刘国荣,宋振芹,任 丽,苏 航,王成涛
(北京工商大学食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,食品质量与安全北京实验室,北京100048)
一株产广谱细菌素乳酸菌菌株的分离鉴定及其细菌素特性研究
刘国荣,宋振芹,任丽,苏航,王成涛
(北京工商大学食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,食品质量与安全北京实验室,北京100048)
目的:从母乳婴儿粪便筛选获得产广谱细菌素的乳酸菌菌株,并对其所产细菌素的理化及生物学特性进行研究分析,预测其在食品工业中的应用前景。方法:以课题组从母乳婴儿粪便分离得到的23株乳酸菌为试材,采用牛津杯琼脂扩散法,选取单增李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)和大肠杆菌(Escherichia coli)为指示菌筛选产广谱细菌素的优良菌株。通过菌体形态观察、生理生化特征及16S rDNA序列分析对菌株进行分类学鉴定,并从耐酸、耐热、蛋白酶敏感性、抑菌谱等角度分析菌株所产细菌素生物学特性。结果:分离得到1株产广谱细菌素菌株BL-1,发现该菌株所产细菌素具有较好的热稳定性和酸耐受性,在pH为2、121℃条件下细菌素活性仍然保持稳定,酶敏感性强,胃蛋白酶可将其完全分解,使用安全性较高,且抑菌谱较广,对受试的李斯特菌(Listeria monocytogenes)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aereu)等革兰氏阳性菌和大肠杆菌阴性菌均表现出较强抑菌活性。最后该菌株经分类学鉴定为鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)。结论:从母乳婴儿粪便中分离出一株产广谱细菌素鼠李糖乳杆菌BL-1,该菌所产细菌素具有优良的食品加工特性,有作为天然食品防腐剂的巨大应用前景。
鼠李糖乳杆菌,细菌素,鉴定,特性
食品加工储存过程中受有害微生物污染而引起的食品腐败变质是食品工业急需解决的重要问题,采用化学防腐剂应用于食品防腐保鲜、延长货架期,影响人体健康,具有一定安全隐患,在食品产业受到越来越多的限制[1-3],因此研究开发高效、安全、无毒的天然食品防腐剂在食品防腐保鲜中的作用日益突出。
乳酸菌活性代谢产物细菌素是乳酸菌在其生长代谢过程中通过自身核糖体机制合成并分泌到环境中的一类具有抑菌活性的蛋白类物质,在人体内可降解,具有高效、安全、无毒等特点,在天然食品生物防腐剂研究与开发中有着巨大应用潜力,已成为生物防腐剂开发的热点[4-8]。目前只有乳酸链球菌素nisin被批准应用于食品工业,对于其他类具有抑菌活性作用的细菌素的研究鲜有报道,因此,广泛开发具有应用潜力的天然优质细菌素成为现代食品防腐工业的重要任务之一。
本研究以课题组从母乳婴儿粪便分离得到的23株乳酸菌为试材,筛选一株产广谱细菌素优良菌株,并通过形态学观察、生理生化反应和16S rDNA序列分析对分离得到的菌株进行分类学鉴定,并对该菌株所产细菌素的部分特性,包括其热敏感性、酸敏感性、蛋白酶敏感性及抑菌谱进行了相关研究,以期获得生物特性稳定、抑菌谱较广的乳酸菌菌株,预测其在食品工业中的应用前景,从而为优良乳酸菌的广泛开发和利用提供参考依据和理论基础。
1.1材料与仪器
乳酸菌23株乳酸菌分离自母乳婴儿粪便;单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)54002(1/2a) 美国标准菌种保藏所(ATCC);单核细胞增生李斯特菌(L.monocytogenes)35152(4b)卫生部药品生物制品检定(NICPBP);金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aereu)1.128、金黄色葡萄球菌(S.aereu) 1.169、大肠杆菌(Escherichia coli)普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC);沙门氏菌(Salmonella)C500
中国兽医微生物菌种保藏中心(CVCC);伊氏李斯特菌(L.ivanovii)LIV1、凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、蜡样芽孢杆菌(B.cereus)、猪链球菌(Streptococcus suis)、假单胞菌(Pseudomonas)、啤酒酵母(Saccharomyce cerevisiae)、青霉(Penicillium commune) 均由本实验室保藏;培养基改良MRS固、液厌氧培养基(普通MRS培养基中加入0.3%玉米浆和0.03%L-半胱氨酸盐酸)LB固、PDA培养基等;碳酸钙、NaOH、HCl、Na2HPO4、NaH2PO4、无水乙醇、苯酚、氯仿、蛋白酶、中性蛋白酶(芽孢杆菌来源)、蛋白酶K、胰蛋白酶、胃蛋白酶、酸性蛋白酶、溶菌酶、过氧化氢酶等北京蓝弋化工产品有限公司。
