何軼群 雷趙民 吳潤(rùn) 萬(wàn)學(xué)瑞 刁小龍 艾文娜
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730070)
近幾年來(lái),我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展迅速,動(dòng)物養(yǎng)殖規(guī)模日益擴(kuò)大,但由于我國(guó)耕地面積減少,用于生產(chǎn)飼料的原料嚴(yán)重不足,加之對(duì)秸稈類(lèi)植物的利用率相對(duì)較低,養(yǎng)殖業(yè)和飼料生產(chǎn)的矛盾日益突出,這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展。因此,發(fā)展飼料工業(yè)以及加大對(duì)秸稈類(lèi)植物飼料化的轉(zhuǎn)化是目前我國(guó)畜牧業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。目前對(duì)秸稈類(lèi)粗飼料的加工處理主要有物理加工法、化學(xué)加工法和微生物發(fā)酵法,其中以微生物發(fā)酵法中的青貯法應(yīng)用最為廣泛。這是因?yàn)榻斩掝?lèi)植物經(jīng)微生物青貯發(fā)酵后具有柔軟多汁、氣味芳香、適口性好、原料營(yíng)養(yǎng)保留較多、胡蘿卜素和蛋白質(zhì)損失少、水分多以及可長(zhǎng)期保存等特點(diǎn)[1-3]。研究發(fā)現(xiàn),青貯飼料質(zhì)量的好壞又同它所含有的乳酸菌有很大的關(guān)系,但秸稈類(lèi)植物表面附生的乳酸菌數(shù)往往較少,為改善青貯飼料的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),最行之有效的方法是添加優(yōu)質(zhì)乳酸菌生物添加劑,使乳酸菌迅速成為青貯環(huán)境的優(yōu)勢(shì)菌群,迅速降低青貯飼料的pH值,抑制有害菌的生長(zhǎng),改善青貯飼料發(fā)酵品質(zhì)、抑制二次發(fā)酵,從而達(dá)到長(zhǎng)期保存飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的目的。并且乳酸菌是動(dòng)物胃腸道的益生菌群,代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸、細(xì)菌素、過(guò)氧化氫、雙乙酰等多種天然抑菌物質(zhì),具有維持腸道內(nèi)菌群平衡,提高機(jī)體免疫力,促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收等多種功能[4]。
青貯飼料中含有豐富的乳酸菌,包括腸球菌、乳酸乳球菌、明串珠菌、鏈球菌和乳桿菌等,它們?cè)谇噘A飼料發(fā)酵中起重要作用。本試驗(yàn)旨在從青貯飼料中分離生物學(xué)特性?xún)?yōu)良的乳酸菌,從而為青貯飼料添加劑的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 青貯樣品 玉米秸稈青貯飼料樣品采自甘肅省平?jīng)?、臨洮、康樂(lè)等地青貯窯。樣品采集后迅速置于無(wú)菌自封袋中,4℃保存。
1.1.2 菌株及主要試劑 參考菌株:干酪乳桿菌(Lactobaillus casei)、乳酸乳球菌乳酸亞種(Lactocaccus lactis subsp. lactis)均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院甘伯中教授惠贈(zèng);大腸桿菌(Escherichia coli)、沙門(mén)菌(Salmonella)、蠟狀芽胞桿菌(Bacillus cereus)、金黃色葡萄球菌(Streptococcus aureus)、酵母菌(Saccharomycetes)、青霉菌(Penicillium)、曲霉菌(Aspergillus)、根霉菌(Rhizopus)、E. coli DH5α均由本實(shí)驗(yàn)室保存;細(xì)菌基因組提取試劑盒購(gòu)自北京百泰克生物技術(shù)有限公司;糖微量發(fā)酵管購(gòu)自青島海博生物科技有限公司;其它所需試劑均為進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)分析純產(chǎn)品。
