吳劍,南博,李俠,曹勇,王玉華,4,5*,王秀娟*
(1.吉林國(guó)際旅行衛(wèi)生保健中心(長(zhǎng)春海關(guān)口岸門診部),吉林 長(zhǎng)春 130062;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品生物制造創(chuàng)新中心,吉林 長(zhǎng)春 130118;4.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 大豆工業(yè)與技術(shù)國(guó)家加工實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130118;5.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家小麥和玉米深加工工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130118)
γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是一種天然的、自身不能合成蛋白的氨基酸,由于其獨(dú)特的生理功能,如改善睡眠、抗抑郁癥[1]、醫(yī)治癲癇、降血壓[2-4]、降血糖、激活和增強(qiáng)記憶力、緩解和治療孕婦自主神經(jīng)障礙等[5],還可作為治療尿毒癥的輔助藥物[6],并具有間接促進(jìn)受孕等功能[7],近年來GABA 的發(fā)展和使用受到越來越多的關(guān)注[8-9]。
獲取GABA 的傳統(tǒng)生產(chǎn)途徑一般分為化學(xué)法和生物合成法,化學(xué)法由于對(duì)環(huán)境的污染較大,生產(chǎn)的GABA 難以完全提純,副產(chǎn)物對(duì)人體的危害大不能應(yīng)用于食品醫(yī)藥行業(yè)中。生物合成法更常用[10],主要包括植物富集法和微生物發(fā)酵法。植物富集法比化學(xué)法的反應(yīng)條件溫和且基本不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。植物富集法的主要原理是高等植物組織中的內(nèi)源酶催化谷氨酸鈉的脫羧和多胺的降解[11],這兩條合成和轉(zhuǎn)化途徑生成GABA,具有反應(yīng)慢、不穩(wěn)定及產(chǎn)率低等缺點(diǎn),因此不常用于GABA 的生產(chǎn)。微生物發(fā)酵法具有反應(yīng)迅速、產(chǎn)率較高的優(yōu)點(diǎn),大量微生物都能通過發(fā)酵生產(chǎn)GABA[12]。GABA 在生物體中一般以谷氨酸通過谷氨酸脫羧酶脫羧反應(yīng)產(chǎn)生,選擇合適的產(chǎn)GABA 的生物載體是大量獲得GABA 的前提條件[13]。在早期的研究中,微生物以大腸桿菌為主,通過谷氨酸鈉的脫羧反應(yīng)生產(chǎn)GABA,雖然大腸桿菌有很強(qiáng)的谷氨酸脫羧酶的能力,但是將所得產(chǎn)物應(yīng)用于食品中存在許多局限性。乳酸菌是一種國(guó)際公認(rèn)的食品級(jí)食用細(xì)菌,可以提高食品的品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng),并賦予食品特殊的風(fēng)味[14],具有重要生物學(xué)功能(如提高免疫力、調(diào)節(jié)腸道菌群及降低膽固醇等[15])。目前由乳酸菌發(fā)酵的GABA,發(fā)酵條件簡(jiǎn)單,可以直接用作食品添加劑[16]或開發(fā)乳酸菌發(fā)酵酸奶。有研究[17]從傳統(tǒng)的發(fā)酵泡菜中分離出67 種乳酸菌,通過高效液相色譜分析有27 株菌株產(chǎn)GABA,在37 ℃培養(yǎng)48 h 后,其中一株GABA 產(chǎn)量達(dá)到3.92 g/L。利用乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)GABA 安全快捷且產(chǎn)量相對(duì)較高,可以直接應(yīng)用到食品中。由此可見利用乳酸菌生產(chǎn)GABA 技術(shù)日漸成熟。篩選出合適的乳酸菌菌株和發(fā)酵條件以大量獲取GABA 是利用生物法獲取GABA領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
植物乳桿菌作為乳酸菌系統(tǒng)的一個(gè)分支,具有益生特性,適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng),能夠定植于人體腸道中,發(fā)揮作用。本研究從東北酸菜和韓國(guó)泡菜中篩選獲得高產(chǎn)GABA 的植物乳桿菌菌株,通過16S rDNA 對(duì)其進(jìn)行測(cè)序鑒定乳酸菌種類,并對(duì)該菌株的益生特性進(jìn)行深入研究,旨在為其后續(xù)功能性食品的研究開發(fā)提供參考。
