郭建軍, 熊大維, 曾 靜, 魏國(guó)汶, 杜建華, 袁 林
(1.江西省科學(xué)院微生物研究所,江西南昌330096;2.南昌工學(xué)院,江西南昌330108)
枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)屬于芽孢桿菌屬的一種,在自然界中廣泛存在,是一種嗜溫、好氧、產(chǎn)芽孢的革蘭氏陽(yáng)性桿狀細(xì)菌,對(duì)人畜無(wú)毒無(wú)害,可以分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等活性成分和產(chǎn)生抗菌物質(zhì), 具有廣譜抗菌活性 (Kimelman 等,2019), 可在動(dòng)物腸道內(nèi)產(chǎn)生生物奪氧作用,為乳酸菌生長(zhǎng)提供厭氧環(huán)境,并對(duì)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用、生長(zhǎng)、防病起到重要作用(Rhayat 等,2019);該菌已被我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列入飼料添加劑目錄名單,重點(diǎn)應(yīng)用于微生態(tài)制劑方面,其因具有無(wú)毒無(wú)殘留和無(wú)污染等“綠色”飼料添加劑特點(diǎn),而具有廣闊的發(fā)展前景(郝生宏等,2018)。
枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)快、營(yíng)養(yǎng)需求簡(jiǎn)單、易于存活、無(wú)致病性,且在生長(zhǎng)發(fā)育后期形成含水率低的休眠體芽孢; 芽孢桿菌類微生態(tài)制劑因其獨(dú)特的芽孢存在形式, 有利于該菌在環(huán)境中生存繁殖和被生產(chǎn)加工與貯藏, 較其他種類微生態(tài)制劑具有更好的商品穩(wěn)定性, 故成為飼用微生態(tài)制劑近年的開發(fā)熱點(diǎn)。 不同學(xué)者采用單因素和正交試驗(yàn)及響應(yīng)曲面法等對(duì)枯草芽孢桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化 (張紅艷等,2018), 但多數(shù)培養(yǎng)基成分為牛肉膏、酵母膏、蛋白胨等價(jià)格較昂貴的原料,不適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。 而選用低成本培養(yǎng)基原料的研究中, 更多在于研究提高單位體積發(fā)酵液活菌數(shù)量,對(duì)提高芽孢數(shù)量的研究較少。但從微生態(tài)制劑的角度考慮, 在工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)酵可達(dá)到的芽孢數(shù)直接影響微生物菌制劑的生產(chǎn)成本, 還決定著產(chǎn)品穩(wěn)定性及實(shí)際使用效果。 本試驗(yàn)以前期從健康仔豬腸道中分離鑒定的枯草芽孢桿菌SR096 為出發(fā)菌株, 對(duì)其發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行PB 試驗(yàn)、最陡爬坡試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化,以提高枯草芽孢桿菌的芽孢含量, 得到適用于工業(yè)化高產(chǎn)芽孢的發(fā)酵培養(yǎng)基,以期為枯草芽孢桿菌SR096 高產(chǎn)芽孢的工業(yè)化擴(kuò)大生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
1.1 試驗(yàn)材料 供試菌株:枯草芽孢桿菌SR096由本實(shí)驗(yàn)室從健康仔豬腸道中分離篩選并保藏;種子培養(yǎng)基及計(jì)數(shù)培養(yǎng)基:LB 培養(yǎng)基;基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基組成:蛋白胨10 g/L,淀粉10 g/L,NaCl 5 g/L,pH 7.0;人工胃液:依次將稀鹽酸16.4 mL 和胃蛋白酶10 g 加入蒸餾水中混勻, 定容至1000 mL,pH 1.5,過濾除菌備用;人工腸液:取無(wú)水磷酸二氫鉀6.8 g 在800 mL 蒸餾水溶解,滴加氫氧化鈉溶液調(diào)至pH 6.8, 再加入胰酶10 g 使其溶解,定容至1000 mL,微孔濾膜(0.22 μm)過濾除菌備用;0.3%膽鹽溶液:取3 g 牛膽鹽加入蒸餾水中使其溶解,定容至1000 mL,過濾除菌備用。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 菌體培養(yǎng) 菌株SR096 培養(yǎng):將甘油保存的枯草芽孢桿菌SR096 在LB 平板上劃線, 并置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,反復(fù)劃線兩次;再?gòu)膭澗€平板上挑取SR096 接種于LB 培養(yǎng)基,37 ℃、180 r/min 振蕩培養(yǎng)12 h 后作為種子液;按3%(V/V)將培養(yǎng)好的種子液接種于優(yōu)化培養(yǎng)基中(每250 mL 三角瓶裝液量100 mL),37 ℃、180 r/min振蕩培養(yǎng)48 h。
