1%）。

与图2的观察结果一致，浊度与OD600nm测量值之间存在正线性相关性，其决定系数（R²）高达0.998（图3）。如此高的R²值表明浊度与OD600nm之间存在强而可靠的关系，这表明在监测酵母生长时，浊度测量可有效替代基于吸光度的测量方法。

图3： 在测量细胞培养生长时，FTU（850 nm）与uOD（600 nm）之间的相关性 。

浊度与吸光度测量结果之间的密切对应关系，以及较高的相关系数，凸显了采用TURBIDI.T™基于浊度进行的测量在监测酵母生长动态方面的有效性和准确性。

此外，无需像传统分光光度法那样对样品进行稀释即可获得可靠的生长数据，这一特点进一步凸显了基于浊度法所具备的优势。总体而言，这些研究结果表明，TURBIDI.T™作为一种有价值的工具，具有在生物工艺中精确、高效监测酵母生长的潜力，有助于推动生物技术研究和应用的发展。

结论与展望

TURBIDI.T™系统被证明是监测酵母培养物中细胞生长及动力学的强大且精确的工具。
浊度与OD600nm之间的比较显示出强烈的线性关系，这证明浊度是基于吸光度测量的精确替代方法。这凸显了浊度在准确评估酵母生长动态方面的有效性。
与分光光度计分析相比，TURBIDI.T™具有多项优势。由于TURBIDI.T™仪器可测量的浊度值范围较广，因此无需对样品进行稀释，这不仅减少了测量误差，还节省了宝贵的时间。此外，便携式平板电脑便于数据采集和存储，提高了使用便利性和可访问性。
TURBIDI.T™系统具有很强的通用性，可适配不同类型的试管，以满足不同实验方案的测量需求。
TURBIDI.T™系统的可扩展性进一步提升了其价值。将多个设备连接到一台操作平板电脑上，可提高测试效率，从而在更大规模的实验中实现同步测量。