彭靜靜,盧華娟,孫毓,劉辰星,王玲鈺,岳世陽(yáng),方鈺輝,劉小玲,王成華
(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧 530004)
如何通過(guò)便利而經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式得到有機(jī)硒或單質(zhì)硒已成為近些年的研究熱點(diǎn)[1]。本課題組前期通過(guò)基因工程方法構(gòu)建了一株谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GPx)基因重組乳酸菌NZ9000/pNZ8148-GPx(簡(jiǎn)稱NG1),利用了微生物廉價(jià)易得、方便培養(yǎng)、生長(zhǎng)較快、產(chǎn)率較高的優(yōu)勢(shì)。雖然無(wú)機(jī)形態(tài)的Na2SeO3通過(guò)微生物的內(nèi)部代謝可轉(zhuǎn)化為有利于人體吸收的成分[2],但高濃度的Na2SeO3會(huì)影響菌株的正常生長(zhǎng)[3];因NG1 應(yīng)用了乳酸菌中最具代表性的乳酸鏈球菌素誘導(dǎo)控制的基因表達(dá)系統(tǒng)(nisin-inducible controlled gene expression,NICE)[4],故乳酸鏈球菌素(Nisin)的誘導(dǎo)量是影響菌株發(fā)酵生產(chǎn)力的重要因素[5];再者,每種細(xì)菌都有最適合自身生長(zhǎng)的溫度和pH 值[6],而pH 值是乳酸菌在發(fā)酵生產(chǎn)上得以應(yīng)用的重要影響因素[7]。因此,以上4 個(gè)因素的優(yōu)化問(wèn)題將成為NG1 工程菌得以開(kāi)展后續(xù)發(fā)酵和應(yīng)用研究的前提。
因乳酸菌具有富硒能力[8],而益生菌富有維持腸道菌群生態(tài)平衡、抑菌、抗氧化等益生功能,故富硒乳酸菌具有益生菌和補(bǔ)硒的雙重功效[9]。Fuller[10]最早提出了“最好的菌種來(lái)源是分離自同種動(dòng)物的胃腸道”的觀點(diǎn)。鑒于動(dòng)物胃內(nèi)高膽鹽、強(qiáng)酸性的環(huán)境,勢(shì)必要求益生菌種具備相應(yīng)的抗逆功能。由于谷胱甘肽過(guò)氧化物酶本身具有抗氧化、抗炎等作用[11-12],本試驗(yàn)所用GPx 重組乳酸菌有望成為集乳酸菌、乳酸菌代謝物和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶三者優(yōu)勢(shì)于一體的新菌株。通過(guò)NG1 菌株體外的H2O2、膽鹽和酸度耐受試驗(yàn)可評(píng)估其抗逆功能;通過(guò)與未導(dǎo)入GPx 基因的重組乳酸菌NZ9000/pNZ8148(簡(jiǎn)稱NG0)的對(duì)比,可判斷外源GPx基因的導(dǎo)入對(duì)乳酸菌抗逆性能的影響??傊疚膶?duì)GPx 基因重組乳酸菌NG1 的培養(yǎng)溫度、初始pH 值、Na2SeO3濃度和Nisin 濃度4 個(gè)生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)其體外抗逆功能指標(biāo)進(jìn)行分析,以期為后續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)以及定殖于人體胃腸道內(nèi)的研究提供參考。
1.1.1 菌株
乳酸菌NG1:廣西大學(xué)輕工學(xué)院食品生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室保存的NZ9000/pNZ8148-GPx 重組乳酸菌;乳酸菌NG0:廣西大學(xué)輕工學(xué)院食品生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室保存的NZ9000/pNZ8148 重組乳酸菌。
1.1.2 試劑
牛肉粉、酵母浸粉、大豆胨、蛋白胨、酪蛋白胨、β-甘油磷酸鈉、抗壞血酸鈉、硫酸鎂(均為分析純):北京索萊寶科技有限公司;氯霉素、乳酸鏈球菌素(均為生物級(jí)):上海阿拉丁生化科技股份有限公司;亞硒酸鈉(生物級(jí)):美國(guó)Sigma-Aldrich 公司;膽汁酸鹽(生物級(jí)):大連美侖生物技術(shù)有限公司;30%過(guò)氧化氫(優(yōu)級(jí)純):天津市大茂化學(xué)試劑廠。
pH 計(jì)(A111):美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司;立式自動(dòng)壓力蒸汽滅菌器(GI80TW):廈門(mén)致微儀器有限公司;超凈工作臺(tái)(SW-CJ-2F):蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;酶標(biāo)儀(M200 PRO):瑞士TECAN 公司;超純水機(jī)(Mili-QAdvantageA10):美國(guó)Millipore 公司;振蕩培養(yǎng)箱(ZQZY-85CS):上海知楚儀器有限公司;電熱恒溫培養(yǎng)箱(DHP-9082):上海齊欣科學(xué)儀器有限公司。
