余奕宏,丁小娟,丁筑紅*,宋煜婷,王 翼,陳思奇,肖仕蕓,杜勃峰
(貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院國(guó)家林業(yè)草原局刺梨工程技術(shù)研究中心 貴州省農(nóng)畜產(chǎn)品貯藏加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550025)
β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)在自然界的多種動(dòng)植物和細(xì)菌及真菌體內(nèi)廣泛存在[1],可參與微生物、植物、動(dòng)物和人體的大多數(shù)生化反應(yīng),其中包括碳水化合物的代謝,釋放葡萄糖體和配基[2-4],并在維持生物體的正常生理功能中起重要作用。β-葡萄糖苷酶在活細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生,并可在體外參與各類(lèi)反應(yīng),如水解果汁及果酒中芳香前體物質(zhì)產(chǎn)生香氣[5],生產(chǎn)非離子表面活性劑烷基糖苷等[6],從而在工業(yè)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用[7]。
動(dòng)植物來(lái)源的β-葡萄糖苷酶的培養(yǎng)周期較長(zhǎng),提取工藝相對(duì)復(fù)雜,可操作性差[8],而通過(guò)微生物法制得的β-葡萄糖苷酶易分離純化、價(jià)格低廉、產(chǎn)量高,可滿足工業(yè)化應(yīng)用需求[9-10]。工業(yè)上常用曲霉發(fā)酵產(chǎn)β-葡萄糖苷酶,但曲霉在食品衛(wèi)生方面存在安全隱患[11],而乳酸菌來(lái)源的β-葡萄糖苷酶對(duì)其相關(guān)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及其功能特性有雙重提升作用,如植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)β-葡萄糖苷酶可轉(zhuǎn)化人參皂苷[12-13]、大豆異黃酮糖苷[14]。嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)屬于乳桿菌屬(Lactobacillus),是動(dòng)物腸道菌群中的重要微生物,可以調(diào)節(jié)并改善腸道中的微生態(tài)平衡[15],還具有調(diào)節(jié)免疫[16]、減輕肥胖[17]等益生功能。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)微生物來(lái)源β-葡萄糖苷酶的研究主要集中在黑曲霉(Aspergillus niger)、木霉菌(Trichoderma)等,而對(duì)嗜酸乳桿菌產(chǎn)β-葡萄糖苷酶及其相關(guān)技術(shù)研究鮮有報(bào)道,且在工業(yè)化生產(chǎn)中,現(xiàn)有β-葡萄糖苷酶產(chǎn)量較低且活力普遍偏低,其來(lái)源的局限性及較低的產(chǎn)量制約著β-葡萄糖苷酶的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用[18]。
因此,本試驗(yàn)以前期獲得的β-葡萄糖苷酶活性較高的嗜酸乳桿菌GIM.1.20為研究對(duì)象,通過(guò)單因素、正交試驗(yàn)、響應(yīng)面分析優(yōu)化其產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的發(fā)酵培養(yǎng)基及發(fā)酵條件,旨在提高β-葡萄糖苷酶產(chǎn)量,為嗜酸乳桿菌功能的開(kāi)發(fā)以及后續(xù)β-葡萄糖苷酶的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。
1.1.1 菌株
嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)GIM 1.208:本實(shí)驗(yàn)室前期篩選獲得。
1.1.2 培養(yǎng)基
MRS培養(yǎng)基:酪蛋白胨10.0 g/L,酵母提取物2.0 g/L,乙酸鈉5.0 g/L,吐溫80 1.0 g/L,七水硫酸鎂0.2 g/L,碳酸鈣20.0 g/L,牛肉膏浸提物10.0 g/L,葡萄糖20.0 g/L,檸檬酸二胺2.0 g/L,磷酸氫二鉀2.0 g/L,七水硫酸錳0.05 g/L,蒸餾水1.0 L,pH 6.8,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
刺梨培養(yǎng)基:刺梨漿15 g,蒸餾水45 mL,自然pH,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.3 化學(xué)試劑
葡萄糖(分析純):天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司;羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose sodium,CMC-Na)(分析純):天津市興復(fù)精細(xì)化工研究所;無(wú)水乙酸鈉(分析純):天津市鼎盛鑫化工有限公司;鹽酸(分析純):成都金山化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉(分析純):天津市盛鑫源偉業(yè)貿(mào)易有限公司;碳酸鈉(分析純):重慶江川化工(集團(tuán))有限公司;對(duì)硝基苯酚(p-nitrophenol,p-NP)(純度>98%):天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;4-硝基苯基-β-D-葡萄糖苷(p-Nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG)(純度>98%):美國(guó)Sigma公司。
E-201-C-9 pH復(fù)合電極:上海鴻蓋儀器有限公司;SPX-150B-Z生化培養(yǎng)箱:上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備;101-3A電熱鼓風(fēng)干燥箱:天津市泰斯特儀器有限公司;LD2X-50KBJ立式壓力蒸汽滅菌器:上海申安醫(yī)療器械廠;L5S紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì):上海儀器分析儀器有限公司;SPECTRAMAX 190全波長(zhǎng)光吸收酶標(biāo)儀:美國(guó)MolecularDevices公司;TGLIOM臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):長(zhǎng)沙邁佳森儀器設(shè)備有限公司。
