浆水是我国西北地区民间广泛流传的一种传统发酵食品[1],富含乳酸菌、VC及多种有机酸,具有开胃止渴、调理脏腑、降血压等保健作用[2-3]。乳酸菌是浆水发酵的核心微生物,直接决定浆水风味与品质[4]。已有研究从不同地区浆水中分离到多种乳酸菌,菌群组成较为一致,主要包括戊糖乳杆菌(Lactobacillus pentosus)、发酵乳杆菌(Limosilactobacillus fermentum)、植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、副干酪乳杆菌(Lacticaseibacillus paracasei)等[5-6]。乳酸菌在生长过程中可产生细菌素、胞外多糖、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、短链脂肪酸等活性物质,具有抑菌[7]、调节肠道屏障[8]和提升免疫力[9]等多种功能,广泛应用于食品发酵与保鲜、饲料和益生制剂等领域[10-11]。研究发现,来源于浆水的高产GABA L. plantarum LZU-J-TSL6和具有降尿酸能力的L. fermentum JL-3表现出明显的益生活性[12-13]。
汉中浆水主要采用当地特色花辣菜发酵而成,制作的菜豆腐、浆水面、浆水炒饭等传统美食深受当地人喜爱。汉中位于秦岭与巴山之间,气候温和湿润,使浆水具有独特的风味和微生物组成[14]。前期研究表明,汉中浆水中的优势菌属主要包括乳植杆菌属(Lactiplantibacillus)、腐败乳杆菌属(Loigolactobacillus)、魏斯氏菌属(Weissella)、寡碳乳杆菌属(Paucilactobacillus)、明串珠菌属(Leuconostoc)等[15]。因此,汉中浆水是分离地域特色乳酸菌的优质资源库。
本研究采用梯度稀释涂布法从汉中浆水中分离乳酸菌菌株,采用形态学和分子生物学技术进行种属鉴定。通过检测生长能力和产酸能力明确其发酵特性,并通过体外实验综合评价菌株的胃肠道环境耐受能力、细胞表面特性、益生特性和安全性,以期为功能乳酸菌资源的开发和应用奠定理论基础。
大肠杆菌(Escherichia coli)ATCC 25922、E. coli K88、单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)CICC 21635、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)CMCC(B)26003、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)CMCC(B)63501 本实验室。
新鲜花辣菜采购于当地蔬菜市场;发酵引子为当地农家自制浆水。
强力土壤DNA提取试剂盒 美国MO Bio Laboratories公司;Monarch DNA胶回收试剂盒 美国NEB公司;细菌基因组DNA纯化试剂盒 北京全式金生物技术股份有限公司;2×Taq Master Mix 上海笛医生物科技有限公司;抗生素纸片 杭州微生物试剂有限公司;MRS肉汤培养基、MRS琼脂培养基、MHB培养基、哥伦比亚CNA血琼脂平板 青岛海博生物技术有限公司;牛胆盐、胃蛋白酶、胰蛋白酶、GABA标准品北京索莱宝科技有限公司。本研究所用试剂均为分析纯或生化试剂。
DFC450C数码彩色显微系统、DM1000聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪 德国Leica公司;NanoDrop 2000核酸测定仪 美国Thermo Fisher Scientific公司;Infinite 200PRO酶标仪 瑞士Tecan公司;GL-22M高速冷冻离心机 上海卢湘仪离心机仪器有限公司;1260高效液相色谱仪 美国Agilent公司。
1.3.1 样品采集与处理
取新鲜花辣菜5 kg,清水洗净,控干水分,开水烫菜后捞出晾凉控水,放入坛中,添加10 L含0.5 g/100 mL面粉的面汤和200 mL发酵引子,密封后置于阴凉通风处自然发酵,每天打开瓦罐上下翻动一次,观察发酵状态,分别在发酵1、5、10 d取样,于超净工作台中用纱布将浆水样品过滤2次以除去粗渣,保存备用。
1.3.2 乳酸菌菌株分离纯化
将处理好的样品按10倍系列梯度稀释至10-5,分别取稀释度为10-3、10-4、10-5的稀释液100 μL涂布至含有1 g/100 mL CaCO3的MRS琼脂培养基上,37 ℃培养24 h。挑取能够产生溶钙圈的单菌落,在含有1 g/100 mL CaCO3的MRS培养基上多次划线纯化,挑取纯化后的单菌落于MRS液体培养基中,37 ℃静置培养24 h,添加终体积分数15%甘油保藏于-80 ℃冰箱。将发酵1、5、10 d分离获得的菌株分别编号为1、2、3。
