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戊糖乳桿菌素pentocin LPEM818的初步純化及特性研究*

2013-05-05 11:27于雷雷王超施波馬妙蓮段慧張明
食品與發(fā)酵工業(yè) 2013年2期
關(guān)鍵詞:戊糖指示菌硫酸銨

于雷雷,王超,施波,馬妙蓮,段慧,張明

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽合肥,230036)

細(xì)菌素(bacteriocin)是一些細(xì)菌產(chǎn)生的抗菌多肽或蛋白[1],因其能被人類胃腸道分泌的蛋白酶降解,對(duì)人體無毒副作用,所以具有作為食品生物防腐劑的潛在應(yīng)用價(jià)值,乳酸乳球菌素nisin在乳制品及罐頭制品中已得到了廣泛的應(yīng)用[2]。戊糖乳桿菌 (Lactobacillus pentosus)[3]是公認(rèn)的食品安全菌,因而對(duì)戊糖乳桿菌細(xì)菌素戊糖乳桿菌素進(jìn)行了大量研究,有關(guān)戊糖乳桿菌素的報(bào)道最早見于1999年有關(guān)pentocin TV35b的分離純化[4],我國(guó)在2004年首次報(bào)道了pentocin 31-1的分離純化[5-9]。已報(bào)道的產(chǎn)細(xì)菌素戊糖乳桿菌有 L.pentosus TV35b[4]、L.pentosus 31 -1[5-9]、L.pentosus ST151BR[10]、L.pentosus B96[11]、L.pentosus ST712BZ[12]、L.pentosus S-PT84[13]、L.pentosus b240[14]、L.pentosus IG1[15]、L.pentosus[16]、L.pentosus C50-6[3]、L. pentosus 191 和 L. pentosus 204[17]等。

戊糖乳桿菌素多屬于II類細(xì)菌素,分子量較小、熱穩(wěn)定性高、主要抑制革蘭氏陽性菌[4],但pentocin C50-6還能抑制革蘭氏陰性菌[3],在N-末端具有 IIa類細(xì)菌素的保守序列YGNGV,對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)ATCC19115有較強(qiáng)的抑制作用[5]。L.pentosus B96和L.pentosus IG1所產(chǎn)的IIb類細(xì)菌素均由2個(gè)高度疏水、對(duì)熱穩(wěn)定的小分子肽組成,2個(gè)組分在抑菌功能上具有協(xié)同作用[11,15]。Pentocin C50-6 由于沒有進(jìn)行序列測(cè)定,僅根據(jù)分子量和抑菌譜的分析推測(cè)其可能屬于抑菌譜較廣的I類或II類細(xì)菌素[3],暫未發(fā)現(xiàn)屬于IIc類、IId類、III類和IV類的戊糖乳桿菌素。細(xì)菌素的抑菌方式一般分為抑菌、殺菌不溶菌和殺菌且溶菌3種類型,研究表明現(xiàn)已報(bào)道的pentocin TV35b和pentocin 31-1對(duì)指示菌的的作用方式均為殺菌不溶菌[4-5]。戊糖乳桿菌素由于可耐受高溫處理,且大部分在酸性或弱堿性條件下穩(wěn)定[2-9],因而在食品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要探討了戊糖乳桿菌LPEM818細(xì)菌素的生物學(xué)特性以及對(duì)指示菌的作用方式等,以待為該細(xì)菌素的應(yīng)用和進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌株

產(chǎn)細(xì)菌素菌株:戊糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)LPEM818為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室篩選保藏;指示菌株見表2。

1.1.2 培養(yǎng)基

MRS培養(yǎng)基和 LB培養(yǎng)基[18]。

1.1.3 主要藥品試劑

胃蛋白酶(BBI),木瓜蛋白酶(Sangon),脂肪酶(Sigma),過氧化氫酶(Sigma),凝乳蛋白酶(BBI),胰蛋白酶(BBI),蛋白酶K(Sigma),Sephadex G-25(GE Healthcare),BSA(BBI),F(xiàn)olin-酚試劑(Sangon),尿素(BBI),EDTA(BBI),SDS(BBI)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Pentocin LPEM818的活性及效價(jià)的測(cè)定

