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    嗜酸乳桿菌-地衣芽孢桿菌融合子培養(yǎng)特性研究

    2018-04-12 08:41:11要榮宇王靜慧楊喬木吳瑞妮霍乃蕊
    食品研究與開(kāi)發(fā) 2018年7期
    關(guān)鍵詞:原生質(zhì)酸乳芽孢

    要榮宇,王靜慧,楊喬木,吳瑞妮,霍乃蕊

    (1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,四川成都611130;2.山西出入境檢驗(yàn)檢疫局,山西太原030024;3.太原市食品藥品監(jiān)督管理局,山西太原030031;4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山西太谷030801)

    嗜酸乳桿菌屬乳桿菌屬,是乳酸菌中非常重要的益生菌之一,被稱(chēng)為第三代乳酸發(fā)酵劑菌種[1]。嗜酸乳桿菌具有調(diào)節(jié)腸道菌群、提高免疫力、降低血脂、降低產(chǎn)毒微生物的活性、防止乳糖不耐受等功能。地衣芽孢桿菌屬厚壁菌門(mén),是一種常見(jiàn)的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌,廣泛存在于土壤、空氣和腐敗有機(jī)物中。地衣芽孢桿菌已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè),其商品名為整腸生,主要運(yùn)用于腸道疾病的治療,對(duì)腸炎、菌痢等具有明顯療效[2]。

    原生質(zhì)體融合即細(xì)胞融合,是指將兩親本菌株的細(xì)胞壁通過(guò)酶解脫壁,形成球狀的原生質(zhì)體后,在高滲條件下使其相互接觸,通過(guò)膜融合、細(xì)胞質(zhì)融合、核融合,最終基因組之間發(fā)生接觸、交換,進(jìn)而發(fā)生基因重組,最后在適宜的條件下再生出細(xì)胞壁來(lái),獲得陽(yáng)性重組子的過(guò)程。原生質(zhì)體融合具有重組頻率高、遺傳穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交、可集合雙親優(yōu)良性狀的優(yōu)點(diǎn),所以在微生物育種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。王成濤等[6]利用原生質(zhì)體融合技術(shù)將芽孢桿菌T12-1與嗜熱鏈球菌及嗜酸乳桿菌C3進(jìn)行融合,得到2株高效降低膽固醇的乳酸菌融合子,可顯著降低蛋黃乳等食品中的膽固醇含量,同時(shí)兼具乳酸菌發(fā)酵食品的風(fēng)味特征。呂兵等[7]將專(zhuān)性厭氧的短雙歧桿菌和典型的啤酒上面酵母進(jìn)行原生質(zhì)體融合,成功篩選出遺傳較穩(wěn)定的BSF1和BSF2,改善了雙歧桿菌的耐氧特性,為厭氧性益生菌的改良提供了思路。王玉華[8]將2株不同來(lái)源的嗜酸乳桿菌La-w1和La-w2融合后獲得菌株La-F1,其耐酸性和耐膽鹽能力明顯高于原菌株。黎永學(xué)等[9]將雙歧桿菌和釀酒酵母進(jìn)行原生質(zhì)體融合可得到遺傳穩(wěn)定的融合子,實(shí)現(xiàn)了厭氧菌和酵母的跨界融合,為雙歧桿菌生物學(xué)功能的開(kāi)發(fā)提供了新途徑。

    實(shí)驗(yàn)室在前期成功制得嗜酸乳桿菌-地衣芽孢桿菌融合子,在此基礎(chǔ)上,本試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化融合子的培養(yǎng)條件,考察培養(yǎng)基種類(lèi)、培養(yǎng)溫度、pH值、氧氣濃度對(duì)融合子生成量的影響進(jìn)行分析,確定融合子的適宜培養(yǎng)條件,為融合子的制劑化研究及工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

    1 材料和方法

    1.1 材料

    1.1.1 菌株

    嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus),地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)購(gòu)于中科院微生物研究所。嗜酸乳桿菌-地衣芽孢桿菌融合子由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)科院動(dòng)物衛(wèi)檢實(shí)驗(yàn)室制備。