1.3.3 乳酸菌菌株鉴定
形态学鉴定:观察纯化后单菌落的颜色、大小、边缘形态,并进行革兰氏染色,采用显微镜观察菌体形态及革兰氏染色结果。
分子生物学鉴定:采用强力土壤DNA提取试剂盒提取保藏菌株基因组DNA,以其为模板,采用16S rRNA通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和1429R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)对菌株16S rRNA基因序列进行PCR扩增。PCR扩增体系:20 μL 2×Mix、200 ng基因组DNA、2 μL引物27F(10 μmol/L)、 2 μL引物1429R(10 μmol/L),双蒸水(ddH2O)补至40 μL。PCR扩增程序:95 ℃预变性5 min,循环30次(95 ℃变性1 min,50 ℃退火1 min,72 ℃延伸90 s),72 ℃再延伸10 min。PCR扩增产物经细菌基因组DNA纯化试剂盒纯化后送至北京擎科生物科技股份有限公司进行测序。将测序结果提交至NCBI的GenBank数据库中,采用BLAST进行同源性比对分析[1],采用MEGA 12软件分析,通过邻接法构建系统发育树。
1.3.4 生长曲线及产酸曲线测定
将活化后的菌株以1%(V/V)的接种量接种至MRS液体培养基,于37 ℃静置培养,监测28 h内菌液OD600 nm值 及52 h内菌液pH值变化,以培养时间为横坐标,分别以OD600 nm值与pH值为纵坐标绘制生长曲线及产酸曲线。
1.3.5 乳酸菌对胃肠道环境耐受能力评价
参考文献[16-17]的方法考察菌株对0.3 g/100 mL胆盐及模拟胃肠液的耐受能力。
1.3.6 乳酸菌细胞表面特性评价
参考文献[18-19]的方法考察菌株的疏水性和聚集能力,以E. coli ATCC 25922、E. coli K88、L. monocytogenes CICC 21635和S. aureus CMCC(B)26003为指示菌,测定菌株的表面疏水率、自聚集率和共聚集率。
1.3.7 乳酸菌益生特性评价
以E. coli ATCC 25922、S. aureus CMCC(B)26003和B. subtilis CMCC(B)63501为指示菌,根据Choi等[20]的方法测定菌株的抑菌能力。参考文献[21-22]的方法测定菌株的亚硝酸盐降解能力及产GABA能力。
1.3.8 乳酸菌安全性鉴定
参考文献[23-24]的方法考察菌株的溶血性及抗生素敏感性。
所有实验平行3次,采用SPSS 27软件处理数据并进行方差分析,采用GraphPad Prism 8软件绘图。
2.1.1 乳酸菌的分离及形态学特征
从含有1 g/100 mL CaCO3的MRS培养基上挑取具有溶钙圈的单菌落进行多次划线纯化,共分离得到11株产酸菌株,其编号及形态学特征见表1。11株菌株的菌落多为白色或淡黄色,菌落表面光滑湿润,有光泽和凸起,呈半透明或不透明状态,边缘完整,呈规则的圆形。11株菌株均为革兰氏阳性菌(G+),单菌形态为短杆状和链球状。综上,初步鉴定这11株菌株为乳酸菌。
表1 分离乳酸菌菌株的菌落及细胞形态特征
Table1 Colonial and cellular morphological characteristics of isolated LAB strains
表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+链球状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+链球状表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+链球状菌株编号菌落形态染色结果细胞形态1-1白色,圆形,不透明,凸起,1-2白色,圆形,不透明,凸起,表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状2-1淡黄色,圆形,不透明,凸起,2-3白色,圆形,半透明,凸起,表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+链球状3-2白色,圆形,半透明,凸起,3-6白色,圆形,不透明,凸起,3-7灰白色,圆形,半透明,凸起,3-10白色,圆形,不透明,凸起,3-11白色,圆形,不透明,凸起,表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状3-13白色,圆形,半透明,凸起,3-16白色,圆形,半透明,凸起,表面光滑湿润,有光泽,边缘完整G+短杆状