1.2.1 細(xì)菌分離
1.2.1.1 樣品采集處理 樣品經(jīng)四分法處理后,無(wú)菌稱(chēng)取25 g加入225 mL滅菌生理鹽水中,于37℃恒溫?fù)u床搖動(dòng)2 h備用。
1.2.1.2 乳酸菌的分離 用無(wú)菌生理鹽水稀釋樣品溶液,取10-3-10-5三個(gè)稀釋度,各稀釋度取液體0.1 mL分別均勻涂布于含有CaCO3的MRS和M17培養(yǎng)基平板上,將平板置于厭氧培養(yǎng)盒后37℃培養(yǎng)72 h。
1.2.2 乳酸菌分離株的鑒定
1.2.2.1 乳酸菌分離株的初步鑒定 挑取溶鈣圈較明顯的典型菌落,在MRS平板上反復(fù)劃線(xiàn)得到單個(gè)菌落,觀(guān)察記錄菌落形態(tài),進(jìn)行革蘭氏染色鏡檢,并做觸酶試驗(yàn)。
1.2.2.2 乳酸菌生理生化鑒定 根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的方法,對(duì)疑似乳酸桿菌做運(yùn)動(dòng)性、明膠液化、吲哚、H2S產(chǎn)生、硝酸鹽還原和pH4.5生長(zhǎng)試驗(yàn)。對(duì)于疑似乳酸球菌還需要做精氨酸分解、葡萄糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣、10℃和45℃生長(zhǎng)、pH9.6生長(zhǎng)和6.5% NaCl生長(zhǎng)試驗(yàn)。對(duì)所有菌株采用糖微量發(fā)酵管法進(jìn)行糖發(fā)酵試驗(yàn)。
1.2.2.3 乳酸菌16S rRNA基因序列分析 參考已發(fā)表的乳酸菌通用引物進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA基因擴(kuò)增,正向引物5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'[6];反向 引 物5'-CTACGGCTACCTTGTTACGA-3'[7]。以 上引物由上海Invitrogen公司合成。細(xì)菌基因組DNA的提取嚴(yán)格按照試劑盒說(shuō)明進(jìn)行。PCR擴(kuò)增體系為25 μL,上下游引物各1 μL、模板DNA 2 μL、預(yù)混酶12.5 μL、水8.5 μL。反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性5 min;95℃ 45 s,50℃ 45 s,72℃ 1.5 min,35個(gè)循環(huán);72℃延伸10 min,4℃保存。預(yù)計(jì)擴(kuò)增片段長(zhǎng)度約為1 500 bp。將PCR產(chǎn)物回收后,連接pMD18-T載體并轉(zhuǎn)化E. coli DH5α,經(jīng)藍(lán)白斑篩選為陽(yáng)性克隆后送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果在GenBank中進(jìn)行BLAST分析。
1.2.3 優(yōu)良乳酸菌的篩選
1.2.3.1 產(chǎn)酸性試驗(yàn) 將活化的乳酸菌分離株按5%量接入MRS液體培養(yǎng)基,每組設(shè)3個(gè)重復(fù),置于37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)30 h,每隔2 h無(wú)菌取樣測(cè)pH值,記錄結(jié)果。