自然發(fā)酵東北酸菜、韓國(guó)泡菜:市售;人工胃腸液、GABA 標(biāo)準(zhǔn)品:北京奧博星生物技術(shù)有限公司;冰醋酸:江蘇奧福生物科技有限公司;DNA 提取試劑盒、蛋白胨、酵母提取物、葡萄糖:北京鼎國(guó)生物技術(shù)有限責(zé)任公司。所用試劑均為分析純。
PCR 儀(7500fast):美國(guó)Applied Biosystems 公司;酶標(biāo)儀(TECAN-F50):瑞士TECAN 公司;電泳儀(DYY-6C):北京六一儀器廠;高速冷凍離心機(jī)(JXN-30/26):上海BBI 公司;-80 ℃冰箱(MDF-U3386S):日本SANYO 電器集團(tuán)。
1.3.1 試劑的配制
紙層析展開劑:正丁醇∶冰醋酸∶水(體積比)=2∶1∶1,加入0.8% 顯色劑茚三酮。層析洗脫劑:75% 乙醇∶0.1% 硫酸銅(體積比)=38∶2。硼酸緩沖溶液:稱取1.236 8 g 硼酸和0.292 5 g NaCl,溶解定容至100 mL制成A 液,溶解1.907 0 g 硼酸鈉并定容至100 mL 制成B 液;將A 液與B 液混合(體積比1∶9)配制成pH9.0 的硼酸緩沖液,4 ℃避光保存,現(xiàn)用現(xiàn)配。5 mg/mL GABA標(biāo)準(zhǔn)濃儲(chǔ)液溶液:適量去離子水溶解500 mg GABA 粉末并定容至100 mL,4 ℃保存。
MRS 培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,牛肉膏10 g,酵母提取物5 g,磷酸氫二鉀2 g,檸檬酸二銨2 g,乙酸鈉5 g,葡萄糖20 g,吐溫80 1 mL,硫酸鎂(7H2O)0.58 g,硫酸錳(4H2O)0.25 g,蒸餾水1 000 mL,pH6.2,121 ℃滅菌15 min。固體培養(yǎng)基加入瓊脂粉15 g。
胰蛋白胨酵母膏葡萄糖培養(yǎng)基(tryptone yeast extract and glucose medium,TYG):胰蛋白胨10 g,酵母提取物5 g,葡萄糖20 g,丁二酸鈉5 g,1 000 mL 蒸餾水,加入L-谷氨酸(1 mg/mL)20 mL,pH6.5,115 ℃滅菌25 min。
溶菌肉湯培養(yǎng)基(lysogeny broth medium,LB):胰蛋白胨10 g,酵母粉5 g,NaCl 10 g,瓊脂粉15 g,蒸餾水1 000 mL,pH6.5,121 ℃滅菌20 min。
1.3.2 產(chǎn)GABA 乳酸菌菌株的篩選
菌株初篩:取自然發(fā)酵的東北酸菜及韓國(guó)泡菜汁水稀釋10 倍,將稀釋液涂布于固體MRS 培養(yǎng)基上,37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h,選取成型單菌落于固體平板上劃線分離,反復(fù)進(jìn)行純化培養(yǎng),最終選取革蘭氏陽性菌株接種于MRS 液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h(2%,體積分?jǐn)?shù)),3 代連續(xù)培養(yǎng),得到有活力的菌株備用。
菌株復(fù)篩:將初篩得到的菌株接種于TYG 選擇培養(yǎng)基中(2%,體積分?jǐn)?shù)),37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h,連續(xù)培養(yǎng)2 代,備用。
1.3.3 發(fā)酵液中GABA 的定性分析
發(fā)酵液中GABA 的定性分析參照熊京京等[18]方法稍作改動(dòng),取1μL 發(fā)酵上清液,在薄層層析硅膠板底部1 cm 處間隔0.7 cm 點(diǎn)樣,GABA 標(biāo)準(zhǔn)液作為對(duì)照。層析缸中放入0.8 cm 的展開劑,將硅膠板平穩(wěn)放入,密封,直至展開劑擴(kuò)展至距離硅膠板上沿1 cm 處時(shí),取出晾干,放入烘箱85 ℃顯色20 min,初篩產(chǎn)GABA的菌株。
1.3.4 發(fā)酵液中GABA 的定量分析
將GABA 標(biāo)準(zhǔn)濃儲(chǔ)液依次稀釋配制成0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mg/mL 的GABA 標(biāo)準(zhǔn)溶液。具塞試管中分別加入0.2 mL 不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液和處理后的發(fā)酵上清液,加入重蒸苯酚1.0 mL(60%)和硼酸鹽緩沖液0.4 mL(pH9.0),混勻后再加入NaClO 溶液1.0 mL(10%),充分振蕩混勻。靜置5 min 后,沸水中加熱10 min,冰浴10 min,溶液變?yōu)樗{(lán)綠色后,加入2.0 mL 60% 乙醇溶液,于645 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光值。以GABA 濃度為橫坐標(biāo),吸光值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算發(fā)酵液中GABA 的含量。