采用牛津杯雙層平板法[19]和雙層平板二倍稀釋法[20]。

1.2.2 蛋白質(zhì)濃度的測(cè)定

Lowry 法[21]。

1.2.3 Pentocin LPEM818 的初步純化[22]

接種6環(huán)菌株LPEM818于MRS培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)14 h作為種子液。按4%的體積比將種子液接種于4 L MRS培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)24 h。將發(fā)酵液離心,過濾(0.45 μm),上清液進(jìn)行80% 硫酸銨沉淀,4℃過夜,離心取沉淀,重懸于 ddH2O中,用透析袋(500 u)透析脫鹽,經(jīng)氯化鋇檢測(cè)不含硫酸銨,收集透析液,測(cè)定其效價(jià)并冷凍干燥,得到 pentocin LPEM818干粉。將pentocin LPEM818干粉重懸于ddH2O,得到效價(jià)為1 060AU/mL的樣品,取5 mL上Sephadex G-25(1.6 cm×100 cm)凝膠層析,流速為0.6 mL/min,流動(dòng)相為ddH2O。收集各峰進(jìn)行活性檢測(cè),確定其活性峰。

1.2.4 Pentocin LPEM818的生物學(xué)特性研究

1.2.4.1 pH值和熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

樣品用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH分別調(diào)pH值至 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 和 12.0,補(bǔ)加 ddH2O 使樣品終體積相等,以ddH2O同比稀釋的樣品作為對(duì)照,每組設(shè)3個(gè)平行,37℃水浴6 h后,調(diào) pH值至5.0,檢測(cè)其抑菌活性。

樣品分別進(jìn)行 4、37、60、80、100 和 121℃水浴 15 min或30 min,以未經(jīng)處理的樣品為對(duì)照,每組設(shè)3個(gè)平行,冰浴10 min后檢測(cè)其抑菌活性。

1.2.4.2 酶和有機(jī)溶劑敏感性實(shí)驗(yàn)

樣品用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH分別調(diào)至各酶最適pH值,使各酶的最終濃度為5 mg/mL,以ddH2O同比稀釋的酶和同比稀釋的樣品分別作為對(duì)照,每組設(shè)3個(gè)平行,37℃水浴8h,沸水浴10 min,檢測(cè)抑菌活性。

樣品分別加入1%體積比的 SDS、尿素、NaCl、EDTA、Triton X-100、吐溫-80和乙腈,以 ddH2O 同比稀釋的有機(jī)溶劑和同比稀釋的樣品分別作為對(duì)照,每組設(shè)3個(gè)平行,37℃水浴4h,檢測(cè)抑菌活性。

1.2.4.3 抑菌譜的測(cè)定

采用牛津杯雙層平板法,分別對(duì)供試G+菌株和G-菌株做抑菌實(shí)驗(yàn)。

1.2.4.4 作用方式的測(cè)定

將菌株533接種于LB培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)14 h(OD600=2.89)作為種子液,按4%的體積比接種于LB培養(yǎng)基,分成兩組,一組在8h后加入 pentocin LPEM818樣品,另一組加等體積的無菌生理鹽水作為對(duì)照,37℃培養(yǎng)26 h,每2 h取出5 mL,測(cè)定OD600,計(jì)算菌落數(shù)(CFU/mL),每次測(cè)3個(gè)平行。

1.2.4.5 生理曲線的測(cè)定

將菌株LPEM818的種子液按4%的體積比接種于MRS培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)。每隔2 h取樣,測(cè)定OD600,pH值和上清液抑菌活性,各設(shè)3個(gè)平行。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pentocin LPEM818的初步純化

為了對(duì)pentocin LPEM818進(jìn)行初步純化,本實(shí)驗(yàn)以80%硫酸銨沉淀樣品為材料,進(jìn)行了Sephadex G-25(1.6 cm×100 cm)凝膠層析分析(圖1)。上樣量為5 mL,流速為0.6 mL/min,流動(dòng)相為 ddH2O,收集各峰并測(cè)定活性。

