禽用乳酸菌SR1發(fā)酵條件優(yōu)化

白長(zhǎng)勝

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)分院,黑龍江 齊齊哈爾 161005)

乳酸菌是我國(guó)飼料添加劑品種目錄(2013)中允許在養(yǎng)殖動(dòng)物過(guò)程中使用的主要益生菌。在養(yǎng)殖家禽過(guò)程中,飼喂乳酸菌可維持消化道微生態(tài)平衡,拮抗和抑制腸道有害菌;提高免疫力,增強(qiáng)抗病力;提高家禽對(duì)飼料的消化吸收,促進(jìn)家禽生長(zhǎng)[1-3]。乳酸菌在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用前景十分廣闊,因此研究和開(kāi)發(fā)禽用乳酸菌制劑具有重要意義。

乳酸菌活菌制劑要充分發(fā)揮其生產(chǎn)性能,實(shí)現(xiàn)良好的益生作用,需要有足夠的活菌數(shù)[4]。乳酸菌種類眾多、性狀差異較大[5],因此針對(duì)特定的乳酸菌有必要對(duì)其發(fā)酵工藝進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,才能充分發(fā)揮其性能。溫度影響菌體生長(zhǎng)和酶活,pH影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和酶活,接種量影響生長(zhǎng)周期,因而研究出合適的發(fā)酵條件降低成本和縮短生產(chǎn)周期,才能推動(dòng)其在工業(yè)中的應(yīng)用。筆者針對(duì)篩選到的一株禽用乳酸菌SR1,通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn),優(yōu)化乳酸菌SR1的培養(yǎng)條件,為SR1在禽的養(yǎng)殖過(guò)程中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 菌 種

乳酸菌SR1,經(jīng)鑒定為乳酸片球菌(Pediococcusacidilactici),保存在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院微生物實(shí)驗(yàn)室。

1.1.2 試 劑

葡萄糖,K2HPO4,MgSO4為國(guó)藥試劑分析純;牛肉膏,蛋白胨為國(guó)藥試劑生化純。

1.1.3 培 養(yǎng) 基

乳酸菌計(jì)數(shù)培養(yǎng)基:MRS培養(yǎng)基。

發(fā)酵培養(yǎng)基(質(zhì)量濃度):葡萄糖30 g/L,牛肉膏5 g/L,蛋白胨10 g/L,K2HPO42 g/L,MgSO40.2 g/L。

1.2 儀 器

ME104電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HW-80電熱恒溫培養(yǎng)箱,杭州綠博儀器有限公司;DL-CJ-2ND超凈工作臺(tái),北京東聯(lián)哈爾濱儀器制造有限公司;UV-5200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海元析儀器有限公司;YXQ-LS-30SⅡ立式壓力蒸汽滅菌器,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;FE20K實(shí)驗(yàn)室pH計(jì),梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 方 法

1.3.1 初始發(fā)酵條件

將SR1菌株活化,挑取1環(huán)接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中,在35 ℃條件下,靜置培養(yǎng)24 h;按體積分?jǐn)?shù)為2%接種于新鮮發(fā)酵培養(yǎng)基中,35 ℃下靜置培養(yǎng)24 h。

1.3.2 發(fā)酵條件優(yōu)化單因素實(shí)驗(yàn)

以發(fā)酵液中OD660為考核指標(biāo),研究因素分別為A(溫度)、B(接種量)和C(初始pH)對(duì)乳酸菌SR1發(fā)酵的影響[5-7]。其中溫度分別為20,25,30,35,40,45,50 ℃;接種量分別為1%,3%,5%,7%,9%;初始pH分別為3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5。

1.3.3 發(fā)酵條件優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度為40 ℃,接種量為6%,初始pH為6,根據(jù)發(fā)酵條件單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)3因素3水平的L9(33)正交實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步優(yōu)化SR1發(fā)酵條件[5-7],正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 乳酸菌SR1發(fā)酵條件優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.3.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的發(fā)酵條件進(jìn)行SR1發(fā)酵實(shí)驗(yàn),與采用原始發(fā)酵條件的發(fā)酵結(jié)果進(jìn)行比較。

1.3.5 檢測(cè)條件確定

以自來(lái)水作為空白對(duì)照調(diào)零,測(cè)定發(fā)酵培養(yǎng)基和乳酸菌SR1發(fā)酵液在不同波長(zhǎng)下的OD值,確定乳酸菌SR1的最適吸收波長(zhǎng)[8]。