1.2.3.2 抑菌試驗(yàn) 乳酸菌分離株發(fā)酵上清液抑菌試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行。
1.2.4 乳酸菌生物學(xué)特性測(cè)定
1.2.4.1 乳酸菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的測(cè)定 將活化的乳酸菌按5%量接入MRS液體培養(yǎng)基,37℃恒溫培養(yǎng)30 h。每隔2 h取樣測(cè)各組菌液的OD600nm值,繪制生長(zhǎng)曲線(xiàn)圖。
1.2.4.2 溫度敏感試驗(yàn) 將活化的乳酸菌按5%量接入MRS液體培養(yǎng)基后分別置于37℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃溫箱,每組設(shè)3個(gè)重復(fù),恒溫培養(yǎng)15 h,取樣測(cè)各組菌液的OD600nm值,以培養(yǎng)溫度為橫坐標(biāo),菌液OD600nm值為縱坐標(biāo)制圖。
1.2.4.3 耐鹽性試驗(yàn) 將活化的乳酸菌按5%量分別接入NaCl濃度為(0、0.02、0.04、0.06、0.08和1.0 g/mL)的MRS液體培養(yǎng)基中,每組設(shè)3個(gè)重復(fù),37℃恒溫培養(yǎng)15 h,取樣測(cè)各組菌液的OD600nm值,以Na-Cl濃度值為橫坐標(biāo),菌液OD600nm值為縱坐標(biāo)制圖。
1.2.4.4 不同pH值生長(zhǎng)試驗(yàn) 將活化的乳酸菌按5%量分別接入pH為2、4、6、8和10的MRS液體培養(yǎng)基中,每組設(shè)3個(gè)重復(fù),37℃恒溫培養(yǎng)15 h,取樣測(cè)各組菌液的OD600nm值,以pH值為橫坐標(biāo),菌液的OD600nm值為縱坐標(biāo)制圖。
從含有CaCO3的MRS和M17平板上挑取溶鈣圈直徑>4 mm的菌落,在MRS平板上純化后保存。
2.2.1 形態(tài)、染色及培養(yǎng)特性 在MRS培養(yǎng)基上出現(xiàn)乳白色或灰白色、表面光滑、邊緣整齊、大小不一的圓形菌落,經(jīng)革蘭氏染色為陽(yáng)性、無(wú)芽孢、觸酶試驗(yàn)陰性的初步鑒定為乳酸菌,共分離出12株細(xì)菌。
2.2.2 乳酸菌生理生化特性 參考菌株的各生理生化試驗(yàn)均與標(biāo)準(zhǔn)相符,依據(jù)分離株的生理生化特性(表1-表3),結(jié)合形態(tài)和染色特征,12株乳酸菌分離株的運(yùn)動(dòng)性、明膠液化、吲哚形成、H2S試驗(yàn)、硝酸鹽還原試驗(yàn)均為陰性,其中B1-4、B2-7、B2-8、B2-9、B3-1的pH4.5生長(zhǎng)試驗(yàn)為陽(yáng)性,被鑒定為乳桿菌屬細(xì)菌,除B1-4外上述各菌株在糖發(fā)酵類(lèi)型上與植物乳桿菌非常相似可能為相同的種。B1-7不分解精氨酸,45℃、6.5% NaCl、pH9.6生長(zhǎng)試驗(yàn)均為陰性,被鑒定為明串珠菌屬,B1-3、B1-6、B2-3、B4-5、B5-1、B5-2的各生理生化試驗(yàn)結(jié)果非常相似,但B1-3、B1-6、B2-3、B4-5、B5-1在糖發(fā)酵類(lèi)型上更為相似,通過(guò)生理生化試驗(yàn)暫不能將以上菌株鑒定到屬。B2-7、B2-8、B2-9、B3-1、B1-3、B2-3、B4-5、B5-1、B5-2利用葡萄糖只產(chǎn)酸不產(chǎn)氣,為同質(zhì)型發(fā)酵乳酸菌,B1-4、B1-6、B1-7利用葡萄糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣,為異質(zhì)型發(fā)酵乳酸菌。
表1 乳酸桿菌生理生化特性
表2 乳酸球菌生理生化特性