1.3.5 產(chǎn)GABA 菌株的鑒定及形態(tài)觀察
菌株的鑒定:GABA 菌株DNA 的提取參照DNA提取試劑盒說明進(jìn)行,利用基因通用引物27f 和1492r擴(kuò)增,通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)體系標(biāo)準(zhǔn)化操作后,產(chǎn)物經(jīng)0.75%瓊脂糖凝膠電泳并通過凝膠成像裝置觀察,進(jìn)行16S rRNA 基因序列測(cè)序。使用美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)的Gen-Bank 數(shù)據(jù)庫對(duì)各菌株序列分析比對(duì),對(duì)同源性較高的模式菌株的16S rDNA 基因序列采用MEGA7.0 構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
菌株的形態(tài)觀察:取分離純化后的菌液1 mL 涂于MRS 培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)48 h 后記錄菌落形態(tài),取菌液革蘭氏染色,在顯微鏡下觀察并拍照。
1.3.6 菌株的生長(zhǎng)曲線及產(chǎn)酸曲線繪制
在MRS 液體培養(yǎng)基中接種2% 活化好的菌株,37 ℃培養(yǎng),每2 h 測(cè)定OD600nm值和pH 值,繪制生長(zhǎng)曲線及產(chǎn)酸曲線。
1.3.7 菌株發(fā)酵上清液對(duì)常見病原菌的抑菌試驗(yàn)
將實(shí)驗(yàn)室保藏的金黃色葡萄球菌、沙門氏菌和大腸桿菌分別活化,再稀釋至105CFU/mL,取0.1 mL 涂布于LB 培養(yǎng)基上,將無菌的濾紙片放于平板中,做3個(gè)平行組。分別吸取0.3 mL 活化好的菌株發(fā)酵上清液放入濾紙片上,于37 ℃培養(yǎng)24 h,觀察并測(cè)量抑菌圈直徑大小,進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)。
1.3.8 菌株對(duì)膽鹽的耐受性
向MRS 培養(yǎng)基中加入牛膽鹽,配制成0.2%、0.3%及0.5%的膽鹽培養(yǎng)基,取2%活化后的菌株接種于上述膽鹽養(yǎng)基中,于37 ℃培養(yǎng)24 h 后,進(jìn)行稀釋涂布,做3 組平行試驗(yàn),計(jì)算活菌數(shù)。
1.3.9 菌株對(duì)酸度的耐受性
菌株對(duì)酸度的耐受性參照Wang 等[17]的方法稍作修改,于MRS 液體培養(yǎng)基中分別加入鹽酸,配制成酸性培養(yǎng)基(pH2.0、3.0、4.0),取2% 活化后的菌株接種于酸性培養(yǎng)基中,于37 ℃培養(yǎng)24 h 后,進(jìn)行稀釋涂布,做3 組平行試驗(yàn),計(jì)算活菌數(shù)。
1.3.10 菌株對(duì)人工胃液和人工腸液的耐受性
參照趙芳等[19]的方法稍作修改,于MRS 液體培養(yǎng)基中接種2% 菌株,37 ℃培養(yǎng)24 h 后取10 mL 菌液,5 000 r/min 離心10 min,沉淀用無菌磷酸鹽緩沖溶液(phosphate buffer saline,PBS)洗滌2 次,收集菌體沉淀加入10 mL PBS 混勻。取1 mL 菌液加入9 mL 模擬人工胃液,37 ℃培養(yǎng)4 h 后,再從模擬人工胃液中取1 mL 菌液加入9 mL 模擬人工腸液,37 ℃培養(yǎng)4 h。每2 h 分別取樣進(jìn)行平板涂布計(jì)數(shù),做3 組平行試驗(yàn)。
1.3.11 菌株對(duì)常用抗生素的敏感性
在MRS 固體培養(yǎng)基上均勻涂布2%菌株,用無菌鑷子放置不同的藥敏片,于37 ℃培養(yǎng)24 h,觀察藥敏片周圍是否形成抑菌圈,并測(cè)量直徑,進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)。藥敏片為紅霉素30 μg、卡那霉素30 μg、氯霉素30μg、鏈霉素30μg、四環(huán)素30μg。用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈大小。
通過Excel、GraphPad Prism 6.0 和Design-Expert 12 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。