1.3.1 培養(yǎng)基和試劑的配制
1.3.1.1 培養(yǎng)基的配制
M17 培養(yǎng)基:5 g/L 牛肉粉、2.5 g/L 酵母浸粉、5 g/L大豆胨、2.5 g/L 蛋白胨、2.5 g/L 酪蛋白胨、19 g/L β-甘油磷酸鈉、0.5 g/L 抗壞血酸鈉和0.25 g/L 硫酸鎂,pH7.0~7.4。配制固體平板時(shí)在此基礎(chǔ)上加15 g/L 瓊脂粉。各成分按照比例加入后用蒸餾水定容至所需體積,并經(jīng)103.4 kPa、115 ℃高壓滅菌20 min 后使用。
GM17 培養(yǎng)基:將已滅菌冷卻的葡萄糖和M17 培養(yǎng)基混合,使葡萄糖終濃度為0.5%。
GM17(Cr+)培養(yǎng)基:添加了氯霉素(終濃度為12.5 μg/mL)的GM17 培養(yǎng)基。
1.3.1.2 試劑的配制
25 mg/mL 氯霉素:將氯霉素按配比溶于無(wú)水乙醇中,過(guò)膜除菌,凍藏待用。
100 mg/mL Na2SeO3:將Na2SeO3按配比溶于無(wú)菌超純水中,過(guò)膜除菌,凍藏待用。100 μg/mL Nisin:將Nisin 按配比溶于0.05%醋酸中,過(guò)膜除菌,凍藏待用。
1.3.2 菌株的常規(guī)活化培養(yǎng)
取實(shí)驗(yàn)室保存的NG1 和NG0 原始菌種,均采用分區(qū)劃線法接種于GM17(Cr+)平板上,30 ℃、過(guò)夜靜置培養(yǎng);挑取單菌落并接種至GM17(Cr+)液體培養(yǎng)基中,裝液量為7 mL/30 mL 直型瓶,30 ℃、過(guò)夜靜置培養(yǎng),活化2~3 代后即可作為菌液使用。
1.3.3 生長(zhǎng)曲線的測(cè)定
以1%接種量將活化后的NG1 菌液接種于GM17(Cr+)液體培養(yǎng)基中,裝液量為100 mL/250 mL,30 ℃靜置培養(yǎng)24 h;每隔2 h 取樣測(cè)定一次發(fā)酵液中乳酸菌NG1 在600 nm 處的吸光值(OD600值);以菌株培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),OD600值為縱坐標(biāo),繪制菌株的生長(zhǎng)曲線。
1.3.4 生長(zhǎng)條件的單因素優(yōu)化試驗(yàn)
以GM17(Cr+)為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,分別考察培養(yǎng)溫度(30、35、37、40 ℃)、液體培養(yǎng)基的初始pH 值(3.0、4.0、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0、10.0)、Na2SeO3濃度(0、20、40、60、80、100、120 μg/mL)、Nisin 濃度(0、1、5、10、20、30、40、50 μg/mL)對(duì)乳酸菌NG1 生長(zhǎng)的影響,即通過(guò)該菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期(即按1%接種量擴(kuò)培后養(yǎng)菌至18 h)能達(dá)到的最大OD600值來(lái)獲取最優(yōu)的單因素培養(yǎng)條件。
1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化培養(yǎng)條件
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取對(duì)乳酸菌NG1 生長(zhǎng)影響較顯著的三因素三水平,繼續(xù)以培養(yǎng)溫度(A)、初始pH 值(B)和Na2SeO3濃度(C)為考察變量,以菌液OD600值(Y)為響應(yīng)值,并通過(guò)Design-Expert 8.0.6 軟件的Box-Behnken 設(shè)計(jì)完成響應(yīng)面分析試驗(yàn)[13-14]。因素水平見(jiàn)表1。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface method
1.3.6 體外耐受試驗(yàn)
