劉宏麗,郭曉軍,狄聰穎, 郭威,朱寶成
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071000)
產(chǎn)β-葡萄糖苷酶芽孢桿菌的篩選及水解大豆異黃酮糖苷研究
劉宏麗,郭曉軍,狄聰穎, 郭威,朱寶成
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071000)
為獲得能高效水解大豆異黃酮糖苷的芽孢桿菌,利用七葉苷平板分離法從動物的新鮮糞便中篩選產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的芽孢桿菌菌株,然后對酶活最高的菌株進行種屬鑒定和水解大豆異黃酮糖苷的研究.結(jié)果顯示:篩選到1株酶活力較高的芽孢桿菌R2-2,經(jīng)鑒定為解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens);該菌株有較高的糖苷水解能力,黃豆苷水解率最高達到53.65%,染料木苷為48.80%.
β-葡萄糖苷酶;芽孢桿菌;篩選;大豆異黃酮糖苷
大豆異黃酮(soybean isoflavones)具有較好的抗氧化、延緩衰老、防癌抗癌、增強免疫力及改善動物生產(chǎn)性能等功能[1-3],已被廣泛應(yīng)用于生物、飼料、醫(yī)藥和食品保健等領(lǐng)域.大豆中天然存在的大豆異黃酮通常以3種游離苷元、9種結(jié)合型糖苷形式存在,其中結(jié)合型糖苷約占總量的97%~98%,游離型苷元僅占2%~3%[4-5].豆粕中的大豆異黃酮以糖苷形式存在,而具有生理活性的成分主要是大豆異黃酮的游離苷元,只有轉(zhuǎn)化為苷元,才能提高大豆異黃酮的活性[6].β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)可水解結(jié)合于末端非還原性的β-D-糖苷鍵,同時釋放葡萄糖和相應(yīng)配基[7].目前獲得的高活性大豆異黃酮糖苷水解酶主要來源于植物和微生物[8-9].微生物法轉(zhuǎn)化大豆異黃酮因具有反應(yīng)條件溫和、轉(zhuǎn)化率高、不易變性、成本低、無污染等優(yōu)點而成為研究熱點.
本實驗旨在篩選出產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的芽孢桿菌,能夠高效水解大豆異黃酮糖苷為游離苷元,為提高豆粕中大豆異黃酮的活性提供菌種材料.
1.1.1 樣品
新鮮獺兔糞樣:來源于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院制藥工程實驗室.
1.1.2 培養(yǎng)基
纖維二糖培養(yǎng)基:酵母膏 2.5 g,纖維二糖 2.5 g,蛋白胨 2.5 g,(NH4)2SO41.0 g,KH2PO40.5 g,MgSO40.2 g,pH 7.2,蒸餾水1 000 mL[10].
七葉苷篩選培養(yǎng)基:酵母膏 5.0 g,蛋白胨 15.0 g,NaCl 5.0 g,瓊脂20.0 g,體積分?jǐn)?shù)為0.1%的七葉苷和3 g/L檸檬酸高鐵銨,pH 7.0,蒸餾水1 000 mL[11].
產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨10.0 g,酵母膏5.0 g,NaCl 3.0 g,Mandels微量元素溶液(1 000×),pH自然,蒸餾水1 000 mL.
1.2.1 富集培養(yǎng)
取新鮮糞便樣品1.0 g置于99.0 mL加玻璃珠的滅菌生理鹽水中,振蕩30 min,接種于纖維二糖培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r/min培養(yǎng)24 h.
1.2.2 篩選
取1.0 mL富集培養(yǎng)液進行梯度稀釋,然后取10-7~10-4倍稀釋液涂布七葉苷篩選平板,37 ℃倒置培養(yǎng)2~3 d,觀察并挑選出菌落周圍或背面顯現(xiàn)黑色的菌落.將初篩分離得到的菌株接種于產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)基,培養(yǎng)48 h后離心取上清液,采用DNS法測定酶活力[11-12].每個菌株進行3次重復(fù).選取酶活力最高的菌株進行后續(xù)研究.酶活單位采用國際定義方法:在實驗條件下,1 mL酶液每min分解底物生成1 μmol葡萄糖所需酶量定義為1個酶活單位,用U/mL表示.