薄層層析定性分析結(jié)果如圖1 所示。
圖1 菌株發(fā)酵液GABA 薄層層析色譜Fig.1 Thin-layer chromatogram of gamma-aminobutyric acid(GABA)in the strain fermentation broth
由圖1 可以看出,除了菌株2,菌株1、菌株3、菌株4、菌株5 均有與GABA 標(biāo)準(zhǔn)品相同的比移值(化合物在薄層層析板上移動(dòng)的距離與溶劑前端移動(dòng)的距離之比),初步認(rèn)為4 株菌株均產(chǎn)生GABA。
比色法定量分析結(jié)果如圖2 所示。
圖2 5 株菌株GABA 產(chǎn)量對(duì)比Fig.2 Comparison of GABA production among 5 strains
由圖2 可以看出,菌株2 沒有產(chǎn)生GABA,菌株1、3、4、5 均有GABA 產(chǎn)生,且菌株3 的GABA 產(chǎn)量最高。Cataldo 等[20]從藜麥和莧菜中分離出17 株乳酸菌,30 ℃培養(yǎng)72 h 后,GABA 產(chǎn)量為16~258 mmol/L,從同一來源中篩選出來的乳酸菌的GABA 產(chǎn)量不同。綜上,選用產(chǎn)GABA 能力較強(qiáng)的菌株3 作為后續(xù)試驗(yàn)的主要研究菌株。
高產(chǎn)GABA 的菌株3 的瓊脂糖凝膠電泳如圖3所示。
圖3 篩選菌株的DNA 電泳圖Fig.3 DNA electropherogram of the screened strains
由圖3 可以看出,在1 400 bp 左右有明顯的條帶出現(xiàn)。進(jìn)行16S rRNA 測(cè)序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹如圖4所示。
圖4 植物乳桿菌Lp3 的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 Phylogenetic tree of Lactobacillus plantarum Lp3
由圖4 可以看出,該菌株的16S rRNA 與L.plantarumstrain UFLA WFC331 的同源性達(dá)到99.6%,命名為植物乳桿菌Lp3,拉丁文學(xué)名L.plantarumLp3。其菌落形態(tài)及鏡檢結(jié)果如圖5 所示。
圖5 植物乳桿菌Lp3 的菌落及菌體形態(tài)Fig.5 Colony and cell morphology of L.plantarum Lp3
由圖5 可以看出,該菌株的菌落凸起,呈乳白色,圓形光滑,半透明,邊緣整齊;菌體呈桿狀,革蘭氏陽性。
L.plantarumLp3 菌株的生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸曲線如圖6 所示。
圖6 植物乳桿菌Lp3 生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸曲線Fig.6 Growth and acid production curves of L.plantarum Lp3
由圖6 可以看出,該菌株在0~2 h 生長(zhǎng)緩慢,2~12 h 生長(zhǎng)速率快速上升,進(jìn)入對(duì)數(shù)期,因該菌株是從活化二代后的菌液中分離出來的,所以菌種活力較強(qiáng),代謝快;12 h 后生長(zhǎng)逐漸放緩進(jìn)入平穩(wěn)期,在22 h 時(shí),菌株活力最高。由產(chǎn)酸曲線可知L.plantarumLp3 菌株在接種0~6 h 發(fā)酵液pH 值下降迅速,快速產(chǎn)酸,6 h 后pH 值緩慢降低。說明該菌株有良好的生長(zhǎng)和產(chǎn)酸能力。馬莉等[21]研究結(jié)果與本研究L.plantarumLp3 菌株的生長(zhǎng)曲線和產(chǎn)酸曲線的趨勢(shì)一致。
分別取L.plantarumLp3 菌株發(fā)酵上清液及pH 值調(diào)至7.0 的上清液進(jìn)行抑菌試驗(yàn),對(duì)3 種常見病原菌的抑制作用如表1 所示。
表1 植物乳桿菌Lp3 的抑菌效果Table 1 Antibacterial effects of L.plantarum Lp3
由表1 可知,該菌株對(duì)3 種致病菌均有比較好的抑制效果,對(duì)大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為15.69、32.27、23.44 mm,對(duì)沙門氏菌的抑制作用最強(qiáng)。當(dāng)發(fā)酵上清液的pH 值調(diào)至7.0時(shí),L.plantarumLp3 抑菌能力均降低,尤其是沙門氏菌和金黃色葡萄球菌。Halimi 等[22]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵乳桿菌的低pH 值培養(yǎng)上清液對(duì)金葡菌及銅綠假單胞菌均有較強(qiáng)的抑菌能力。綜上,L.plantarumLp3 菌株具有較強(qiáng)的抑菌能力。