檢測(cè)方法:活菌計(jì)數(shù)采用平板菌落計(jì)數(shù)法;先將發(fā)酵液菌體失活(80 ℃水浴15 min),再平板菌落計(jì)數(shù),即為發(fā)酵液芽孢含量,芽孢率為芽孢含量占活菌含量的百分比。
1.2.2 最適培養(yǎng)成分單因素試驗(yàn) 選擇6 種碳源(葡萄糖、蔗糖、糖蜜、糊精、玉米粉、淀粉),7 種氮源(麥芽浸粉、酵母粉、牛肉膏、蛋白胨、硫酸銨、尿素、黃豆粉),7 種無(wú)機(jī)鹽(氯化鈉、檸檬酸鈉、氯化鉀、碳酸鈣、硫酸鋅、硫酸鎂、氯化鐵),在基礎(chǔ)培養(yǎng)基上單因素改變碳源、氮源和無(wú)機(jī)鹽的種類,配制不同發(fā)酵培養(yǎng)基。 根據(jù)發(fā)酵液中活菌含量與芽孢含量,篩選出最適碳源、氮源和無(wú)機(jī)鹽。 在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上,考察不同質(zhì)量濃度碳源(葡萄糖與玉米粉按質(zhì)量比為1:1 混合) (10、 15、20、25、30 g/L)、氮源 (酵母粉與黃豆粉按質(zhì)量比為1:1 混合)(15、20、25、30、35、40 g/L)、無(wú)機(jī)鹽(檸檬酸鈉、硫酸鎂、碳酸鈣) (0、1、2、3、4、5 g/L)對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)后活菌含量與芽孢含量的影響, 得出各組分最佳濃度。
1.2.3 發(fā)酵培養(yǎng)基響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) PB 試驗(yàn):根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基單因素的優(yōu)化結(jié)果, 采用PB 兩水平法,選用試驗(yàn)次數(shù)N=16 試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)篩選出的葡萄糖、玉米粉、酵母粉、黃豆粉、檸檬酸鈉、硫酸鎂、 碳酸鈣7 種因素進(jìn)行考察, 每個(gè)因素各取2個(gè)水平, 以枯草芽孢桿菌發(fā)酵液的芽孢含量為響應(yīng)值,篩選出對(duì)芽孢含量影響顯著的因素。
最陡爬坡試驗(yàn): 對(duì)PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選得到的顯著影響因素進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn), 確定最陡爬坡試驗(yàn)的方向和梯度,快速逼近最佳區(qū)域,確定試驗(yàn)因素的中心點(diǎn)。
BBD 試驗(yàn): 由PB 試驗(yàn)確定的3 個(gè)顯著因素為自變量和最陡爬坡試驗(yàn)確定接近響應(yīng)面區(qū)域顯著因素的具體濃度,利用BBD 設(shè)計(jì)3 因素3 水平試驗(yàn),以芽孢含量為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面法分析各顯著影響因子的最佳濃度。
搖瓶驗(yàn)證:應(yīng)用Design-expert V8.06.軟件對(duì)上述試驗(yàn)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建響應(yīng)面模型,進(jìn)行擬合分析確定最優(yōu)的發(fā)酵培養(yǎng)基組成, 進(jìn)行搖瓶模擬驗(yàn)證。
1.2.4 枯草芽孢桿菌干菌粉制備及其穩(wěn)定性 將發(fā)酵好的枯草芽孢桿菌發(fā)酵液離心去上清液收集菌泥,在沉淀中再加入玉米粉、沸石粉、無(wú)水葡萄糖等載體混勻,70 ℃烘干后,粉碎過篩制備干菌粉。
分別稱取沉淀直接烘干粉和載體混勻烘干的干菌粉樣品1 g,置于80、90、100、110 ℃和120 ℃條件下處理15 min,冷卻,測(cè)定芽孢桿菌活菌數(shù)(n=3),考察干菌粉耐熱性能;取1 g 制備的干菌粉菌劑分別接種于100 mL 溶液(人工胃液、人工腸液、0.3%膽鹽)中,置于37 ℃搖床培養(yǎng)0.5、1.0、1.5、2.0 h 和3.0 h 取樣,測(cè)定活菌數(shù)(n=3),考察干菌粉在模擬胃腸道中的穩(wěn)定性; 稱取干菌粉1 g裝入鋁袋塑封后保存于37 ℃、RH 60%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱,于10、20、40、60 d 和90 d 取樣測(cè)定活菌數(shù)(n=3),考察干菌粉的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