1.3.1 形態(tài)特征
將菌株接種于NB培養(yǎng)基及NA平板培養(yǎng)基上,分別進行菌體及菌落形態(tài)觀察.菌株革蘭氏染色、芽孢染色參考文獻[13]進行.
1.3.2 16S rRNA基因序列測定、分析及系統(tǒng)進化樹構(gòu)建
細(xì)菌基因組DNA 的提取和 16S rRNA基因的擴增參照楊繼業(yè)[14]的方法,PCR產(chǎn)物送交北京華大基因科技股份有限公司進行測序.與EzBioCloud數(shù)據(jù)庫中的核苷酸序列進行在線同源性序列分析,選取同源性較高的序列,采用MEGA.5軟件進行多序列比對,建立進化樹.
1.3.3 生理生化特性測定
根據(jù)菌株的16S rRNA基因序列分析的初步結(jié)果,依據(jù)文獻[15]進行生理生化特征的測定,觀察并記錄結(jié)果.
大豆異黃酮糖苷水解方法參考文獻[16].
大豆異黃酮糖苷水解率計算公式W=(A-B)/A×100%.
式中,W為大豆異黃酮水解率;A為酶解前大豆異黃酮糖苷含量;B為酶解后大豆異黃酮糖苷含量.
高效液相色譜分析條件為色譜柱:Waters C18柱(150 mm×4.6 mm,5μm);流速:0.8 mL/min;檢測波長:260 nm;進樣量:20 μL;柱溫:30 ℃;流動相:體積分?jǐn)?shù)為0.1%的冰醋酸+乙腈∶甲醇∶水=30∶10∶60(體積比).
由于七葉苷(6,7-2-羥基-香豆素-β-D-葡萄糖苷)被β-葡萄糖苷酶分解會釋放出七葉素(6,7-2-羥基-香豆素),七葉素能與Fe3+反應(yīng)形成黑色化合物,可依據(jù)菌落背面或周圍顯現(xiàn)黑色來篩選產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的菌株,如圖1.經(jīng)纖維二糖培養(yǎng)基富集培養(yǎng)后,利用七葉苷分離培養(yǎng)基分離篩選、純化獲得18株產(chǎn)酶較高的菌株.
圖1 菌株篩選結(jié)果Fig.1 Screening results of aesculin separation culture medium
將初篩獲得的菌株進行產(chǎn)酶發(fā)酵,提取粗酶液,按照酶活測定方法繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線,測定菌株酶活,進行復(fù)篩.葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)為Y=0.009X+0.004,R2=0.998.各菌株的β-葡萄糖苷酶活性見表1,選取酶活最高且產(chǎn)芽孢的R2-2進行后續(xù)研究.
表1 各菌株發(fā)酵液的β-葡萄糖苷酶活力測定結(jié)果
2.2.1 形態(tài)特征
菌株R2-2的菌落、菌體和芽孢觀察結(jié)果如圖2所示,其形態(tài)特征見表2.
a.菌落;b.菌體(×1 000);c.芽孢(×2 000).圖2 菌株R2-2的菌落、菌體和芽孢Fig.2 Colony,mycelium and spore of strain R2-2
項目形態(tài)項目形態(tài)菌落形狀圓形菌體形態(tài)桿狀菌落大小中偏小革蘭氏染色+菌落顏色白色,邊緣灰色菌體大小(1.82~1.93μm)×0.65μm菌落邊緣不規(guī)則異染粒染色+光學(xué)特性不透明芽孢形態(tài)圓柱形或橢圓形菌落表面干燥,有火山口芽孢著生位置端生或次端生
+代表陽性;-代表陰性.