益生菌的重要特性之一是耐受能力,腸道環(huán)境膽鹽濃度較高,因此L.plantarum菌株的耐膽鹽能力顯得尤為重要。植物乳桿菌Lp3 體外耐膽鹽能力如圖7所示。
圖7 植物乳桿菌Lp3 體外耐膽鹽能力Fig.7 Bile salt tolerance of L.plantarum Lp3 in vitro
由圖7 可以看出,當(dāng)膽鹽濃度為0.2、0.3 g/100 mL和0.5 g/100 mL 時(shí),培養(yǎng)24 h 后L.plantarumLp3 菌株的活菌數(shù)可達(dá)6.84、6.96、7.12 lg(CFU/mL),且活菌數(shù)符合乳酸菌發(fā)揮作用的最低值,表明L.plantarumLp3菌株耐膽鹽能力較強(qiáng)。作為革蘭氏陽性菌,植物乳桿菌具有較厚的細(xì)胞壁,可能是該菌株對(duì)膽鹽環(huán)境耐受的原因之一。王祎然等[23]從酸湯中篩選出的6 株乳酸菌在相同膽鹽濃度下培養(yǎng)3 h 后存活率均超過88%。腸道由于胃酸的存在酸性較高,因此L.plantarum菌株的耐酸能力也很重要。L.plantarumLp3 菌株的耐酸能力如圖8 所示。
圖8 植物乳桿菌Lp3 體外耐酸能力Fig.8 Acid tolerance of L.plantarum Lp3 in vitro
由圖8 可以看出,在pH 值2.0、3.0 和4.0 的條件下,L.plantarumLp3 菌株在24 h 后的活菌數(shù)分別為7.29、7.72、8.28 lg(CFU/mL),存活率仍能達(dá)到90% 以上,表明L.plantarumLp3 菌株具有良好的耐酸能力。王帥靜等[24]對(duì)7 株菌株在pH2.0 和pH3.0 時(shí)培養(yǎng)幾乎不生長(zhǎng)。
益生菌菌株的重要標(biāo)準(zhǔn)是在人體胃腸道中存活的能力[25]。L.plantarumLp3 菌株先后暴露在模擬人工胃腸液的環(huán)境中,活菌數(shù)如圖9 所示。
圖9 植物乳桿菌Lp3 在模擬胃腸液中的存活情況Fig.9 Survival of L.plantarum Lp3 in simulated gastrointestinal fluid
如圖9 所示,隨著在人工胃腸液中處理時(shí)間的延長(zhǎng),L.plantarumLp3 菌株的活菌數(shù)降低。這說明L.plantarumLp3 菌株對(duì)人工胃腸液具有較好的耐受性,能顯著抵抗胃腸道環(huán)境,具備一定的益生特性。Wang等[17]將L.plantarumHU-C2W 先暴露于模擬胃液環(huán)境培養(yǎng)3 h,然后接種到模擬腸液環(huán)境培養(yǎng)12 h,乳桿菌的存活率從67.75%降至43.82%。
細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生臨床耐藥性,耐藥基因可以遺傳,從而威脅宿主,因此有必要對(duì)乳酸菌進(jìn)行抗生素敏感性試驗(yàn)[26]。L.plantarumLp3 菌株對(duì)常用抗生素的敏感性如表2 所示。
表2 植物乳桿菌Lp3 的抗藥性比較Table 2 Antibiotic resistance of L.plantarum Lp3
如表2 所示,L.plantarumLp3 菌株對(duì)卡那霉素和鏈霉素不敏感,對(duì)紅霉素、氯霉素和四環(huán)素較為敏感,但仍在安全濃度的范圍內(nèi)。結(jié)果表明L.plantarumLp3 菌株對(duì)胃腸中常用的抗生素具有一定的敏感性。
GABA 是一種自然界含量較少的氨基酸,提取困難,微生物發(fā)酵法作為一種安全且高產(chǎn)GABA 的方式,越來越受到人們的重視。本研究從東北酸菜和韓國(guó)泡菜中篩選出高產(chǎn)GABA 的菌株3,通過16Sr DNA序列分析鑒定其為植物乳桿菌,命名為L(zhǎng).plantarumLp3。該菌株生長(zhǎng)性能良好,對(duì)大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌均有比較好的抑制效果,具有良好的耐膽鹽及耐酸能力。L.plantarumLp3 菌株在體外模擬胃腸液環(huán)境中表現(xiàn)出良好的生存能力,對(duì)常用的紅霉素、氯霉素和四環(huán)素等抗生素具有一定的敏感性。L.plantarumLp3 益生性能適合作為食用菌種應(yīng)用于食品開發(fā)。