2.1 培養(yǎng)基單因素優(yōu)化試驗(yàn) 不同碳源對(duì)SR096 發(fā)酵液活菌含量和芽孢含量的影響見圖1, 利用速效碳源蔗糖或葡萄糖為碳源時(shí),SR096發(fā)酵液的活菌含量較高, 但以緩效碳源淀粉或玉米粉為培養(yǎng)基碳源時(shí),芽孢含量較高;當(dāng)碳源(葡萄糖與玉米粉按質(zhì)量比為1:1 混合) 濃度為15 g/L時(shí),芽孢含量與芽孢率均較高。
不同氮源對(duì)SR096 發(fā)酵液活菌含量和芽孢含量的影響見圖2,以酵母粉為氮源時(shí)SR096 發(fā)酵液的芽孢含量較高, 以黃豆粉為氮源的芽孢率較高;當(dāng)?shù)?(酵母粉與黃豆粉按質(zhì)量比為1:1 混合)濃度為30 g/L 時(shí),芽孢含量與芽孢率均較高。
不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)SR096 發(fā)酵液活菌含量和芽孢含量的影響見圖3, 培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)鹽對(duì)SR096生長(zhǎng)影響較大,當(dāng)添加硫酸鋅、氯化鈉或氯化鉀時(shí)SR096 的生長(zhǎng)繁殖明顯受抑制,當(dāng)添加檸檬酸鈉、碳酸鈣或硫酸鎂可顯著提高SR096 芽孢含量與芽孢率,檸檬酸鈉、硫酸鎂和碳酸鈣的最適添加濃度分別為3、1 g/L 和2 g/L。
2.2 PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果分析 根據(jù)前期研究結(jié)果,確定以葡萄糖(A)與玉米粉(B)為碳源,以酵母粉(C)與黃豆粉(D)為氮源,以檸檬酸鈉(E)、碳酸鈣(F)和硫酸鎂(G)為無(wú)機(jī)鹽,共7 種因素一起進(jìn)行PB 設(shè)計(jì)試驗(yàn), 設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表1,試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表2。 該模型的決定系數(shù)R2為82.91%,其校正后的決定系數(shù)R2adj為90.89%,模型的P 值為0.0013<0.01,說(shuō)明該模型能較好地?cái)M合數(shù)據(jù)。 依據(jù)表2 的P 值大小可以看出,對(duì)SR096 初始培養(yǎng)基產(chǎn)芽孢量具有顯著影響的因子依次是玉米粉(B)>檸檬酸鈉(E)>酵母粉(C),確定這3 個(gè)因素為主要影響因素進(jìn)行下一步最陡爬坡試驗(yàn)。
表1 PB 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表2 PB 試驗(yàn)方差分析結(jié)果
2.3 最陡爬坡試驗(yàn) 由表3 可知,SR096 芽孢含量最高的發(fā)酵條件介于試驗(yàn)組3 與試驗(yàn)組5 之間,故以試驗(yàn)組4 設(shè)為BBD 試驗(yàn)的中心點(diǎn),即玉米粉12 g/L、酵母粉12.5 g/L、檸檬酸鈉4.5 g/L。
表3 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
2.4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)結(jié)果與分析 BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表4, 對(duì)表4 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合, 得到擬合回歸方程為:R=-131.255+4.239X1+0.656X2+49.143X3-0.016X1X2-0.136X1X3+0.079X2X3-0.136X12-0.038X22-5.406X32。
表4 BBD 試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析結(jié)果見表5,模型P<0.0001,說(shuō)明模型極顯著,試驗(yàn)方法真實(shí)可靠;X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32的P 值均小于0.05,說(shuō)明這些因素對(duì)模型影響顯著;失擬項(xiàng)P = 0.1881>0.05,表明失擬項(xiàng)不顯著,由此說(shuō)明模型擬合度較好,試驗(yàn)誤差小,且回歸方程的決定系數(shù)R2為0.9983, 修正決定系數(shù)R2adj為0.9961,因此可用該方程進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)。