將SR1發(fā)酵液用發(fā)酵培養(yǎng)基稀釋,以未接種發(fā)酵培養(yǎng)基作空白對(duì)照,測(cè)定各稀釋度SR1發(fā)酵液在最適吸收波長(zhǎng)條件下的OD值;同時(shí)各稀釋度發(fā)酵液進(jìn)行活菌計(jì)數(shù),建立活菌數(shù)和OD之間的直線回歸方程。

1.3.6 分析方法

1) 菌液濃度測(cè)定,分光光度計(jì)測(cè)定OD660值;2) pH直接用pH計(jì)測(cè)定;3) 活菌計(jì)數(shù)[9-11],發(fā)酵液梯度稀釋后,選取適宜稀釋度的發(fā)酵液涂布MRS平板,35 ℃培養(yǎng)48 h后計(jì)數(shù)。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

使用Excel繪圖,采用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)條件確定

不同的菌液,最適吸收波長(zhǎng)不同。對(duì)乳酸菌的相關(guān)研究中,通常采用600 nm波長(zhǎng)測(cè)定菌液OD,本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定SR1的最適吸收波長(zhǎng)為660 nm。

在一定OD范圍內(nèi),發(fā)酵液的活菌數(shù)與OD之間成線性關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立SR1活菌數(shù)與OD660的直線回歸方程:y=2.147x-0.017,R2=0.998。x=OD,y=活菌數(shù)(108CFU/mL),OD為0.2～1.6,SR1發(fā)酵液的OD與活菌數(shù)之間呈線性關(guān)系。測(cè)定SR1菌液的OD值可以快捷、準(zhǔn)確地知道活菌數(shù)。

2.2 發(fā)酵條件單因素優(yōu)化

2.2.1 溫度對(duì)SR1發(fā)酵的影響

溫度影響微生物體內(nèi)的許多生化反應(yīng),從而影響微生物的代謝活動(dòng)。低溫時(shí)菌體生長(zhǎng)繁殖受到抑制,在一定溫度范圍內(nèi),隨著溫度升高,生化反應(yīng)速率加快,超過(guò)一定溫度限度,菌體受到抑制,甚至死亡。溫度對(duì)SR1發(fā)酵的影響如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)SR1發(fā)酵的影響Fig.1 Effects of temperature on SR1 fermentation

由圖1可知:當(dāng)溫度從20 ℃升高到40 ℃時(shí),OD660從0.295增加到1.431,提高了4.85倍;之后溫度繼續(xù)上升,OD660迅速下降,在50 ℃時(shí)降到0.168,只有最高值的24%,可見(jiàn)培養(yǎng)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)乳酸片球菌SR1的生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響,可能是溫度影響微生物體內(nèi)生化反應(yīng)過(guò)程中酶的活性,進(jìn)而影響微生物的生長(zhǎng)代謝。故選擇SR1最適發(fā)酵溫度為40 ℃。

2.2.2 接種量對(duì)SR1發(fā)酵的影響

接種量的多少直接影響發(fā)酵周期。一般情況下,接種量和微生物的生長(zhǎng)過(guò)程的適應(yīng)期成反比,接種量過(guò)少導(dǎo)致發(fā)酵周期延長(zhǎng),接種量增加則發(fā)酵周期減少,但是接種量過(guò)多也沒(méi)有必要,因?yàn)榉N子培養(yǎng)費(fèi)時(shí),且由于移入的代謝產(chǎn)物過(guò)多,改變了發(fā)酵培養(yǎng)基的初始環(huán)境,也可能延緩菌體早期的生長(zhǎng),從而影響正常發(fā)酵。接種量對(duì)SR1發(fā)酵的影響如圖2所示。

圖2 接種量對(duì)SR1發(fā)酵的影響Fig.2 Effects of inoculation amount on SR1 fermentation

由圖2可知:隨著接種量的增加,乳酸菌SR1的OD660不斷增加,在接種量為6%時(shí),OD660達(dá)到最大,然后隨著接種量繼續(xù)增加,OD660逐漸下降。其原因可能是接種量在6%時(shí),菌體可充分利用發(fā)酵培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分,接種量大于或小于6%均不利于菌株生長(zhǎng);綜合來(lái)看,當(dāng)接種量為2%～10%,對(duì)OD660的影響不大?？紤]到在接種量為6%時(shí),OD660相對(duì)最高,因此選擇6%為最佳接種量。