    1.1.2 試劑與設(shè)備

    牛肉膏、蛋白胨、胰蛋白胨、葡萄糖、酵母浸膏、吐溫80、瓊脂粉:北京奧博星生物技術(shù)有限公司。

    硫酸鎂、磷酸氫二鉀、氯化鈉、檸檬酸三銨、硫酸錳、醋酸鈉、溴甲酚紫(均為分析純):天津市化學(xué)試劑六廠。

    722E型可見(jiàn)分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;PHS-25C型酸度計(jì):上海大普儀器有限公司;HZQ-F160型全溫振蕩培養(yǎng)箱:哈爾濱市東連電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司;XW-80A型漩渦混合器:北京科偉永興儀器有限公司;DF205型離心機(jī):北京科偉永興儀器有限公司;LRHS-150型恒溫恒濕培養(yǎng)箱:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠。

    1.1.3 培養(yǎng)基的配制

    MRS培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,牛肉膏10 g,酵母浸膏5 g,葡萄糖 20 g,Tween-80 1 mL,醋酸鈉 5 g,K2HPO42 g,檸檬酸銨2 g,MgSO4·7H2O 0.58g,蒸餾水1 000 mL,MnSO4·4H2O 0.2 g (固體培養(yǎng)基加入 15 g~20 g瓊脂)pH 6.2~6.6,將mgSO4·7H2O,MnSO4·4H2O,葡萄糖,Tween-80以外的成分溶解,冷至50℃。然后加入MgSO4·7H2O、MnSO4·4H2O,最后加入葡萄糖和 Tween-80。過(guò)濾分裝,121℃高壓滅菌15 min。在MRS液體培養(yǎng)基中添加1.5%瓊脂制備固體培養(yǎng)基。

    CM培養(yǎng)基(肉湯培養(yǎng)基):蛋白胨10 g,葡萄糖5 g,酵母膏 3 g,牛肉膏 3 g,MgSO4·7H2O 2 g,蒸餾水1 000 mL,pH 7.2。固體培養(yǎng)基瓊脂粉用量為2%(15 g~20 g)。按照所需劑量,將配制好的培養(yǎng)基分裝在三角瓶中,121℃高壓滅菌30 min,備用。

    BPM培養(yǎng)基(牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基):牛肉膏3 g,蛋白胨 10 g,NaCl 5 g,蒸餾水 1 000 mL,pH 7.0~7.2。固體培養(yǎng)基瓊脂粉用量為2%(15 g~20 g)。按照所需劑量,將配制好的培養(yǎng)基分裝在三角瓶中,121℃高壓滅菌,備用。

    LB培養(yǎng)基:胰蛋白胨10 g,酵母浸膏5 g,NaCl 5 g,蒸餾水1 000 mL,pH 7.0。固體培養(yǎng)基瓊脂粉用量為2%(15 g~20 g)。按照所需劑量,將配制好的培養(yǎng)基分裝在三角瓶中,121℃高壓滅菌,備用。

    1.2 試驗(yàn)方法

    1.2.1 融合子菌落形態(tài)觀察

    將融合子接種到不同液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)24 h,革蘭氏染色后進(jìn)行鏡檢,觀察菌體在液體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)。

    將融合子劃線接種到固體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)36 h,長(zhǎng)出單菌落,挑取菌體,革蘭氏染色后進(jìn)行鏡檢,觀察菌體在固體培養(yǎng)基上的個(gè)體形態(tài)。

    1.2.2 融合子培養(yǎng)條件的確定

    1.2.2.1 培養(yǎng)基對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    按照配方分別配制MRS液體培養(yǎng)基、CM液體培養(yǎng)基、BPM液體培養(yǎng)基、LB液體培養(yǎng)基,高壓蒸汽滅菌。將活化好的融合子在無(wú)菌條件下按5%(體積分?jǐn)?shù))接種量接種于不同液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng),每3 h取樣一次,測(cè)定OD600值。

    1.2.2.2 起始pH值對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    分別配制pH值為4、5、6、7、8的4種液體培養(yǎng)基。將活化好的融合子以5%(體積分?jǐn)?shù))接種量在無(wú)菌條件下分別接種,37℃恒溫培養(yǎng)12 h,測(cè)定其OD600值。

    1.2.2.3 培養(yǎng)溫度對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    分別配制4種培養(yǎng)基,將活化好的融合子以5%(體積分?jǐn)?shù))接種量在無(wú)菌條件下分別接種,并于20、25、30、35 ℃條件下培養(yǎng) 12 h,測(cè)定其 OD600值。

    1.2.2.4 培養(yǎng)方式對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    1)通氣狀態(tài)搖床培養(yǎng)

    將活化好的融合子以5%(體積分?jǐn)?shù))接種量在無(wú)菌條件下接種于不同液體培養(yǎng)基中,瓶口加蓋棉塞,37℃恒溫?fù)u床培養(yǎng),140 r/min,第12小時(shí)、第24小時(shí)取樣測(cè)定OD值。