2.2.2 16S rRNA基因序列測定、分析及系統(tǒng)進化樹的構(gòu)建
經(jīng)測定,菌株R2-2的16S rRNA基因序列的長度為1 275 bp.將基因序列提交NCBI數(shù)據(jù)庫獲得登錄號MF000350.與EzBioCloud數(shù)據(jù)庫中的核苷酸序列進行在線同源性序列分析.采用 MEGA.5軟件進行多序列比對,用鄰位連接法構(gòu)建發(fā)育樹(圖3),結(jié)果顯示菌株R2-2與Bacillusamyloliquefaciens親緣關(guān)系最接近.
圖3 R2-2菌株16S rRNA基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic tree of 16S rRNA sequence of strain R2-2
2.2.3 生理生化實驗
各菌株部分生理生化實驗結(jié)果見表3.根據(jù)菌株R2-2的形態(tài)學(xué)特征、16S rRNA 比對分析和生理生化實驗結(jié)果,參照中國典型培養(yǎng)物保藏中心、中國科學(xué)院微生物研究所提供的菌屬特征描述,可將菌株R2-2鑒定為解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens).
表3 菌株R2-2部分生理生化實驗結(jié)果
大豆異黃酮酶解前后產(chǎn)物的HPLC圖譜及分析見圖4、表4.
由圖4a知黃豆苷出峰時間為4 min左右,染料木苷出峰時間為5 min左右,黃豆苷元出峰時間為9 min左右,染料木素出峰時間為15 min左右.由圖4b可知大豆異黃酮酶解前圖中含有黃豆苷和染料木苷峰,而黃豆苷元和染料木素的峰非常小,未見黃豆黃苷與黃豆黃素.這是因為黃豆黃素苷類主要存在于大豆胚芽中,在豆粕的提取物中檢測不到[17].有少量苷元存在是由于大豆自身含有少量的大豆β-葡萄糖苷酶,有一定的水解能力,但酶活較低[18].將酶解后異黃酮產(chǎn)物進行HPLC檢測,結(jié)果如圖4c,仍可見到黃豆苷、染料木苷的峰,同時檢測到黃豆苷元和染料木素的峰,可以認(rèn)定實驗菌株所產(chǎn)β-葡萄糖苷酶具有水解大豆異黃酮糖苷的能力.
經(jīng)計算(表4)酶解之后大豆異黃酮糖苷含量明顯減少,苷元含量明顯增加.經(jīng)菌株R2-2所產(chǎn)β-葡萄糖苷酶水解,黃豆苷的峰面積從54.20%降低到25.12%,水解率達到53.65%.染料木苷的峰面積從41.92%降低到21.59%,水解率達到48.8%.黃豆苷元的峰面積由2.02%增加到22.08%;染料木素的峰面積由1.5%增加到16.88%.大豆異黃酮糖苷總水解率達51.40%.黃豆苷元的含量增加了10.93倍,染料木素含量增加了11.25倍,游離型苷元含量明顯增加.由結(jié)果可知實驗所得菌株具有較高的糖苷水解能力,可大大提高大豆異黃酮的活性.
表4 大豆異黃酮酶解前后單體變化及糖苷水解率
a.大豆異黃酮標(biāo)準(zhǔn)品;b.大豆異黃酮酶解前;c.大豆異黃酮酶解后.1.黃豆苷;2.染料木苷;3.黃豆苷元;4.染料木素.圖4 大豆異黃酮酶解前后HPLC色譜圖Fig.4 HPLC chromatogram before and after enzymatic hydrolysis of soybean isoflavone
大豆異黃酮苷元可促進動物生長、提高繁殖能力、增強機體免疫,是一種優(yōu)質(zhì)的生物活性物質(zhì).豆粕中的大豆異黃酮主要為糖苷形式[19],糖苷形式的大豆異黃酮不能被哺乳動物腸道直接吸收,必須經(jīng)微生物產(chǎn)生的糖苷酶除去糖基,生成的苷元才能發(fā)揮生物活性[20].用于轉(zhuǎn)化大豆異黃酮糖苷的酶有β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶等,研究最多的是β-葡萄糖苷酶[21].國內(nèi)外對產(chǎn)β-葡萄糖苷酶菌株的篩選及研究多集中在真菌(如曲霉[22-23]、木霉[24-25]、酵母菌[26-27]等)、雙歧桿菌[9,28]、乳酸桿菌[29],對芽孢桿菌的研究較少.曲霉、木霉等真菌是好氧菌,而豆粕發(fā)酵為厭氧發(fā)酵;酵母菌雖然是兼性厭氧菌,但酶活較低[27];雙歧桿菌和乳酸桿菌的產(chǎn)酶能力往往受到營養(yǎng)成分和培養(yǎng)條件的影響[30].以上各菌在應(yīng)用于豆粕發(fā)酵時均會受到不同的限制,不利于實際生產(chǎn).