表5 BBD 試驗(yàn)方差分析結(jié)果
根據(jù)上述回歸方程及回歸模型方程分析表繪出響應(yīng)面曲面圖和相應(yīng)等高線圖見圖4, 玉米粉、酵母粉和檸檬酸鈉兩兩交互作用對(duì)芽孢含量的影響均出現(xiàn)拋物面型關(guān)系,說(shuō)明各因素之間存在交互作用,只有在各因素濃度適宜的條件下,枯草芽孢含量才會(huì)達(dá)到最大值。通過回歸方程對(duì)各個(gè)因素求導(dǎo)得到的響應(yīng)面存在一個(gè)極大值R,即當(dāng)玉米粉為12.69 g/L、酵母粉為10.66 g/L、檸檬酸鈉為4.46 g/L時(shí)芽孢數(shù)量達(dá)到最大值77.64×108cfu/mL。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)值, 根據(jù)預(yù)測(cè)最優(yōu)發(fā)酵培養(yǎng)基,經(jīng)過3 次驗(yàn)證試驗(yàn),在37 ℃、180 r/min 條件下培養(yǎng)48 h, 菌株SR096 的平均芽孢含量為76.36×108cfu/mL,實(shí)際值與預(yù)測(cè)值擬合度達(dá)98.35%, 說(shuō)明擬合方程能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)真實(shí)情況。 優(yōu)化后活菌含量為7.978×109cfu/mL,芽孢含量為7.636×109cfu/mL,芽孢率為95.7%,芽孢量較優(yōu)化前提高了6.9 倍。
2.5 枯草芽孢桿菌益生菌劑在不良環(huán)境下耐受能力與長(zhǎng)期穩(wěn)定性 試驗(yàn)制備的枯草芽孢桿菌益生菌劑的活菌數(shù)高達(dá)2000 億cfu/g, 但益生菌制劑在儲(chǔ)存或進(jìn)一步處理過程中會(huì)遇到一些極端環(huán)境。從表6 中高溫試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)菌種已定營(yíng)養(yǎng)條件不變時(shí)枯草芽孢桿菌的存活率隨溫度的升高而緩慢降低, 說(shuō)明經(jīng)芽孢化和包被處理后可以顯著提高枯草芽孢桿菌益生菌劑對(duì)高溫環(huán)境的抵御能力; 在80 ~110 ℃時(shí)的存活率高達(dá)90%以上,說(shuō)明益生菌劑可抵御110 ℃高溫, 在飼料生產(chǎn)中高溫制粒會(huì)對(duì)菌劑的活性無(wú)明顯影響。
益生菌劑只有耐受胃酸(pH 1.0 ~2.0)環(huán)境才能抵達(dá)小腸從而起到改善腸道菌群的作用。 從表6 中發(fā)現(xiàn)菌劑在人工胃液pH 1.5 中活菌數(shù)從1.5 h 開始下降,3 h 時(shí)下降幅度較大,說(shuō)明芽孢化可以明顯提高益生菌劑在胃液中的存活率; 菌劑在人工腸液中隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)活菌數(shù)不但沒有降低,反而緩慢增加,說(shuō)明在人工腸液里菌劑中的芽孢進(jìn)行了萌發(fā)與生長(zhǎng), 表明該益生菌劑可耐受動(dòng)物胃腸液,到達(dá)小腸后可定植于腸道黏膜;小腸液中膽汁的作用主要是由膽酸鹽來(lái)實(shí)現(xiàn), 菌劑在含有0.3%膽酸鹽溶液中處理3 h, 活菌存活率仍高達(dá)75%以上,說(shuō)明該益生菌劑對(duì)膽汁溶液的耐受性較好。
本試驗(yàn)采用37 ℃加速試驗(yàn)法測(cè)定菌劑的貯存穩(wěn)定性。 由表6 可知,在37 ℃、相對(duì)濕度60%條件下儲(chǔ)存3 個(gè)月,該菌劑活菌數(shù)基本沒有衰減,表明該益生菌劑可在室溫條件保存, 且穩(wěn)定性良好。 本試驗(yàn)制備的枯草芽孢桿菌益生菌劑具有耐熱、耐酸、耐膽鹽并能長(zhǎng)期保存等優(yōu)點(diǎn)。