用30% H2O2原溶液及其稀釋液配制含H2O2濃度分別為0、0.1、0.4、0.7、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0 mmol/L 的GM17(Cr+)液體培養(yǎng)基;配制含膽汁酸鹽濃度分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.30%的GM17(Cr+)液體培養(yǎng)基;用1 mol/L HCl 和1 mol/L NaOH 分別調(diào)配pH 值為2.0、3.0、4.0、5.0 和6.0 的GM17(Cr+)液體培養(yǎng)基。分別取以上3 種模擬胃腸道極端環(huán)境[15]的培養(yǎng)基200 μL 于酶標(biāo)板孔中,將NG1 以1%的接種量完成接種,做兩組平行;30 ℃靜置脅迫培養(yǎng)約18 h,測(cè)定菌液對(duì)數(shù)后期的OD600值;以NG0 為空白對(duì)照,同時(shí)以響應(yīng)面試驗(yàn)篩選出的最優(yōu)生長(zhǎng)條件脅迫培養(yǎng)NG1作為對(duì)照組。
1.3.7 菌體耐受能力測(cè)定
測(cè)定不同脅迫條件下的菌液對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期(即按1%接種量擴(kuò)培后養(yǎng)菌至18 h)的OD600值,計(jì)算菌種不同脅迫條件下的耐受能力,公式[16]如下。
N=(X/K)×100
式中:N為耐受能力,%;X為脅迫條件下菌液的OD600值;K為空白培養(yǎng)基的OD600值。
培養(yǎng)溫度、初始pH 值、Na2SeO3濃度和Nisin 濃度對(duì)乳酸菌NG1 的生長(zhǎng)影響如圖1所示。
圖1 不同培養(yǎng)溫度、初始pH 值、Na2SeO3 濃度、Nisin 濃度下乳酸菌NG1 的生長(zhǎng)曲線Fig.1 NG1 growth curves under different temperatures,pH values,Na2SeO3 concentrations,and Nisin concentrations
由圖1a 可知,在14 h 前,乳酸菌NG1 在37 ℃的培養(yǎng)溫度下生長(zhǎng)略有滯后,40 ℃下生長(zhǎng)明顯滯后;30 ℃和35 ℃
條件下生長(zhǎng)趨勢(shì)比較一致;但培養(yǎng)至18 h 時(shí),37 ℃培養(yǎng)的菌體在對(duì)數(shù)末期的OD600值最大。故確定NG1 的最適生長(zhǎng)溫度為37 ℃。
由圖1b 可知,乳酸菌NG1 在pH3.0 和pH4.0 條件下生長(zhǎng)被嚴(yán)重抑制;隨著培養(yǎng)基初始pH 值升高,NG1生長(zhǎng)狀況越來(lái)越好;至pH7.5 時(shí),NG1 生長(zhǎng)速率和OD600值均為最高,在18 h 也是最高值;而pH 值高于7.5后,隨著堿度增大,菌體生長(zhǎng)速率逐漸減緩;在pH 值為10.0 的培養(yǎng)基中,NG1 也能正常生長(zhǎng)。綜上,pH7.5 為NG1 的最適生長(zhǎng)初始pH 值,且NG1 適宜生長(zhǎng)培養(yǎng)基為弱堿性,即菌體對(duì)堿性環(huán)境的耐受能力強(qiáng)于酸性環(huán)境。
由圖1c 可知,前20 h 內(nèi),不同Na2SeO3濃度(0~120 μg/mL)對(duì)乳酸菌NG1 的生長(zhǎng)影響整體呈抑制趨勢(shì),但相對(duì)于其它組,40 μg/mL 的富硒濃度下NG1 生長(zhǎng)狀況最好;故確定NG1 最適生長(zhǎng)的Na2SeO3濃度為40 μg/mL。這比乳桿菌株JZ-07[17]和鼠李糖乳桿菌ATCC 53103[18]的最佳富硒誘導(dǎo)劑量10 μg/mL 高,但與布氏乳桿菌922-11[19]的最佳富硒誘導(dǎo)劑量43~46 μg/mL相近。
由圖1d 可知,Nisin 的加入量為0~50 μg/mL 時(shí)對(duì)NG1 生長(zhǎng)影響不明顯,生長(zhǎng)趨勢(shì)大體一致,OD600值也相差不大。因此,Nisin 濃度不作為后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化和驗(yàn)證的考察因素。
2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與方差分析
NG1 生長(zhǎng)條件的響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 NG1 生長(zhǎng)條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and result of response surface method for growth condition optimization of NG1
對(duì)表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到二次多項(xiàng)回歸方程為Y=0.76-0.15A+0.071B+0.073C+0.055AB+0.12AC+0.052BC-0.10A2-0.12B2+0.046C2。對(duì)上述回歸模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 模型回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression model