pHS-25型酸度计上海精密科学仪器有限公司;Supra 22K大容量高速冷冻离心机韩国翰尼(Hanil)公司;Galaxy 170s CO2培养箱艾本德中国有限公司;LDZX-75KBS立式压力蒸汽灭菌器上海申安医疗器械厂。
1.2实验方法
1.2.1产细菌素菌株的筛选实验参考牛津杯琼脂扩散法[8-9],选取单增李斯特氏菌和大肠杆菌为指示菌筛选产广谱细菌素的优良菌株。
1.2.2菌株产细菌素的鉴定在筛选鉴定菌株所产为细菌素时,需要排除具有抑菌活性物质乳酸等有机酸、乳酸菌菌体细胞对其他细菌的生物拮抗作用及指示菌生长环境等因素的干扰,以确定为细菌素所引起的抑菌作用[10-12]。具体方法为:pH中和法排除有机酸的干扰;过氧化氢酶处理排除H2O2干扰;细菌滤器去除菌体细胞的干扰。在此基础上,通过硫酸铵沉淀、透析以及蛋白酶K处理进一步确定抑菌活性物质为蛋白类物质。
1.2.3乳酸菌株分型鉴定
1.2.3.1菌株菌体形态观察改良MRS培养基厌氧37℃培养,30h后观察菌落形态;挑取典型菌落革兰氏染色,光学显微镜观察染色后的菌体形态。
1.2.3.2生理生化检验根据生理生化细菌鉴定标准[11-13],对分离纯化后得到的菌株进行生理生化测定,包括20种糖醇发酵、精氨酸产氨、运动性、接触酶及厌氧生长等。通过参考凌代文编著的《乳酸细菌分类鉴定及实验方法》[4]分析未知菌株在乳酸菌分类学上的地位。
1.2.3.3基于16S rDNA基因序列分析的分子生物学鉴定将筛选得到的菌株提取DNA基因组,通过PCR扩增技术获取目的基因DNA片段,并将其回收纯化,交由北京六合华大基因科技有限公司测序。使用NCBI网站对菌株的16S rDNA序列与所在数据库中各种菌的16S rDNA序列进行比对分析,并通过blast在GeneBank基因库中进行同源性搜索[14]。从Genebank中选择同源性亲近的几株菌株的16S rDNA基因序列,采用Clustalx 1.83软件进行序列多重比较,用Mega 5.0软件进行统计和聚类分析,构建系统发育树,并对所构建的系统发育树进行评估[15-16]。
1.2.4菌株所产细菌素的生物学特性研究将菌株按1%的接种量接种于改良后的MRS培养基中,37℃下静置培养24h。取发酵液8000r/min离心,去除菌体细胞,调上清液pH至7.0左右,硫酸铵沉淀法粗提细菌素并透析,以此为细菌素测试样品备用,进行特性分析。
1.2.4.1pH敏感性分别取1mL细菌素样品于试管中,调pH为2~11,保持试管最终容积为5mL,37℃温育4h,调pH回至中性(7.0左右),以未调节pH的加蒸馏水同比稀释的细菌素样品(pH=7.0)为对照,测抑菌活性[15-18],记录抑菌圈直径。
1.2.4.2热敏感性分别取1mL细菌素样品进行不同温度(50、60、70、80、90℃和121℃)条件下水浴处理30min,以未经过温度处理的细菌素样品为对照,进行抑菌实验,测抑菌活性。
1.2.4.3蛋白酶的敏感性选取不同蛋白酶(胰酶、胃蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶。其余待定,实验时依照情况选择)将其配成5mg/mL的溶液,分别取0.1mL置于小离心管中,加细菌素样品0.4mL混合,使酶的终浓度为1mg/mL,并调节pH为各酶的最适pH范围内,同时以0.1mL缓冲液加入0.4mL细菌素作为对照,37℃温育4h,调pH回至中性(7.0左右)后抑菌实验,测抑菌活性[18-21]。
1.2.4.4抑菌谱的测定选取实验室所保藏指示菌(20株),取1mL稀释10-3的指示菌,使用牛津杯法,进行抑菌实验,记录抑菌圈直径,测抑菌活性,以期确定该乳酸菌株的抑菌谱。
2.1产细菌素乳酸菌的筛选
选取单增李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)54002(1/2a)和大肠杆菌(Escherichia coli)为指示菌,采用牛津杯扩散法,对课题组分离自母乳婴儿粪便中的23株乳酸菌进行抑菌实验,对菌株进行复筛。结果发现测试菌中有13株菌株无抑菌圈或抑菌圈直径不足10mm,9株菌抑菌圈在10~15mm,筛选获得菌株BL-1发酵液对单增李斯特氏菌和大肠杆菌抑菌活性都较强,抑菌圈直径可分别达到22.34mm和23.58mm,故选取BL-1作为进一步实验的测试菌。