圖1 Sephadex G-25層析圖譜Fig.1 The chromatogram of G-25

經(jīng)G-25凝膠層析后,樣品有2個(gè)峰(圖1),抑菌實(shí)驗(yàn)證實(shí)第2個(gè)峰為活性峰,而第1個(gè)峰無抑菌活性,為雜蛋白峰,達(dá)到了一定的分離效果。說明硫酸銨沉淀分離法用于初步分離該細(xì)菌素是可行的。經(jīng)過硫酸銨沉淀和G-25層析分離純化后,該細(xì)菌素的純化倍數(shù)為11.09倍,回收率為6.4%(表1)。經(jīng)Tricine-SDS-PAGE電泳后,出現(xiàn)多條蛋白質(zhì)條帶(結(jié)果未顯示),分子質(zhì)量在6.5~27 ku,說明該細(xì)菌素為小分子肽。可能由于樣品上樣量太少,導(dǎo)致未檢測(cè)到有抑菌活性的條帶;要獲取單一條帶,有待進(jìn)一步優(yōu)化分離純化條件。

2.2 Pentocin LPEM818的pH值和熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

對(duì)80%硫酸銨沉淀樣品分別在不同的pH值條件下,37℃水浴6 h后,調(diào)pH值至5.0,檢測(cè)抑菌活性,以獲得該細(xì)菌素的pH穩(wěn)定性范圍。相同樣品經(jīng)不同的溫度處理15 min或30 min,冰浴10 min,檢測(cè)抑菌活性,以獲得該細(xì)菌素的熱穩(wěn)定性范圍。

表1 Pentocin LPEM818的純化表Table 1 Purification table for pentocin LPEM818

pH穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2)表明,樣品在pH 4.0~6.0條件下抑菌活性最高,其保留值約為90%,在pH 2.0和8.0條件下抑菌活性仍保留在80%,當(dāng)pH在10.0或12.0時(shí)抑菌活性完全喪失。因此,該細(xì)菌素具有較好的酸和弱堿穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)表明,樣品經(jīng)4~80℃處理后,抑菌活性保留在90%以上。經(jīng)100℃處理30 min和121℃處理15 min后,抑菌活性保留在80%以上,而經(jīng)121℃處理30 min后,其抑菌活性仍保留在66.98%。因此該細(xì)菌素是一種熱穩(wěn)定型的細(xì)菌素。

圖2 不同pH對(duì)樣品抑菌活性的影響Fig.2 The antibacterial activity of sampleat the different pH

圖3 不同溫度對(duì)樣品抑菌活性的影響Fig.3 The antibacterial activity of sample at the different temperature

2.3 Pentocin LPEM818對(duì)酶和有機(jī)溶劑的敏感性實(shí)驗(yàn)

對(duì)80%硫酸銨沉淀樣品分別經(jīng)不同的酶在37℃條件下處理8 h,沸水浴10 min,檢測(cè)抑菌活性,以確定該細(xì)菌素的酶敏感性。相同樣品經(jīng)不同的有機(jī)溶劑在37℃條件下處理4 h,檢測(cè)其抑菌活性,以確定該細(xì)菌素的有機(jī)溶劑敏感性。

對(duì)酶敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明,樣品經(jīng)蛋白酶K和胰蛋白酶處理后抑菌活性完全喪失,所以對(duì)其敏感;樣品經(jīng)凝乳蛋白酶處理后抑菌活性下降15%,所以對(duì)其較敏感;樣品經(jīng)脂蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶處理后抑菌活性基本不變,所以對(duì)其不敏感,因此該細(xì)菌素為蛋白類抑菌物質(zhì)。對(duì)有機(jī)溶劑敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)表明,樣品經(jīng)尿素處理后抑菌活性下降14%,所以對(duì)其較敏感;樣品經(jīng) Triton X-100、NaCl、吐溫-80和乙腈處理后抑菌活性不變,所以對(duì)其不敏感;該細(xì)菌素與SDS或EDTA共同作用時(shí),抑菌效果明顯好于單一作用,因此二者具有協(xié)同抑菌作用。

圖4 不同酶對(duì)樣品抑菌活性的影響Fig.4 The antibacterial activity of sample at the different enzymes