表3 結(jié)果表明:模型P=0.001 6<0.01,失擬項(xiàng)P=0.107 9>0.05,說(shuō)明模型顯著;判定系數(shù)R2=0.940 5,接近于1,即實(shí)際值和預(yù)測(cè)值接近,說(shuō)明模型擬合性較好;調(diào)整判定系數(shù)R2Adj=0.864 0,說(shuō)明該模型能夠解釋86.40%試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化;變異系數(shù)為9.46%(<10%),說(shuō)明模型的可信度和精確度較高。因此,可用此模型分析與預(yù)測(cè)NG1 在不同條件下的生長(zhǎng)狀況。一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)AC、二次項(xiàng)B2影響極顯著(P<0.01);一次項(xiàng)B和C、二次項(xiàng)A2影響顯著(P<0.05);交互項(xiàng)AB和BC、二次項(xiàng)C2影響不顯著(P>0.05)。
2.2.2 響應(yīng)面的交互作用分析
培養(yǎng)溫度、初始pH 值、Na2SeO3濃度3 個(gè)因素兩兩之間交互作用的響應(yīng)面圖如圖2所示。
圖2 不同培養(yǎng)溫度、初始pH 值、Na2SeO3 濃度交互作用對(duì)NG1生長(zhǎng)影響的響應(yīng)曲面與等高線Fig.2 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between different cultivation temperatures,initial pH values,and Na2SeO3 concentrations on the growth of NG1
由圖2 可知,隨著單因素培養(yǎng)溫度或培養(yǎng)基初始pH 值的升高,乳酸菌NG1 生長(zhǎng)均呈現(xiàn)先加快后放緩的趨勢(shì),且均存在極高值點(diǎn);隨著單因素Na2SeO3濃度升高,菌體生長(zhǎng)狀況越來(lái)越好。此外,因響應(yīng)面3D 曲面圖坡度和等高線反映了因素間交互作用的強(qiáng)弱[20],那么通過(guò)對(duì)比可以判斷三因素間只有AC交互作用極顯著,且與模型方差分析結(jié)果一致。
2.2.3 最優(yōu)生長(zhǎng)條件的確定
運(yùn)用Design-Expert 8.0.6 軟件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)方案,以及分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和建立模型后,對(duì)回歸方程求解得到模型最大值,即最優(yōu)生長(zhǎng)條件:培養(yǎng)溫度36 ℃,初始pH7.6,Na2SeO3濃度59 μg/mL,此時(shí)菌體OD600值預(yù)測(cè)為0.86。在預(yù)測(cè)最佳培養(yǎng)條件下進(jìn)行誘導(dǎo)試驗(yàn),做3 個(gè)重復(fù),所得菌體的實(shí)際OD600值為0.87,與預(yù)測(cè)值接近,說(shuō)明該模型合理可行的。
不同濃度Na2SeO3對(duì)乳酸菌富硒色澤的影響如圖3所示。
圖3 添加不同濃度的Na2SeO3 對(duì)乳酸菌富硒色澤的影響Fig.3 Effect of different concentrations of Na2SeO3 on Se-enriched colour of lactic acid bacteria
由圖3 可知,在單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)過(guò)程中,在不同無(wú)機(jī)硒(Na2SeO3)濃度的富硒培養(yǎng)條件下,隨著菌體生長(zhǎng),不同菌液培養(yǎng)體系因?yàn)槲龀黾t色單質(zhì)硒而呈現(xiàn)不同程度的紅色[21]。在其他培養(yǎng)條件統(tǒng)一時(shí),即在培養(yǎng)溫度30 ℃、培養(yǎng)基初始pH7.3 和不加Nisin 條件下,菌體的紅色會(huì)隨加入的Na2SeO3濃度升高而變深,即富硒作用加強(qiáng)。
NG1 在不同濃度H2O2、膽汁酸鹽以及不同酸度下的耐受力和生長(zhǎng)OD600值分別如表4~表6 和圖4所示。
表4 NG1 在不同濃度H2O2 下的耐受力Table 4 Tolerance of NG1 in different concentrations of H2O2
表6 NG1 在不同酸度下的耐受力Table 6 Tolerance of NG1 in different acidity