Bau′等[31]檢測了開菲爾發(fā)酵劑發(fā)酵豆乳過程中大豆異黃酮成分含量變化,黃豆苷元增加了9倍,染料木素增加了4.8倍.Raimondi[28]利用22株雙歧桿菌轉(zhuǎn)化黃豆苷,B.adolescentisMB243菌株轉(zhuǎn)化48 h時β-葡萄糖苷酶酶活為0.47 U/mg,培養(yǎng)7 d黃豆苷水解率100%,苷元增加97%.本實驗利用菌株R2-2發(fā)酵的粗酶液進行大豆異黃酮糖苷水解,反應(yīng)30 min黃豆苷和染料木苷的水解率即達到53.65%和48.80%.黃豆苷元和染料木素的含量分別增大了10.93倍和11.25倍,水解大豆異黃酮糖苷效果顯著.王彩肖[32]等誘導(dǎo)S1酵母菌產(chǎn)β-葡萄糖苷酶活力提高到0.011 3 U/mL.陳紅漫[33]等篩選到1株β-葡萄糖苷酶的芽孢桿菌ZL-110,酶活為0.277 U/mL.實驗篩得解淀粉芽孢桿菌R2-2酶活達0.283 U/mL,不低于以上報道.本實驗利用七葉苷顯色原理從動物糞便中篩選到產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的芽孢桿菌R2-2.芽孢桿菌由于具有其他菌屬不具備的生產(chǎn)和應(yīng)用的優(yōu)越性,如適應(yīng)性強、繁殖周期短、兼性厭氧等,有利于進行菌劑的工業(yè)生產(chǎn),為進一步豆粕發(fā)酵研究奠定菌種基礎(chǔ),對豆粕的綜合利用和提高其附加值具有重要意義.
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ScreeningofBacillusstrainsproducingβ-glucosidaseandstudyonhydrolysisofsoybeanisoflavoneglycosides
LIUHongli,GUOXiaojun,DICongying,GUOWei,ZHUBaocheng
(College of Life Sciences,Agricultural University of Hebei,Baoding 071000,China)
In order to obtainBacillusstrains capable of efficiently hydrolyze soybean isoflavone glycosides,this study screenedBacillusstrains producingβ-glucosidase from fresh feces of animals with the help of Aesculin separation culture medium.Then the strains with relatively higherβ-glucosidase activity were identified and the ability of hydrolyzing isoflavone glucosides were studied.The results showed that a strains ofBacillusR2-2 with relatively higherβ-glucosidase activity was screened out.The identity of strains R2-2 wasBacillusamyloliquefaciens.Strain R2-2 showed rather high efficiency in hydrolyzing isoflavone glucosides.The daidzin hydrolysis rate reached 53.65%,and genistin hydrolysis rate was 48.80%.
β-glucosidase;Bacillus; screen; soybean isoflavone glycosides
10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.010
2017-03-28
河北省重點研發(fā)計劃農(nóng)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)專項(16226604D);河北省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計劃科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金專項(15C1303121015);滄州市科技支撐計劃項目(161201007D);保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(16ZN007)
劉宏麗(1990—),女,河北衡水人,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生.E-mail:1559239136@qq.com
朱寶成(1962—),男,河北滄州人,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)牧微生物應(yīng)用技術(shù)研究.
E-mail:zhu2222@126.com
S816
A
1000-1565(2017)06-0621-09
趙藏賞)