    2)隔氧狀態(tài)靜置培養(yǎng)

    在無(wú)菌條件下,將每種培養(yǎng)基各吸取9.5 mL置于10 mL滅菌的EP管中,然后將活化好的融合子各取0.5 mL接種于4種培養(yǎng)基的EP管中,搖勻后石蠟密封,37℃靜置培養(yǎng),每12 h取樣一次測(cè)定OD值。

    1.2.3 融合子產(chǎn)酸性能分析

    1.2.3.1 定性產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)

    將活化好的融合子以5%(體積分?jǐn)?shù))接種量在無(wú)菌條件下接種于不同液體培養(yǎng)基中,并分別滴入2滴溴甲酚紫溶液,37℃恒溫培養(yǎng),觀察試管顏色變化。如果試管中的培養(yǎng)液的顏色由紫色變?yōu)辄S色則說(shuō)明菌種產(chǎn)酸,否則不產(chǎn)酸。

    1.2.3.2 總酸測(cè)定

    將活化好的融合子以5%(體積分?jǐn)?shù))接種量在無(wú)菌條件下接種于不同液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)。每隔12小時(shí)取不同培養(yǎng)基的培養(yǎng)液10 mL,分別加入蒸餾水20 mL,滴加2滴~3滴0.5%酚酞指示劑,用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(現(xiàn)配現(xiàn)用)進(jìn)行滴定,滴定至微紅為止,根據(jù)公式計(jì)算出乳酸生成量。

    式中:C表示氫氧化鈉的濃度,mol/L;V1表示消耗氫氧化鈉的體積,mL;V2表示加入樣品的體積,mL;90.08表示乳酸的摩爾質(zhì)量。

    2 試驗(yàn)結(jié)果

    2.1 融合子的個(gè)體形態(tài)

    2.1.1 融合子在不同液體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)

    圖1(A、B、C、D)分別為融合子在CM液體培養(yǎng)基、LB液體培養(yǎng)基、MRS液體培養(yǎng)基、BPM液體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)。

    圖1 融合子在不同液體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)(L:10×100)Fig.1 Individual morphology of fusant in different liquid culture medium

    經(jīng)顯微鏡觀察可知,融合子為革蘭氏陽(yáng)性菌。在CM液體培養(yǎng)基中為桿狀,呈長(zhǎng)鏈狀排列;而在LB液體培養(yǎng)基中為短桿菌,單個(gè)排列或成短鏈狀排列;融合子在MRS液體培養(yǎng)基中菌數(shù)較少,可觀察到的融合子菌體呈長(zhǎng)鏈狀排列;在BPM液體培養(yǎng)基中則為短桿菌,單個(gè)排列或成短鏈狀排列。

    2.1.2 融合子在不同固體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)

    圖2 融合子在不同固體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)(L:10×100)Fig.2 Individual morphology of fusant in different solid culture medium

    圖2(E、F、G)分別為融合子在BPM固體培養(yǎng)基、LB固體培養(yǎng)基、CM固體培養(yǎng)基中的個(gè)體形態(tài)。融合子在BPM固體培養(yǎng)基中為短桿菌,多為單個(gè)排列,產(chǎn)芽孢;在LB固體培養(yǎng)基為短桿菌,多為單個(gè)排列或短鏈狀排列,產(chǎn)芽孢;在CM固體培養(yǎng)基中為單個(gè)排列或短鏈狀排列并產(chǎn)芽孢的桿菌。

    融合子在BPM固體培養(yǎng)基中為短桿菌,多為單個(gè)排列,產(chǎn)芽孢;在LB固體培養(yǎng)基為短桿菌,多為單個(gè)排列或短鏈狀排列,產(chǎn)芽孢;在CM固體培養(yǎng)基中為單個(gè)排列或短鏈狀排列并產(chǎn)芽孢的桿菌。

    2.2 不同培養(yǎng)基對(duì)融合子生長(zhǎng)的影響

    圖3為融合子在不同培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)曲線圖。

    圖3 融合子在不同培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)曲線Fig.3 Growth curve of fusant in different medium

    由圖3可知,融合子在MRS培養(yǎng)基中的OD值顯著低于其他培養(yǎng)基(P<0.05),且延滯期較長(zhǎng);融合子在BPM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基中,3 h~9 h為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,之后進(jìn)入穩(wěn)定期;在CM培養(yǎng)基中,3 h~12 h為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,12 h后進(jìn)入衰亡期,12 h時(shí)其OD值(1.576±0.011)顯著高于其他培養(yǎng)基(P<0.05),說(shuō)明CM培養(yǎng)基對(duì)融合子的生長(zhǎng)更加有利。