表3 乳酸菌糖發(fā)酵結(jié)果
2.2.3 16S rRNA基因序列特征 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)12 g/L的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),12株分離乳酸菌在1 500 bp處出現(xiàn)特異性條帶,與預(yù)期擴(kuò)增大小一致說(shuō)明擴(kuò)增成功。將各菌株的16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果在GenBank中進(jìn)行BLAST分析,各菌株與參考菌株的同源性均達(dá)到99%(表4)。菌株B1-3、B1-6、B2-3、B4-5、B5-1被鑒定為戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)、B2-7、B2-8、B2-9、B3-1被鑒定為植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、B1-4被鑒定為發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillus fermentum)、B1-7被鑒定為腸系膜明串珠菌腸膜亞種(Leuconostoc mesenteroides subsp. mesenteroides)、B5-2被鑒定為屎腸球菌(Enterococcus faecium)。
表4 分離菌株16S rRNA序列的 BLAST分析結(jié)果
表5 乳酸菌分離株的產(chǎn)酸性(pH值)
2.3.1 產(chǎn)酸性試驗(yàn) 由表5可見(jiàn),菌株B2-8產(chǎn)酸最快,接種4 h后pH降4以下,20 h后降到2.5;菌株B3-1、B1-6、B1-3次之,分別于6 h后降到4以下,20 h后降到3.0;菌株B2-9、B4-5接種8 h后pH下降到4以下,20 h后下降到3.0。以上菌株顯示了較好的產(chǎn)酸能力,具有良好的青貯潛力。菌株B1-7、B2-3、B2-7、B4-5、B5-1、B5-2產(chǎn)酸相對(duì)較慢,但20 h后降到4以下,也具有青貯潛能。
2.3.2 抑菌試驗(yàn) 抑菌試驗(yàn)結(jié)果由表6可以看出,所有測(cè)試乳酸菌分離株上清液對(duì)霉菌均無(wú)抑制作用,其中菌株B3-1抑菌譜寬,抑菌活性最佳,菌株B2-3和B2-8次之。B1-4、B2-9、B4-5、B5-2對(duì)病原細(xì)菌、霉菌、酵母菌均無(wú)抑制作用。
表6 乳酸菌分離株上清液的抑菌效果(mm)
通過(guò)產(chǎn)酸性試驗(yàn)和抑菌試驗(yàn)結(jié)果,再結(jié)合考慮青貯體系生物多樣性和菌種自身特性,初步篩選出B1-6、B1-7、B2-3、B2-8、B3-1和B5-2共6株優(yōu)良的乳酸菌,并進(jìn)一步對(duì)其生物學(xué)特性進(jìn)行比較。
2.4.1 生長(zhǎng)曲線(xiàn)測(cè)定 由圖1可知,菌株B1-7和B5-2適應(yīng)期較短,在2 h后就進(jìn)入對(duì)數(shù)期,生長(zhǎng)速度較快,8 h后達(dá)到穩(wěn)定期。其余各菌株的適應(yīng)期較長(zhǎng),4 h后進(jìn)入對(duì)數(shù)期,14 h后進(jìn)入穩(wěn)定期。
圖1 乳酸菌分離株的生長(zhǎng)曲線(xiàn)
2.4.2 溫度敏感試驗(yàn) 由圖2可知各菌株在培養(yǎng)溫度高于55℃時(shí)基本不再生長(zhǎng)。B3-1、B2-8、B1-6和B2-3在培養(yǎng)溫度為50℃時(shí)OD值均較初始值高,說(shuō)明上述菌株具有較強(qiáng)的耐高溫能力,B5-2次之。菌株B1-7對(duì)溫度較為敏感在培養(yǎng)溫度為45℃時(shí)基本不再生長(zhǎng)。