2.1.2 分子生物学鉴定
为明确上述11株菌的具体种属,对其16S rRNA进行测序。结果显示,菌株3-2、3-7、3-10和3-16的测序峰图存在双峰,菌株纯化不充分,未能获得准确序列。因此,基于16S rRNA基因序列仅对完全纯化的7株 菌构建系统发育树,结果见图1。菌株1-1、1-2、3-6和3-11为Weissella的不同种,其中菌株1-1为Weissella ceti,菌株1-2为Weissella muntiaci,菌株3-6和3-11均为Weissella diestrammenae。菌株2-1为L. plantarum,菌株2-3为L. brevis,菌株3-13为荔枝明串珠菌(Leuconostoc litchii)。已有研究表明,浆水中乳酸菌种类较为丰富,且L. plantarum的检出率较高。吴燕等[25]从甘肃浆水中获得2株可产蛋白类抑菌物质的菌株,鉴定为L. fermentum和L. plantarum。胡莹莹等[26]研究发现,芹菜浆水发酵过程中的微生物以L. plantarum、L. fermentum、L. brevis和乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)为主要优势菌群。本研究结果与上述文献报道一致,表明L. plantarum在不同来源浆水中点据重要地位,是维持浆水发酵过程中品质稳定的关键菌种之一。
图1 基于16S rRNA基因序列的乳酸菌菌株系统发育树
Fig.1 Phylogenetic tree of LAB strains based on 16S rRNA gene sequences
选择Weissella的代表菌株1-1(W. ceti)及2-1 (L. plantarum)、2-3(L. brevis)和3-13(L. litchii)进行生长能力和产酸能力检测。由图2A可知,菌株1-1和3-13迟滞期较短,培养2 h进入对数生长期,培养7 h达到稳定期,但菌体密度较低,7 h时OD600 nm值分别为2.22和1.59。菌株2-3生长较缓,5 h进入对数期,20 h达到稳定期,20 h时OD600 nm值为3.59。菌株2-1 5 h进入对数期,16 h达到稳定期,16 h时OD600 nm值为4.29。由图2B可知,pH值变化与生长曲线一致,菌株1-1、2-1和3-13均能在培养8 h内将pH值降至约4.50,然而菌株2-3需要培养20 h。在稳定期,菌株1-1和2-3的pH值维持在4.5左右,菌株2-1和3-13的pH值更低,分别为3.8左右和4.0左右。综上所述,菌株1-1和3-13生长迅速但密度低,菌株2-3生长缓慢但稳定期菌体密度高,菌株2-1兼具优良的生长能力和高产酸能力,且菌株2-1、2-3具有高密度培养潜力。乳酸菌的生长和产酸能力是评价其发酵性能的重要指标,快速生长有利于其在发酵体系中迅速点据优势地位,而快速产酸能够有效降低体系pH值,从而抑制腐败菌生长[27]。崔棹茗等[28]从青贮饲料中分离的同型发酵乳酸菌,其稳定期OD600 nm值均大于2.00,且部分菌株可在20 h内将pH值降至4.00以下,与本研究的结果具有一致性。
图2 乳酸菌菌株的生长曲线(A)与产酸曲线(B)
Fig.2 Growth curves (A) and acid production curves (B) of LAB strains
由表2可知,在0.3 g/100 mL牛胆盐环境中处理2 h后,4株乳酸菌菌株整体耐受性较弱,仅菌株3-13的存活率大于10%,菌株2-3的存活率小于5%,菌株1-1和2-1几乎无法存活,说明来源于无盐发酵蔬菜的菌株可能缺乏适应高胆盐环境能力。
表2 乳酸菌菌株在0.3 g/100 mL胆盐环境中的活菌数与存活率
Table2 Viable counts and survival rates of LAB strains under 0.3 g/100 mL bile salt condition
菌株编号活菌数/(CFU/mL)存活率/%0 h2 h 1-11.24×10102.70×1040.00±0.00 c 2-11.25×1097.33×1040.01±0.00 c 2-31.60×1084.00×1062.50±0.05b 3-132.56×1073.74×10614.83±1.05a
注:同列小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。表3、4同。