    2.3 起始pH值對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    圖4為培養(yǎng)基的不同pH值對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響。

    圖4 培養(yǎng)基不同起始pH值對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響Fig.4 Effect of different initial pH values on the growth of the fusant

    如圖4所示,融合子在MRS培養(yǎng)基、BPM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基中生長(zhǎng),雖然pH值不同,OD值也不同,但是差異并不顯著(P>0.05)。而在CM培養(yǎng)基中,pH值的差異導(dǎo)致OD值變化顯著(P<0.05),隨著pH值的升高,OD值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在pH值為6時(shí),融合子OD值最高,達(dá)到0.292。由圖4可知,在MRS培養(yǎng)基、BPM培養(yǎng)基、CM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基中,融合子的最適生長(zhǎng)pH值分別為7、7、6、5。

    2.4 培養(yǎng)溫度對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    圖5為培養(yǎng)溫度對(duì)融合子生長(zhǎng)的影響。

    由圖5可知,融合子在MRS培養(yǎng)基和BPM培養(yǎng)基中,培養(yǎng)溫度對(duì)OD值的影響并不顯著(P>0.05);在LB和CM培養(yǎng)基中,隨著溫度的增高,OD值均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),特別是溫度對(duì)生長(zhǎng)在CM培養(yǎng)基中的融合子影響顯著,溫度為37℃時(shí),OD值顯著增加并達(dá)到最高。由圖可確定,在MRS培養(yǎng)基、BPM培養(yǎng)基、CM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基中,融合子的最適生長(zhǎng)溫度分別為 37、35、37、35 ℃。

    2.5 培養(yǎng)方式對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響

    將融合子接種于不同培養(yǎng)基中,分別采用有氧培養(yǎng)(通氧搖床)和厭氧培養(yǎng)(隔氧靜置)兩種方式進(jìn)行培養(yǎng),測(cè)定培養(yǎng)液OD值,結(jié)果如表1所示。

    由表1可知,融合子在MRS培養(yǎng)基中隔氧靜置培養(yǎng)12 h和24 h,所測(cè)得的OD值均高于通氧搖床培養(yǎng)測(cè)定的OD值。融合子在BPM培養(yǎng)基、CM培養(yǎng)基及LB培養(yǎng)基中,通氧搖床所測(cè)定的OD值均高于隔氧靜置培養(yǎng)。說(shuō)明在MRS培養(yǎng)基中,隔氧靜置培養(yǎng)更有利于融合子生長(zhǎng);而在BPM培養(yǎng)基、CM培養(yǎng)基及LB培養(yǎng)基中,通氧培養(yǎng)方式更為適合。

    2.6 融合子產(chǎn)酸性能分析

    2.6.1 定性產(chǎn)酸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    通過(guò)融合子溴甲酚紫顯色反應(yīng)結(jié)果發(fā)現(xiàn):MRS培養(yǎng)基和CM培養(yǎng)基均呈黃色,說(shuō)明融合子在這兩種培養(yǎng)基中能夠產(chǎn)酸;BPM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基呈紫色,說(shuō)明融合子在這兩種培養(yǎng)基中產(chǎn)酸不佳。

    表1 培養(yǎng)方式對(duì)融合子生長(zhǎng)量的影響Table 1 Effects of culture methods on the growth of fusant

    2.6.2 融合子總酸測(cè)定結(jié)果

    融合子在不同培養(yǎng)基中的乳酸生成量如圖6所示。

    圖6 不同培養(yǎng)基中融合子乳酸生成量測(cè)定Fig.6 Determination of lactic acid production in different medium

    由圖6可知,融合子在4種培養(yǎng)基中的乳酸生成量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在培養(yǎng)前期,培養(yǎng)液中的總酸積累較少,酸度環(huán)境較為適宜融合子的生長(zhǎng),培養(yǎng)基中乳酸量不斷升高;培養(yǎng)一段時(shí)間后,培養(yǎng)液中總酸積累量較高,酸度上升,此時(shí)酸度環(huán)境可能會(huì)對(duì)融合子的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制,甚至發(fā)生自溶,從而導(dǎo)致產(chǎn)酸量下降。在不同培養(yǎng)時(shí)段,融合子在MRS培養(yǎng)基中乳酸生成量顯著高于其他培養(yǎng)基,培養(yǎng)36 h,乳酸生成量最高,達(dá)到2.30 g/L。