1.3.1 嗜酸乳桿菌GIM1.208菌液的制備[19]
將Lactobacillus acidophilusGIM1.208接種于MRS培養(yǎng)基,37 ℃靜置培養(yǎng)48 h。吸取1 mL已活化的嗜酸乳桿菌接種于5mLMRS培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng)24h,作為種子液備用。
1.3.2β-葡萄糖苷酶活力的測(cè)定
將種子液接種于培養(yǎng)基,37 ℃靜置培養(yǎng)24 h,取菌液于10 000 r/min、4 ℃條件下離心10 min,取上清液,稀釋至一定倍數(shù),采用p-NPG法測(cè)定β-葡萄糖苷酶酶活[20-21]。
β-葡萄糖苷酶酶活定義:在37 ℃、pH 5.0反應(yīng)條件下,1 mL粗酶液酶解p-NPG 1 min產(chǎn)生1 μmol p-NP的酶活力,定義為一個(gè)酶活力單位,以U/mL表示。
1.3.3 嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶發(fā)酵培養(yǎng)基的
篩選
將種子液按2%(V/V)接種量分別接種于MRS培養(yǎng)基和刺梨培養(yǎng)基,37 ℃靜置培養(yǎng)24 h,測(cè)定β-葡萄糖苷酶活力,考察兩種培養(yǎng)基對(duì)Lactobacillus acidophilusGIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響。
1.3.4 嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化
確定發(fā)酵培養(yǎng)基后,以葡萄糖為碳源[22-23],考察葡萄糖添加量(0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%)、初始pH值(3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5)、CMC-Na添加量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)[24]對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響。初始發(fā)酵條件為接種量2%,料液比為1∶3(g∶mL),自然pH,37 ℃發(fā)酵24 h。
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以β-葡萄糖苷酶活力(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇葡萄糖添加量(A)、初始pH值(B)及CMC-Na添加量(C)進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn),因素與水平見(jiàn)表1。
表1 發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for fermentation medium optimization
1.3.5 嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)B-葡萄糖苷酶發(fā)酵條件優(yōu)化
采用單因素輪換法依次考察刺梨漿與水料液比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6(g∶mL))、發(fā)酵溫度(25 ℃、27 ℃、30 ℃、35 ℃、37 ℃、40 ℃)、發(fā)酵時(shí)間(12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h)及接種量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%)對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響。初始發(fā)酵條件為接種量2%,刺梨漿與水料液比1∶3(g∶mL),自然pH,培養(yǎng)24 h。
在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,以β-葡萄糖苷酶活力(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo),選取對(duì)結(jié)果影響顯著的因素發(fā)酵溫度(D)、接種量(E)、刺梨漿與水料液比(F)進(jìn)行3因素3水平Box-Behnken試驗(yàn),因素與水平見(jiàn)表2。
表2 發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface tests for fermentation conditions optimization
1.3.6 數(shù)據(jù)處理
每次試驗(yàn)重復(fù)3次;采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行顯著性分析,Design-Expert8.0.6軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)方案,建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行多元回歸分析,Excel 2016制圖。
利用MRS肉湯培養(yǎng)基和刺梨果培養(yǎng)基發(fā)酵嗜酸乳桿菌GIM 1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶,研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵24 h后,刺梨發(fā)酵培養(yǎng)基中β-葡萄糖苷酶活力為(3.997±0.303)U/mL,高于MRS肉湯培養(yǎng)基中β-葡萄糖苷酶活力[(1.770±0.203)U/mL],這可能與刺梨自身含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有關(guān),這類(lèi)物質(zhì)可作為嗜酸乳桿菌GIM1.208發(fā)酵產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的誘導(dǎo)物[25],促進(jìn)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)酶。因此,選用刺梨培養(yǎng)基作為最適產(chǎn)酶培養(yǎng)基。
2.2.1 葡萄糖添加量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