圖2 乳酸菌分離株經(jīng)不同溫度培養(yǎng)15 h后的OD600nm值
2.4.3 耐鹽性試驗(yàn) 由圖3可知,隨著NaCl濃度的增高各菌株的生長(zhǎng)也相應(yīng)的減弱。B1-7和B5-2在NaCl濃度為0.08 g/mL時(shí)基本不再生長(zhǎng),其余菌株在NaCl濃度為0.1 g/mL時(shí)基本不再生長(zhǎng)。B2-3在NaCl濃度為0.08 g/mL時(shí)較初始值顯著增高,說(shuō)明其具有較強(qiáng)的耐鹽能力。
2.4.4 不同pH值生長(zhǎng)試驗(yàn) 由圖4可知培養(yǎng)基pH過(guò)高或過(guò)低均不利于菌株的生長(zhǎng)。各菌株在培養(yǎng)基pH為6時(shí)OD值最大,說(shuō)明pH6為各菌株的最佳培養(yǎng)條件。B3-1、B2-8、B1-6、B2-3和B5-2在pH為4、8、10時(shí)OD值均較初始值高說(shuō)明有較強(qiáng)的耐酸堿能力,但B1-7在pH為10時(shí)基本不再生長(zhǎng)。
圖3 乳酸菌分離株在不同NaCl含量培養(yǎng)基中培養(yǎng)15 h后的OD600nm值
圖4 乳酸菌分離株在不同pH培養(yǎng)基中培養(yǎng)15 h后的OD600nm值
秸稈類(lèi)植物青貯過(guò)程中,其表面帶有的乳酸菌起到不可替代的作用,在青貯飼料中可能存在優(yōu)良的青貯用乳酸菌,且由于其附生于植物表面,更能適應(yīng)青貯環(huán)境。因此,從青貯飼料中分離篩選青貯用優(yōu)良乳酸菌是一條高效、快速的方法。對(duì)分離的細(xì)菌在形態(tài)特征、培養(yǎng)特征和生理生化特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合16S rRNA基因核苷酸序列分析方法,從基因水平對(duì)其鑒定是目前較常用的一種方法[9,10]。本研究首先通過(guò)傳統(tǒng)鑒定方法將細(xì)菌鑒定到屬,部分細(xì)菌還可鑒定到種,最后通過(guò)16S rRNA基因序列分析法對(duì)上述鑒定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)一步說(shuō)明了生化鑒定的準(zhǔn)確性,提高了細(xì)菌鑒定的準(zhǔn)確率。
青貯時(shí)乳酸菌通過(guò)厭氧呼吸將青貯飼料中的碳水化合物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸,使青貯環(huán)境的pH值下降到3.8-4.2,抑制有害菌的生長(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保存飼料及其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的目的[11]。因此作為飼料添加劑的乳酸菌的產(chǎn)酸能力和產(chǎn)酸速度直接影響青貯品質(zhì)。通過(guò)產(chǎn)酸性試驗(yàn)對(duì)分離出的12株乳酸菌進(jìn)行初步篩選,菌株B2-8產(chǎn)酸能力最強(qiáng),接種4 h后pH已降到4以下,20 h后降到2.5,說(shuō)明其能快速繁殖,創(chuàng)造酸性環(huán)境,在青貯初期具有優(yōu)勢(shì);除B1-4外其余菌株接種20 h后pH值均能下降到3.5以下,也具有良好的青貯潛能。