    3 討論與結(jié)論

    對(duì)于微生物來(lái)說(shuō),即使是同一菌株,在不同培養(yǎng)條件下進(jìn)行培養(yǎng),其生長(zhǎng)情況和代謝方式也不盡相同[10]。目前,關(guān)于嗜酸乳桿菌和地衣芽孢桿菌培養(yǎng)特性的相關(guān)報(bào)道已經(jīng)較為詳盡,而嗜酸乳桿菌-地衣芽孢桿菌融合子的培養(yǎng)特性尚未見(jiàn)報(bào)道。嗜酸乳桿菌為乳酸菌屬,一般采用MRS培養(yǎng)基37℃培養(yǎng)。地衣芽孢桿菌的最佳生長(zhǎng)溫度為35℃,最適pH值為7.0。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CM培養(yǎng)基(肉湯培養(yǎng)基)成為最適合嗜酸乳桿菌-地衣芽孢桿菌融合子生長(zhǎng)的培養(yǎng)基,其次為BPM培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基。CM培養(yǎng)基是最經(jīng)典的細(xì)菌培養(yǎng)基之一,可以用于各種細(xì)菌的培養(yǎng)。BPM瓊脂培養(yǎng)基和LB培養(yǎng)基可為微生物生長(zhǎng)提供氮源、碳源、磷酸鹽、維生素和無(wú)機(jī)鹽。MRS培養(yǎng)基是用于鑒別、分離乳酸菌的專(zhuān)用培養(yǎng)基[11]。本試驗(yàn)通過(guò)鏡檢觀察發(fā)現(xiàn)融合子在液體和固體培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)與親本的菌落形態(tài)明顯不同,這是基因重組的結(jié)果[12-13]?;蛑亟M不僅導(dǎo)致融合子的菌落形態(tài)發(fā)生變化,而且最適培養(yǎng)基的種類(lèi)也發(fā)生了改變。嗜酸乳桿菌在MRS培養(yǎng)基中生長(zhǎng)良好,但是與地衣芽孢桿菌融合后,CM成為了最適培養(yǎng)基,培養(yǎng)方式也以通氧搖床培養(yǎng)為佳。但是就產(chǎn)酸性能分析,融合子在MRS培養(yǎng)基中的產(chǎn)酸量最大,說(shuō)明MRS培養(yǎng)基更有利于融合子的繁殖代謝,產(chǎn)生包括乳酸在內(nèi)的次級(jí)產(chǎn)物。

    嗜酸乳桿菌和地衣芽孢桿菌的融合子兼具兩親本的優(yōu)良特性。乳酸菌和地衣芽孢桿菌都是對(duì)人體有益的益生菌,融合子既具備了地衣芽孢桿菌較強(qiáng)的產(chǎn)蛋白酶、產(chǎn)淀粉酶能力以及形成芽孢的能力,也具有了乳酸菌耐受胃部的低酸環(huán)境以及腸道前段高膽鹽環(huán)境的能力,腸道定殖能力大大增強(qiáng)[14],同時(shí)還克服了其不易培養(yǎng)和制劑化的缺陷,該融合子在厭氧和有氧環(huán)境中都能很好生長(zhǎng),可用于發(fā)酵乳、發(fā)酵肉制品、奶酪等食品的生產(chǎn),也可用于L-乳酸、蛋白酶、淀粉酶等制劑的發(fā)酵生產(chǎn),并能作為新一代乳酸菌或地衣芽孢桿菌整腸生制劑生產(chǎn)用的菌株。

    通過(guò)本試驗(yàn)研究可知在常規(guī)培養(yǎng)條件下,CM培養(yǎng)基最有利于融合子的生長(zhǎng)。CM、MRS和LB培養(yǎng)基的適宜初始pH值分別為6、7和5,BPM培養(yǎng)基初始pH值對(duì)融合子的生長(zhǎng)繁殖影響不顯著。在CM培養(yǎng)基中,37℃更適于融合子生長(zhǎng),其他培養(yǎng)基的最適培養(yǎng)溫度均為35℃。除MRS培養(yǎng)基適合隔氧靜置培養(yǎng)外,其他3種培養(yǎng)基則配以通氧搖床培養(yǎng)方式。MRS培養(yǎng)基有利于融合子發(fā)酵產(chǎn)酸,第36小時(shí)時(shí),乳酸生成量最高,達(dá)到2.30 g/L。

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