圖5 不同有機(jī)溶劑對(duì)樣品抑菌活性的影響Fig.5 The antibacterial activity of sample at the different organic solvent

2.4 Pentocin LPEM818抑菌譜的測(cè)定

用80%硫酸銨沉淀樣品分別對(duì)供試的G+菌株和G-菌株做抑菌實(shí)驗(yàn)(表2),測(cè)定抑菌圈直徑,以確定該細(xì)菌素抑菌譜。

表2 Pentocin LPEM818的抑菌譜Table 2 Antibacterial spectrum of pentocin LPEM818

硫酸銨沉淀樣品的抑菌譜測(cè)定結(jié)果(表2)表明,pentocin LPEM818對(duì)供試的G-菌株變形桿菌、雞白痢沙門氏菌、綠膿桿菌和G+菌株單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、金黃色葡萄球菌、藤黃微球菌、四聯(lián)球菌的抑制作用明顯;對(duì)糞腸球菌、發(fā)酵乳桿菌、保加利亞乳桿菌、短乳桿菌等近源乳酸菌也有較好的抑制作用。

2.5 作用方式的測(cè)定

圖6 Pentocin LPEM818對(duì)S.pullorum533的作用方式Fig.6 The effect of pentocin LPEM818 on the growth of S.pullorum 533

將接種過菌株533的LB培養(yǎng)基置于37℃培養(yǎng),每隔2 h取樣,測(cè)定其OD600值,監(jiān)測(cè)菌體濃度的變化,同時(shí)測(cè)定CFU監(jiān)測(cè)活菌數(shù)量,獲得菌體的生長(zhǎng)情況(圖6),以確定該細(xì)菌素對(duì)指示菌的作用方式。

對(duì)菌株533作用方式的研究(圖6)表明,菌體在12 h后進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期。實(shí)驗(yàn)組菌株533的活菌數(shù)在10 h,從1×108降至1×107,隨后趨勢(shì)略有下降。說明細(xì)菌素在短時(shí)間內(nèi)殺死了大量指示菌,該細(xì)菌素對(duì)指示菌的作用方式為殺菌。而對(duì)照組活菌數(shù)則呈持續(xù)上升趨勢(shì),10h后保持穩(wěn)定;實(shí)驗(yàn)組菌株533的OD600在10 h后基本保持恒定,說明該細(xì)菌素對(duì)指示菌無溶菌現(xiàn)象;而對(duì)照組OD600一直呈上升趨勢(shì),直至16 h后穩(wěn)定。因此,該細(xì)菌素對(duì)指示菌的作用方式僅為殺菌。

2.6 生理曲線的測(cè)定

將接種過菌株 LPEM818的 MRS培養(yǎng)基置于37℃培養(yǎng),每隔2 h取樣,測(cè)定OD600值,pH值和上清液抑菌活性,以測(cè)定該菌株的生理曲線。

菌株LPEM818生理曲線的測(cè)定結(jié)果(圖7)表明,菌株LPEM818置于37℃培養(yǎng),6 h進(jìn)入對(duì)數(shù)中期,16 h進(jìn)入穩(wěn)定期,此時(shí)OD600值最大,22 h進(jìn)入衰亡期。發(fā)酵上清液的pH值從6.24降至4.50,18 h后保持恒定。在對(duì)數(shù)期中期開始產(chǎn)生細(xì)菌素,且在穩(wěn)定期后期產(chǎn)量達(dá)到最大值,此時(shí)抑菌活性達(dá)到最高,隨后保持穩(wěn)定,整個(gè)過程受pH的影響較小。

圖7 L.pentosus LPEM818的生理曲線Fig.7 Production of pentocin LPEM818 during growth of L.pentosus LPEM818