有研究發(fā)現(xiàn),葡萄糖可改變?chǔ)?葡萄糖苷酶的作用位點(diǎn)而增強(qiáng)酶活[26],因此,選擇葡萄糖作為碳源,考察葡萄糖添加量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,當(dāng)葡萄糖添加量為3%時(shí),β-葡萄糖苷酶活力最高,為5.92 U/mL,分析原因可能是β-葡萄糖苷酶活性與發(fā)酵體系靜電性質(zhì)和酶結(jié)構(gòu)相關(guān)[27],因此,選擇葡萄糖3%作為碳源補(bǔ)充。
圖1 葡萄糖添加量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.1 Effect of glucose addition on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.2.2 初始pH值對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
由圖2可知,隨著初始pH值的升高,β-葡萄糖苷酶活力呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),當(dāng)初始pH值為6.5時(shí),β-葡萄糖苷酶活力達(dá)到最大,為5.54 U/mL。分析原因可能是隨著發(fā)酵體系初始pH值的變化,酶的活性位點(diǎn)發(fā)生變化,對(duì)酶與底物的結(jié)合有影響,降低其活性[26]。因此,選取培養(yǎng)基初始pH值為6.5。
圖2 初始pH值對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.2 Effect of initial pH on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.2.3 羧甲基纖維素鈉對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
β-葡萄糖苷酶是誘導(dǎo)酶類(lèi),可溶性CMC-Na有助于β-葡萄糖苷酶活性的提高[23,28]。由圖3可知,隨著CMC-Na添加量的增加,β-葡萄糖苷酶活力呈先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)CMC-Na添加量為0.4%時(shí),酶活力最高,為6.13 U/mL。因此,選擇CMC-Na添加量為0.4%。
圖3 羧甲基纖維素鈉添加量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.3 Effect of carboxymethylcellulose sodium addition on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.2.4 發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析
發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表3,方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal tests for fermentation medium optimization
續(xù)表
表4 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal tests results
由表3可知,各因素對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響的主次順序?yàn)锳>C>B,即葡萄糖添加量>CMC-Na添加量>初始pH值,最優(yōu)試驗(yàn)組合為A2B1C2,即葡萄糖添加量3.0%,培養(yǎng)基初始pH值5.5,CMC-Na添加量0.4%。在此優(yōu)化條件下,β-葡萄糖苷酶活力為9.72 U/mL。由表4可知,補(bǔ)充葡萄糖和誘導(dǎo)物CMC-Na對(duì)產(chǎn)酶效果具有顯著性影響(P<0.05),而初始pH值對(duì)結(jié)果影響不顯著(P>0.05)。
2.3.1 料液比對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
水分會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程中胞外酶的合成與分泌[29]。由圖4可知,當(dāng)刺梨漿與水料液比為1∶1~1∶4(g∶mL)時(shí),β-葡萄糖苷酶活力逐漸升高;當(dāng)料液比為1∶4(g∶mL)時(shí),β-葡萄糖苷酶活力達(dá)到最大,為12.35 U/mL;當(dāng)料液比<1∶4(g∶mL)之后,β-葡萄糖苷酶活力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此,選擇最佳料液比為1∶4(g∶mL)。
圖4 料液比對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.4 Effect of material to liquid ratio on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.3.2 發(fā)酵溫度對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
由圖5可知,當(dāng)發(fā)酵溫度為25~30 ℃時(shí),隨著發(fā)酵溫度的升高,嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的能力呈上升趨勢(shì),這可能是因?yàn)闇囟壬咛岣吡速|(zhì)膜的通透性和代謝反應(yīng)的速度[30],利于細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境之間的養(yǎng)分運(yùn)輸和產(chǎn)物交換。當(dāng)發(fā)酵溫度為30 ℃時(shí),其酶活性達(dá)到最大值,為15.15 U/mL。當(dāng)發(fā)酵溫度高于30 ℃之后,β-葡萄糖苷酶活力下降[31-32]。因此,選擇最佳發(fā)酵溫度為30 ℃。
圖5 發(fā)酵溫度對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.3.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
由圖6可知,當(dāng)發(fā)酵時(shí)間<24 h之前,酶活性增加;當(dāng)發(fā)酵24 h時(shí),酶活力達(dá)到最大,為15.33 U/mL;當(dāng)發(fā)酵時(shí)間>24 h之后,酶活性呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)。此時(shí)微生物生長(zhǎng)至衰亡期,代謝減弱、酶活性降低,且發(fā)酵后期,微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物不斷積累,抑制了嗜酸乳桿菌產(chǎn)酶而降低酶活性[33]。因此,選擇最佳發(fā)酵時(shí)間為24 h。