由表4 和圖4a 可知,相對(duì)于NG0,0~1.5 mmol/L H2O2濃度梯度下,NG1 的生長(zhǎng)幾乎不受影響;當(dāng)H2O2濃度高于1.5 mmol/L 后,OD600值降低明顯,NG1 在兩種培養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)均受到抑制,說(shuō)明其H2O2最高耐受濃度為1.5 mmol/L。當(dāng)H2O2濃度低于1.0 mmol/L時(shí),優(yōu)化培養(yǎng)的NG1 對(duì)H2O2耐受能力比空白對(duì)照組明顯增強(qiáng)。這個(gè)結(jié)果與酸粥中篩選出的乳酸菌在含1.0 mmol/L H2O2的培養(yǎng)基中仍生長(zhǎng)良好的情況[22]一致。
圖4 NG1 在不同濃度H2O2、膽汁酸鹽及不同酸度下的生長(zhǎng)OD600 值Fig.4 Growth OD600 of NG1 at different concentrations of H2O2,bile acid salts,and acidity
由表5 和圖4b 可知,膽汁酸鹽濃度為0.10%~0.20%時(shí),隨著膽汁酸鹽濃度的升高,NG1 耐受力逐漸降低;當(dāng)膽汁酸鹽濃度高于0.20%時(shí),OD600值降低明顯,優(yōu)化培養(yǎng)的NG1 生長(zhǎng)受到明顯的抑制,常規(guī)培養(yǎng)的NG1 生長(zhǎng)率也略微降低,說(shuō)明其膽汁酸鹽最高耐受濃度為0.20%。優(yōu)化培養(yǎng)的NG1 在膽汁酸鹽0.05%~0.20%濃度下耐受能力達(dá)到39.5%~55.8%,較對(duì)照組有明顯增強(qiáng)。因此,NG1 同其它乳酸菌[23-24]一樣對(duì)膽汁酸鹽的耐受力比較高。
由表6 和圖4c 可知,當(dāng)pH 值低于6.0 時(shí),OD600值降低明顯,NG0 和NG1 的生長(zhǎng)均受到抑制,說(shuō)明其酸度的最大耐受值為pH6.0;而且NG0 在pH6.0 時(shí)對(duì)酸度的耐受能力比NG1 明顯增強(qiáng),說(shuō)明NG1 耐酸性能較弱。這一結(jié)果與李利等[25]對(duì)幾株乳酸菌篩選出的pH6.0的耐酸度一致;而來(lái)自動(dòng)物的很多乳酸菌在pH4.0 下仍能保持活力[26],表示出更強(qiáng)的耐酸性。
綜上,NG1 對(duì)H2O2濃度、膽汁酸鹽濃度、酸度的最大耐受值分別為1.5 mmol/L、0.20%、pH6.0;耐受能力排序?yàn)閮?yōu)化培養(yǎng)NG1>常規(guī)培養(yǎng)NG1>常規(guī)培養(yǎng)NG0,說(shuō)明GPx 基因的導(dǎo)入對(duì)乳酸菌的抗H2O2和膽汁酸鹽脅迫功能有增強(qiáng)作用,且在最優(yōu)培養(yǎng)條件下得到強(qiáng)化,但對(duì)酸度耐受性無(wú)明顯增強(qiáng)作用。據(jù)悉,人體小腸液因含有胰蛋白酶、膽汁酸等,其pH 值約為7.6,膽汁酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%~0.3%之間波動(dòng)[27]。故腸道pH 值并不是乳酸菌進(jìn)入消化道發(fā)揮作用的阻礙因素,更多的是胰蛋白酶和膽汁酸鹽的存在影響了乳酸菌的生長(zhǎng)[28]。而人體胃液pH 值在空腹和進(jìn)食后在0.9~5.0 之間波動(dòng)。故胃液的強(qiáng)酸環(huán)境才是脅迫乳酸菌生長(zhǎng)的主要因素。因此,乳酸菌NG1 一定程度上具備了食用價(jià)值和定植于腸道的潛能。
本研究采用單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法優(yōu)化GPx基因重組乳酸菌NG1 的生長(zhǎng)條件,確定了NG1 的最適生長(zhǎng)條件為培養(yǎng)溫度36 ℃、初始pH7.6、Na2SeO3濃度59 μg/mL。此外,通過(guò)3 項(xiàng)模擬胃腸道環(huán)境的體外抗逆功能研究,確定了NG1 對(duì)各脅迫因素的最高耐受值為H2O21.5 mmol/L、膽汁酸鹽0.20%、pH6.0。由于耐受能力排序?yàn)閮?yōu)化培養(yǎng)NG1>常規(guī)培養(yǎng)NG1>常規(guī)培養(yǎng)NG0,說(shuō)明GPx 基因的導(dǎo)入對(duì)乳酸菌的抗H2O2和膽汁酸鹽脅迫功能有增強(qiáng)作用,且在最優(yōu)培養(yǎng)條件下得到強(qiáng)化,但對(duì)酸度耐受性無(wú)明顯增強(qiáng)作用。綜上所述,該研究結(jié)果表明NG1 具有被食用和定植于腸道的極大潛能,同時(shí)可為更多來(lái)源的硒蛋白及富硒乳酸菌的基礎(chǔ)研究及其在食藥方面的市場(chǎng)應(yīng)用提供重要參考。