由表3可知,在模拟胃液(pH 2.0)中,各菌株存活率也普遍较低,存活率最高的为菌株2-3(40.84%)。进入模拟肠液后,各菌株的生长恢复状况差异明显。其中,菌株2-1恢复能力最强,在处理3 h后存活率升至173.72%。菌株3-13存活率在模拟肠液处理6 h后增至209.38%。在模拟胃液pH 3.0条件下,菌株2-1与2-3耐受性更为突出,3 h存活率均大于100%,进入模拟肠液6 h后,存活率均大于200%。相比之下,菌株1-1与3-13在pH 3.0模拟胃液中的耐受性较弱,但进入模拟肠液后仍能恢复并显著增殖,6 h时存活率分别达671.43%和537.93%。综合菌株在0.3 g/100 mL牛胆盐、模拟胃液及肠液处理后的存活率结果,菌株2-1和2-3对胃肠道环境耐受性较强。
表3 乳酸菌菌株在模拟胃肠液中的存活率
Table3 Survival rates of LAB strains in simulated gastric and intestinal fluids
%模拟胃液菌株(pH 2.0)模拟肠液(pH 6.8)模拟胃液(pH 3.0)模拟肠液(pH 6.8)编号3 h3 h6 h3 h3 h6 h 1-11.28±0.01d32.65±0.51d45.34±2.67d0.95±0.01c109.52±1.86c671.43±9.86a 2-118.91±0.48c173.72±2.60a244.06±3.50a143.75±5.55a182.19±2.92a205.48±1.50c 2-340.84±0.55a98.94±0.94b85.69±0.63c141.33±6.08a94.00±4.06d220.00±8.93c 3-1336.12±0.47b37.93±1.90c209.38±1.03b77.88±1.53b171.91±12.92b537.93±7.75b
益生菌在肠道中发挥作用需要具备较高的存活率与定植能力,通常认为至少应维持106~107 CFU/g的浓度[29],其定植能力与耐受胃肠环境及黏附性能密切相关[30-31]。刘爱瑜等[24]研究发现,不同乳酸菌在胃液和肠液中的存活率差异显著,为5.26%~175.6%。与之相比,本研究菌株在pH 2.0胃液中的存活率偏低,但在pH 3.0条件下进入肠液后能够迅速恢复增殖,提示其可能更适应食品经初步消化后接近实际肠道pH值的环境。
肠道定植能力是益生菌的重要特性[32]。乳酸菌细胞表面的疏水性、自聚集性及与病原菌的共聚集性均与肠道黏附能力密切相关,可促进其在肠道内定植并阻断病原菌附着[20,33]。由表4可知,菌株1-1细胞表面疏水率最高(93.31%),其次为菌株2-1(60.45%),均显著高于菌株2-3和3-13(P<0.05)。菌株2-1的自聚集率(49.82%)显著高于其他3株菌株(P<0.05)。菌株2-1与S. aureus CMCC(B)26003、L. monocytogenes CICC 21635的共聚集率最高,分别为53.51%和43.89%。菌株3-13与S. aureus CMCC(B)26003的共聚集率也较高,为40.99%。菌株1-1和2-3与4种致病菌的共聚集率均小于40%。研究发现,菌株自聚集率越高,其黏附能力越强[34],与致病菌的共聚集能力越强,越有利于其竞争性黏附肠道上皮细胞[35]。本研究中,菌株2-1在疏水性、自聚集和共聚集3个指标上均表现较强,而菌株1-1具有最高的细胞表面疏水率,提示二者具备较好的肠道黏附潜力。
表4 乳酸菌菌株细胞表面疏水性、自聚集率和致病菌共聚集率
Table4 Cell surface hydrophobicity, auto-aggregation rate and pathogen co-aggregation rate of LAB strains
25922K88CICC 216352-160.45±1.38b49.82±1.97a30.83±1.34a30.97±1.37a53.51±2.11a43.89±0.97a 2-350.25±2.25c12.83±0.99c14.58±1.02c16.01±0.15c26.88±1.06c1.60±0.26c共聚集率/%菌株表面自聚编号疏水率/%集率/%E. coli ATCC E. coliS. aureusL. monocytogenes CMCC(B)260031-193.31±1.90a30.45±1.45b18.41±0.80b26.58±0.63b37.71±0.19b23.35±1.73b 3-1324.00±0.70d35.26±2.50b20.65±0.94b16.25±0.49c40.99±1.20b25.79±0.80b