碳源、 氮源和金屬離子是發(fā)酵培養(yǎng)基的重要組成部分, 也是微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),不同細(xì)菌對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求量不同,通過單因素和正交試驗(yàn)及響應(yīng)曲面法對(duì)枯草芽孢桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化使發(fā)酵液中的活菌數(shù)與芽孢產(chǎn)量提高。 焉兆萍等(2019)通過正交試驗(yàn)方法確定以玉米粉和豆粕為主要碳氮源發(fā)酵培養(yǎng)72 h 后細(xì)菌總數(shù)可達(dá)62 億cfu/mL; 鄭雙鳳等(2017)對(duì)枯草芽孢桿菌NTGB-178 高產(chǎn)芽孢發(fā)酵工藝優(yōu)化后發(fā)酵液中芽孢產(chǎn)量為6.16×109cfu/mL。本試驗(yàn)通過碳源、 氮源、 無(wú)機(jī)鹽等單因素優(yōu)化試驗(yàn),確定以葡萄糖與玉米粉為碳源,以酵母粉與黃豆粉為氮源,以檸檬酸鈉、碳酸鈣和硫酸鎂為無(wú)機(jī)鹽的初優(yōu)培養(yǎng)基;然后采用PB 試驗(yàn)與BBD 試驗(yàn)相結(jié)合的方法, 并且利用Design Expert 8.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)面法分析,篩選出3 個(gè)主要影響因素(玉米粉、酵母粉、檸檬酸鈉),通過響應(yīng)面法優(yōu)化后得到發(fā)酵培養(yǎng)基組成為: 葡萄糖7.5 g/L、 玉米粉12.69 g/L、酵母粉10.66 g/L、黃豆粉20 g/L、檸檬酸鈉4.46 g/L、碳酸鈣1.5 g/L、硫酸鎂2 g/L。 優(yōu)化后工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基在37 ℃、180 r/min 條件下培養(yǎng)48 h, 枯草芽孢桿菌SR096 的活菌含量為7.978×109cfu/mL, 芽孢含量為7.636×109cfu/mL,芽孢率為95.7%,芽孢量較優(yōu)化前提高了6.9 倍,有效提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本。
胡瑞萍等(2018)通過搖瓶單因素試驗(yàn)考察了碳源、氮源對(duì)生防菌株芽孢產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)效碳源(淀粉)適于生長(zhǎng)和芽孢的形成,速效碳源(如淀粉)不利于芽孢的形成。 本試驗(yàn)結(jié)果表明,用玉米粉和豆粕部分代替葡萄糖與酵母粉進(jìn)行芽孢桿菌發(fā)酵,其中,以葡萄糖7.5 g/L、玉米粉12.69 g/L、酵母粉10.66 g/L、黃豆粉20 g/L 組配的培養(yǎng)基效果最優(yōu),相比于傳統(tǒng)微生物發(fā)酵常用的碳氮源,這些組分來(lái)源廣、廉價(jià)易得,有利于降低生產(chǎn)成本。在優(yōu)化無(wú)機(jī)鹽單因素試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),添加檸檬酸鈉、碳酸鈣、 硫酸鎂可顯著提高發(fā)酵液中的活菌數(shù)與芽孢產(chǎn)量,與Posada-Uribe 等(2015)得出的結(jié)論相似。本試驗(yàn)通過優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基組分,優(yōu)化后獲得的培養(yǎng)基成分簡(jiǎn)單且價(jià)廉易得, 顯著提高了枯草芽孢桿菌SR096 發(fā)酵液的活菌含量與芽孢量,降低生產(chǎn)成本,滿足工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)的要求。
微生態(tài)制劑面臨的主要問題是不能耐受制粒過程中的高溫高壓環(huán)境和動(dòng)物的胃腸道溶液的低pH 及長(zhǎng)距離運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間貯存。本試驗(yàn)證實(shí)制備的枯草芽孢桿菌菌劑富含大量包被的芽孢, 能耐高溫和耐受動(dòng)物胃腸道的胃液、腸液和膽汁,菌劑活菌數(shù)基本不下降,并且能在常溫下長(zhǎng)期貯存。
表6 枯草芽孢桿菌益生菌劑的穩(wěn)定性
本試驗(yàn)通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法試驗(yàn)優(yōu)化,確定發(fā)酵培養(yǎng)基組成為:葡萄糖7.5 g/L、玉米粉12.69 g/L、酵母粉10.66 g/L、黃豆粉20 g/L、檸檬酸鈉4.46 g/L、碳酸鈣1.5 g/L、硫酸鎂2 g/L,優(yōu)化后發(fā)酵培養(yǎng)基在37 ℃、180 r/min 條件下?lián)u瓶培養(yǎng)48 h,枯草芽孢桿菌SR096 菌株發(fā)酵液中芽孢含量可達(dá)7.978×109cfu/mL,制備的枯草芽孢桿菌菌劑富含大量包被的芽孢, 能耐高溫和耐受動(dòng)物胃腸道的胃液、腸液和膽汁,菌劑活菌數(shù)基本不下降,并且能在常溫下長(zhǎng)期貯存。