3 討論與結(jié)論

3.1 Pentocin LPEM818的初步純化

細(xì)菌素的分離純化與其特性研究密切相關(guān)。細(xì)菌素的初步分離方法有鹽析法、有機(jī)溶劑沉淀法和pH吸附法等,進(jìn)一步純化方法有凝膠過濾層析、離子交換層析、疏水相互作用層析和反相高效液相色譜等。本研究采用硫酸銨沉淀和Sephadex G-25凝膠層析對(duì)pentocin LPEM818進(jìn)行了初步純化,最終純化倍數(shù)為11.09倍,但回收率僅為6.4%,說明純化過程中目的蛋白損失較大。今后應(yīng)繼續(xù)對(duì)pentocin LPEM818的分離純化條件進(jìn)行優(yōu)化,為將來的精細(xì)純化及應(yīng)用奠定基礎(chǔ),但是根據(jù)其目的蛋白峰,確定了硫酸銨沉淀法樣品用于生物學(xué)特性研究的可行性。

3.2 Pentocin LPEM818的作用方式

細(xì)菌素通常對(duì)敏感菌株的作用方式表現(xiàn)為3種類型:抑菌、殺菌不溶菌和殺菌且溶菌。本研究在S.pullorum 533的菌懸液中加入80%硫酸銨沉淀樣品后,在短時(shí)間內(nèi)對(duì)S.pullorum 533的活菌數(shù)產(chǎn)生了有效的抑制作用,并且在加入該細(xì)菌素后OD600無明顯變化,因此該細(xì)菌素對(duì)S.pullorum 533的作用方式僅為殺菌。具有與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同作用方式的細(xì)菌素有 bacTN635[23]和 plantaricin MG[24],其中 bacTN635的指示菌活菌數(shù)下降了6個(gè)單位,而OD600無明顯變化;plantaricin MG的指示菌活菌數(shù)下降了96.3%,而OD600也無明顯變化。而 plantaricin TF711[25]的指示菌活菌數(shù)在3h內(nèi)下降了1.3個(gè)單位,隨后有所上升,9h后保持穩(wěn)定,其作用方式為抑菌。所以pentocin LPEM818比bacTN635或plantaricin MG的抑菌效果稍差,但優(yōu)于plantaricin TF711。

3.3 Pentocin LPEM818的生物學(xué)特性

細(xì)菌素的生物學(xué)特性決定其潛在的應(yīng)用價(jià)值。Pentocin LPEM818在pH 2.0~8.0條件下穩(wěn)定,具有酸和弱堿穩(wěn)定性的特點(diǎn),與enterocin LR/6在pH 2.0-8.0條件下抑菌活性保留80%[26]基本相同,但其熱穩(wěn)定性不及pentocin LPEM818。Pentocin LPEM818在121℃處理30 min仍保留67%的抑菌活性,具有較好的熱穩(wěn)定性。具有相似特性的pentocin 31-1在100℃處理 15 min只保留 50%的抑菌活性[7]。pentocin LPEM818熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于pentocin 31-1。pentocin LPEM818對(duì)酶的敏感性的特點(diǎn)與Pediococcus pentosaceus CFR SIII所產(chǎn)的細(xì)菌素相似,僅對(duì)胰蛋白酶和蛋白酶K敏感[27],但其pH穩(wěn)定性范圍為3.0~5.0明顯差于本細(xì)菌素。對(duì)吐溫-80、NaCl、乙腈和 Triton X-100不敏感,對(duì)尿素敏感的特點(diǎn)與sakacin LSJ618[28]相一致,進(jìn)一步表明了該細(xì)菌素具有蛋白屬性。EDTA或 SDS本身對(duì)S.pullorum 533具有抑制作用,pentocin LPEM818與SDS或EDTA共同作用時(shí),抑菌效果明顯好于單一作用,因此二者有協(xié)同抑菌作用[28-30]。在實(shí)驗(yàn)條件下,菌株 LPEM818在對(duì)數(shù)中期開始產(chǎn)生細(xì)菌素,在穩(wěn)定期后期產(chǎn)量達(dá)到最大值,隨后保持穩(wěn)定,產(chǎn)細(xì)菌素過程受環(huán)境pH的影響較小。該細(xì)菌素對(duì)供試的大部分G+菌株和G-菌株均具有較強(qiáng)抑制作用,其抑菌譜廣,對(duì)多數(shù)致病菌和食品腐敗菌抑菌作用明顯,特別是對(duì)Listeria monocytogenes ATCC19115和G-菌株較強(qiáng)的抑制作用,所以其具有作為食品生物防腐劑的潛在應(yīng)用價(jià)值。

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