乳酸菌可通过有机酸、细菌素、过氧化氢等代谢物抑制病原菌,其机制包括破坏细胞膜、干扰代谢或竞争受体位点以阻止定植[26]。由图3A~C可知,菌株2-1的无细胞上清液在培养12 h内对E. coli ATCC 25922、 S. aureus CMCC(B)26003和B. subtilis CMCC(B)63501的抑菌率均大于78%,且24 h后仍保持较强抑菌活性,其他菌株抑菌效果较弱,提示菌株2-1的无细胞上清液具有较强的抗菌活性。乳酸菌的抗菌活性、亚硝酸盐降解和代谢产物生成是其食品防腐与益生作用的重要基 础[36-37]。本研究中菌株对病原菌抑制率随时间延长而下降,可能与其抑菌物质的稳定性有关。由图3D可知,4株乳酸菌在培养24 h内对添加的125 mg/L NaNO2降解率均大于65%。其中菌株2-1和2-3的降解能力较强,接近100%,显著高于菌株1-1和3-13(P<0.05)。已有研究显示,多株L. plantarum可在24 h内实现高于99%的亚硝酸盐降解[38-39],与本研究中菌株2-1的结果一致。由图3E可知,在含10 g/L L-谷氨酸的培养基中,菌株2-3在48 h内生成4.63 g/L GABA,底物利用率达97.68%。不同菌株GABA产量差异显著,但均可通过优化发酵条件提高其产量[40-42]。本研究中,菌株2-3表现出较高的产GABA能力和应用开发潜力,具有进一步开发的价值。综上,4株乳酸菌均具备一定益生特性,其中菌株2-1在抑菌活性和亚硝酸盐降解方面表现最优,菌株2-3在亚硝酸盐降解和GABA生成方面具有突出优势,值得作为潜在功能菌株进一步研究。
图3 乳酸菌菌株益生特性评价
Fig.3 Evaluation of probiotic properties of LAB strains
由图4可知,菌株1-1、2-1和3-13均为α-溶血性,菌株2-3为γ-溶血性,说明4株乳酸菌菌株均表现出非β-溶血性,具有较好的安全性。
图4 乳酸菌菌株的溶血活性
Fig.4 Hemolytic activity of LAB strains
益生菌的重要安全标准之一是不携带可转移抗性基因,因此需对其抗生素敏感性进行评估[43]。本研究对4株菌进行7类共14种抗生素的敏感性检测,结果见表5。所有菌株均对卡那霉素、诺氟沙星、万古霉素和磺胺异恶唑耐药。菌株1-1、2-1和2-3对环丙沙星耐药,菌株3-13为中度敏感。菌株2-3对恩诺沙星耐药,菌株1-1、2-1和3-13为中度敏感。此外,菌株2-3和3-13对头孢噻肟表现中度敏感。总体来看,4株乳酸菌菌株的耐药谱较为相似,主要对氨基糖苷类、喹诺酮类、糖肽类及磺胺类抗生素具有一定耐受性。这与此前相关研究[24,44]结果相似。结合其非β-溶血性特征,4株乳酸菌菌株具有较好的安全性,适合作为益生菌候选菌株。
表5 乳酸菌菌株的抗生素敏感性
Table5 Antibiotic susceptibility of LAB strains
抗生素菌株1-1菌株2-1菌株2-3菌株3-13青霉素SSSS氨苄西林SSSSβ-内酰胺类阿莫西林SSSS头孢噻肟SSII卡那霉素RRRR氨基糖苷类庆大霉素SSSS大环内酯类红霉素SSSS四环素SSSS四环素类米诺环素SSSS环丙沙星RRRI喹诺酮类诺氟沙星RRRR恩诺沙星IIRI糖肽类万古霉素RRRR磺胺类磺胺异恶唑RRRR
注:R.耐药;I.中度敏感;S.敏感。
本研究从汉中地区传统发酵食品浆水中共分离获得7株乳酸菌,经鉴定菌株1-1、1-2、3-6和3-11为Weissella的不同种,菌株2-1为L. plantarum,菌株2-3为L. brevis,菌株3-13为L. litchii。选择菌株1-1、2-1、2-3和3-13进行体外益生特性评价。结果表明,菌株2-1生长能力及产酸能力较强。菌株2-1和2-3对模拟胃、肠液环境耐受性良好。菌株1-1和2-1细胞表面疏水率较高;菌株2-1自聚集率最高(49.82%),与S. aureus和 L. monocytogenes共聚集率最高,分别为53.51%和43.89%;菌株3-13与S. aureus共聚集率为40.99%。菌株2-1发酵12 h无细胞上清液对E. coli、S. aureus及 B. subtilis抑制率均大于78%;菌株2-1和2-3的亚硝酸盐降解率接近100%;菌株2-3的GABA产量最高,达4.63 g/L。4株菌株均为非β-溶血性,安全性较好。综上,汉中浆水中分离得到的乳酸菌具有较好的体外益生潜力,其中L. plantarum 2-1和L. brevis 2-3表现最为突出,可作为潜在益生菌株,为传统发酵食品乳酸菌资源的开发与利用提供了科学依据。
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Isolation, Screening and in Vitro Probiotic Evaluation of Lactic Acid Bacteria from Hanzhong Jiangshui