2.2.3 初始pH對(duì)SR1發(fā)酵的影響

pH影響微生物體內(nèi)酶的活性,從而影響菌體的新陳代謝;pH影響細(xì)胞膜所帶電荷狀態(tài),使細(xì)胞膜的通透性改變,從而影響微生物的吸收和排泄;pH影響發(fā)酵培養(yǎng)基中某些營(yíng)養(yǎng)成分的解離,從而影響菌體對(duì)這些成分的吸收利用,因此各種微生物都有其最適pH值和一定的pH范圍。初始pH對(duì)SR1發(fā)酵的影響如圖3所示。

圖3 初始pH對(duì)SR1發(fā)酵的影響Fig.3 Effects of initial pH on SR1 fermentation

由圖3可知:當(dāng)初始pH為3和3.5時(shí),OD660幾乎為零,說(shuō)明菌體基本不生長(zhǎng);當(dāng)pH為4時(shí),OD660為0.053,隨著初始pH的升高,OD660隨之增加,當(dāng)初始pH為6時(shí),OD660達(dá)到最大值,為1.461,是初始pH為4時(shí)的27.57倍;然后隨著初始pH繼續(xù)增加,OD660開(kāi)始逐漸下降,當(dāng)初始pH為7.5時(shí),OD660為1.321,是最大值的90.42%。當(dāng)初始pH低于4時(shí),乳酸片球菌SR1生長(zhǎng)停滯甚至死亡,在弱堿性至弱酸性環(huán)境下均可以正常生長(zhǎng),在弱酸性環(huán)境更有利于乳酸菌的生長(zhǎng)。故選擇SR1最適初始pH為6。

2.3 發(fā)酵條件優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以O(shè)D660值為考察指標(biāo),進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)。發(fā)酵條件優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析如表2所示。

表2 發(fā)酵條件優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2中極差可知:正交實(shí)驗(yàn)各因素對(duì)乳酸片球菌SR1發(fā)酵結(jié)果影響順序?yàn)锳>C>B,說(shuō)明溫度和初始pH對(duì)乳酸片球菌SR1的發(fā)酵影響顯著。根據(jù)K1,K2和K3,可知SR1發(fā)酵條件的最優(yōu)組合為A3B3C2,即溫度為42 ℃,接種量為7%,初始pH為6。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

乳酸菌SR1分別采用原始發(fā)酵條件和優(yōu)化后的發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同發(fā)酵條件對(duì)SR1發(fā)酵的影響

由表3可知:發(fā)酵條件優(yōu)化后,OD從1.404±0.012提高到1.541±0.011,活菌數(shù)從(3.0±0.025)×108CFU/mL提高到(3.3±0.024)×108CFU/mL,活菌數(shù)差異極顯著(p<0.01),說(shuō)明優(yōu)化發(fā)酵條件可顯著提高SR1的發(fā)酵液中的活菌數(shù),從而提高SR1的發(fā)酵水平,同時(shí)OD和活菌數(shù)符合通過(guò)實(shí)驗(yàn)確立的直線回歸方程。

3 結(jié) 論

采用單因素和正交實(shí)驗(yàn)對(duì)乳酸片球菌SR1的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化,確定最佳發(fā)酵條件:溫度為42 ℃,接種量為7%,初始pH為6,對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,優(yōu)化后OD660從1.404±0.012提高到1.541±0.011,活菌數(shù)從(3.0±0.025)×108CFU/mL提高到(3.3±0.024)×108CFU/mL,提高了10.0%,發(fā)酵條件優(yōu)化前后活菌數(shù)差異極顯著(P<0.01),說(shuō)明優(yōu)化發(fā)酵條件可以顯著提高SR1發(fā)酵水平,為后期SR1在禽的養(yǎng)殖過(guò)程中應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明:通常采用600 nm波長(zhǎng)檢測(cè)乳酸菌液OD,實(shí)驗(yàn)中SR1最適檢測(cè)波長(zhǎng)為660 nm。不同的微生物檢測(cè)波長(zhǎng)不同可能與菌體的體積、形狀有關(guān);常用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行活菌計(jì)數(shù),該法結(jié)果準(zhǔn)確,但操作復(fù)雜,不能及時(shí)得到結(jié)果。在一定OD范圍內(nèi),菌體的OD與活菌數(shù)之間成線性關(guān)系,測(cè)定OD可以計(jì)算出活菌數(shù),比平板計(jì)數(shù)法更便捷、迅速。