青貯時(shí)一些病原細(xì)菌、霉菌、酵母均可引起青貯飼料的腐敗變質(zhì),并且金黃色葡萄球菌引起的奶牛乳房炎,大腸桿菌和沙門(mén)菌引起的畜禽腸道腹瀉等問(wèn)題至今仍未很好解決。通過(guò)抑菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),所分離的乳酸菌上清液對(duì)霉菌均無(wú)抑制作用,對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌效果較為顯著,其中菌株B3-1抑菌譜寬,抑菌活性最佳,對(duì)供試病原細(xì)菌和酵母菌均有較好的抑菌作用,菌株B2-3和B2-8次之。本試驗(yàn)所分離的乳酸菌對(duì)于改變上述問(wèn)題提供了新的途徑。目前關(guān)于乳酸菌的抑菌機(jī)制主要認(rèn)為是以下兩方面:一是認(rèn)為乳酸菌的代謝產(chǎn)物具有抑菌作用[4];二是乳酸菌通過(guò)伸出偽足狀絲狀物與小腸上皮細(xì)胞結(jié)合,起占位作用,從而阻擋有害菌的侵襲[12,13]。關(guān)于乳酸菌的抗真菌機(jī)制Anders等認(rèn)為植物乳桿菌的代謝產(chǎn)物3-羥基脂肪酸具有優(yōu)良的抗真菌能力。本試驗(yàn)中所分離出的植物乳桿菌發(fā)酵上清液均無(wú)抑制真菌能力其原因還有待進(jìn)一步的研究。目前青貯飼料添加劑主要是同質(zhì)型和異質(zhì)型乳酸球菌和桿菌的多菌混合應(yīng)用,這是因?yàn)槿樗崆蚓兔鞔榫谇噘A前期迅速發(fā)酵,從而為乳酸桿菌的生長(zhǎng)提供有利條件。本研究所篩選出的B1-7和B5-2生長(zhǎng)速度較快,2 h后就進(jìn)入對(duì)數(shù)期,8 h后達(dá)到穩(wěn)定期,符合上述要求。在此之后,片球菌和乳酸桿菌占主導(dǎo)地位,pH值下降到4.2以下只有乳酸桿菌大量繁殖,因此,篩選了B2-3和B1-6兩株戊糖片球菌以及B2-8和B3-1兩株植物乳桿菌。同質(zhì)型乳酸菌和異質(zhì)型乳酸菌混合應(yīng)用主要是由于同質(zhì)型發(fā)酵乳酸菌主要生成乳酸,營(yíng)養(yǎng)成分損失少,產(chǎn)酸多且快,異質(zhì)型乳酸菌除生成乳酸外還生成乙酸等有機(jī)酸和氣體,并產(chǎn)生熱量,造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失,但其產(chǎn)生的乙酸是一種比乳酸更有效的抗真菌及霉菌的酸類(lèi)物質(zhì)[14-16],更能有效防止青貯飼料二次發(fā)酵和提高其有氧穩(wěn)定性[17]。本試驗(yàn)所篩選出的B1-6和B1-7為異型發(fā)酵乳酸菌,其余為同型發(fā)酵乳酸菌。青貯時(shí)適量的酵母可以使青貯飼料產(chǎn)生酒香味提高了青貯飼料的適口性,但是當(dāng)青貯飼料開(kāi)窖后酵母和氧氣接觸,大量繁殖并和乳酸菌競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)引起二次發(fā)酵破壞青貯飼料的有氧穩(wěn)定性[18]。篩選的菌株除B1-7外其余菌株均對(duì)酵母有一定的抑制作用,這對(duì)改變二次發(fā)酵問(wèn)題提供了可能。
本試驗(yàn)篩出的B1-6、B1-7、B2-3、B2-8、B3-1和B5-2共6株乳酸菌有乳酸球菌和乳酸桿菌,有同質(zhì)型乳酸菌和異質(zhì)型乳酸菌,并且篩選出的6株乳酸菌具有較好的產(chǎn)酸能力和抑菌能力,以及具有優(yōu)良的生物學(xué)特性和抗逆性,均為青貯用常見(jiàn)菌種,這對(duì)制備優(yōu)良的青貯飼料添加劑提供了可能,對(duì)于各菌株之間如何搭配以及其添加劑量的確定還需要在后續(xù)試驗(yàn)中做進(jìn)一步的研究。
本研究成功分離出12株乳酸菌,其中桿菌5株,球菌7株。經(jīng)鑒定植物乳桿菌4株、發(fā)酵乳桿菌1株、屎腸球菌1株、腸系膜明串珠菌腸膜亞種1株、戊糖片球菌5株,其中菌株B1-4、B1-6、B1-7為異型發(fā)酵乳酸菌,其余菌株為同型發(fā)酵乳酸菌。菌株B1-6、B1-7、B2-3、B2-8、B3-1和B5-2顯示了較好的產(chǎn)酸能力和抑菌能力,具有良好的青貯潛力。
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