圖6 發(fā)酵時(shí)間對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.6 Effect of fermentation time on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.3.4 接種量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響
接種量過(guò)少或過(guò)多都不利于β-葡萄糖苷酶的合成[20,34]。由圖7可知,當(dāng)接種量<2.5%之前,β-葡萄糖苷酶活力逐漸升高;當(dāng)在接種量為2.5%時(shí),β-葡萄糖苷酶活性達(dá)到最大,為15.85 U/mL;當(dāng)接種量>2.5%之后,隨著培養(yǎng)基內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏,β-葡萄糖苷酶活力緩慢減小。因此,選擇最佳接種量為2.5%。
圖7 接種量對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的影響Fig.7 Effect of inoculum on β-glucosidase production by Lactobacillus acidophilus GIM1.208
2.3.5 Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析
發(fā)酵條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表5,方差分析見(jiàn)表6。
表5 發(fā)酵條件優(yōu)化Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 5 Results and analysis of Box-Behnken tests for fermentation conditions optimization
采用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表5的結(jié)果進(jìn)行多元二次回歸擬合,得到β-葡萄糖苷酶活力(Y)與發(fā)酵溫度(D)、接種量(E)、料液比(F)的二次多項(xiàng)回歸方程:Y=-86.43+3.94D+16.16E+10.45F+0.05DE-0.01DF+0.17EF-0.06D2-3.61E2-1.30F2。
表6 回歸模型的方差分析Table 6 Variance analysis of regression model
由表6可知,回歸模型極顯著(P<0.01),失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),表明回歸方程擬合效果較好,模型選擇恰當(dāng)。決定系數(shù)R2=0.952 0,調(diào)整決定系數(shù)R2Adj=0.988 0,說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)定值間存在較好的相關(guān)性,模型選擇正確,可用此模型對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的發(fā)酵產(chǎn)酶條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。一次項(xiàng)D及二次項(xiàng)D2、E2、F2對(duì)結(jié)果影響極顯著(P<0.01),一次項(xiàng)E對(duì)結(jié)果影響顯著(P<0.05),而其他項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響不顯著(P>0.05)。
采用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解,以β-葡萄糖苷酶活力為響應(yīng)值,得到嗜酸乳桿菌產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的最優(yōu)發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度31.24 ℃、接種量2.57%、料液比1∶4.02,在此最優(yōu)條件下,最大酶活力預(yù)測(cè)值為16.81 U/mL。為便于實(shí)際操作,將最優(yōu)發(fā)酵條件修訂為發(fā)酵溫度31 ℃、接種量2.6%、料液比1∶4(g∶mL),在此最優(yōu)條件下重復(fù)試驗(yàn)6次,得到β-葡萄糖苷酶活力實(shí)際值為16.80 U/mL,與模型預(yù)測(cè)值相近,可知該模型對(duì)嗜酸乳桿菌產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的情況有較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),證明了響應(yīng)面優(yōu)化對(duì)嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的發(fā)酵生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。
通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)確定嗜酸乳桿菌GIM1.208產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的最佳培養(yǎng)基組成為葡萄糖添加量3.0%,羧甲基纖維素鈉添加量0.4%,初始pH值5.5;通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面試驗(yàn)確定最佳發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度31 ℃,發(fā)酵時(shí)間24 h,接種量2.6%,料液比1∶4(g∶mL)。在此最優(yōu)條件下,β-葡萄糖苷酶活力達(dá)16.80 U/mL,是優(yōu)化前酶活力(4.30 U/mL)的3.90倍。本試驗(yàn)結(jié)果為今后通過(guò)生物技術(shù)手段產(chǎn)β-葡萄糖苷酶應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)提供了新的候選菌株,并為嗜酸乳桿菌功能及應(yīng)用價(jià)值的提升提供了理論參考。