2.2菌株BL-1产细菌素的鉴定
实验通过排除酸、H2O2酶和菌体细胞等处理以排除对菌株发酵液抑菌的干扰作用,结果如表1所示。将测试菌BL-1发酵液的pH调至6.5~7进行抑菌实验,结果显示其抑菌圈直径与原发酵液相比相差不大;用H2O2酶处理发酵液后发现其抑菌效果基本无差别;用细胞滤器除去菌体细胞后发现发酵液的抑菌作用与未处理效果相差不大。以上实验均表明测试菌BL-1的抑菌作用与有机酸、H2O2和菌体细胞关系不大。同时,经过80%硫酸铵沉淀并透析,细菌素抑菌活性明显提高,经蛋白酶K处理后抑菌效果消失,综上表明:抑菌实验中,起抑菌作用的物质是其所产细菌素且其本质为蛋白质类物质,进而确定乳酸菌株BL-1为细菌素产生菌。
表1 不同处理对菌株BL-1发酵液抑菌活性的影响Table.1 Effect of different treatments on the inhibitory activityof culture supernatant from strain BL-1
2.3乳酸菌株BL-1的分型鉴定
2.3.1菌株BL-1菌体形态学观察乳酸菌株BL-1经革兰氏染色为阳性,利用光学显微镜观察其菌落形态特征为菌体呈明显的杆状,无芽孢,不运动,菌落圆形,边缘较光滑平整,接触酶阴性,兼性厌氧,15℃生长,除明显的分叉形态外,少数呈棒状,排列无明显规则。具有典型的乳酸杆菌形态特征。
2.3.2生理生化实验表2为菌株BL-1的生理生化鉴定结果。通过结果可以看出菌株BL-1可发酵纤维二糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖、甘露醇、蜜二糖、棉籽糖、核糖、山梨醇、山梨糖、蔗糖、海藻糖、鼠李糖等多种糖类,精氨酸不产氨,厌氧生长。根据鉴定结果查表,并结合革兰氏染色观察结果,可初步确定BL-1菌株属于乳酸杆菌。
表2 菌株BL-1的生理生化鉴定结果Table.2 Physiological and biochemical characteristics of strain BL-1
图1 基于16S rDNA序列的BL-1系统发育树Fig.1 Phylogenetic tree of strain BL-1 based on the 16S rDNA sequence
2.3.316S rDNA基因序列分析及系统发育树构建测试菌株BL-1经扩增测序后得到1476bp DNA碱基序列。将测序结果在NCBI上的Genebank中进行同源性比对,在GeneBank基因库中进行同源性搜索。从Genebank中选择同源性亲近的前几株菌株的16S rDNA基因序列,应用Mega 5.0软件进行统计和聚类分析,构建系统发育树,发育树结果见图1。软件进行多重比较后,菌株BL-1与同源性搜索后关系最近的前21株来自鼠李糖乳杆菌的亲缘性最高,与菌株Lactobacillus rhamnosus(其登录号分别为:AP011548.1)处于同一个小分支,亲缘关系最接近,同源相似度高达99.9%,结合形态学观察和生理生化实验鉴定结果,可进一步确定菌株BL-1为鼠李糖乳杆菌。
2.4菌株BL-1所产细菌素的生物学特性研究
2.4.1pH敏感性实验结果如表3所示,乳酸菌株BL-1所产细菌素的抑菌活性pH范围为2~10,其中在pH5~8内,活性较高,而pH小于5、大于8时,抑菌活性有降低趋势,在pH为11时,细菌素失活,原因可能是由于大部分细菌素在弱酸性和中性条件下比较稳定,过碱性条件下即会失活。在pH为2时,乳酸菌株BL-1所产细菌素仍保持稳定活性,具有明显的抑菌效果。实验结果表明此菌株所产细菌素具有很好的耐酸性,且具有较宽泛的pH活性范围,可在酸性和中性食品中使用,为乳酸菌发酵产物在不同食品加工中的应用环境提供了一定的理论参考依据。
表3 菌株BL-1所产抑菌物质的pH敏感性Table.3 pH stability of bacteriocin produced by strain BL-1
2.4.2热敏感性实验结果如表4所表明,BL-1菌株发酵液经过60~121℃、30min热处理后,抑菌活性基本没有明显的变化,且在121℃作用条件下,仍保持一定的抑菌活性,由此可以得出该菌株发酵液具有较好热稳定性,在食品加工常用的巴氏灭菌范围(65~80℃,15min)内仍保持较好的抑菌活性,预示其在食品加工工业具有更广阔的应用前景。
表4 菌株BL-1所产抑菌物质的热敏感性Table.4 Heat stability of bacteriocin produced by strain BL-1
2.4.3蛋白酶敏感性实验结果如表5所示,BL-1菌株所产细菌素对胃蛋白酶及胰蛋白酶十分敏感,可被胃蛋白酶和胰蛋白酶完全失活;对酸性蛋白酶、中性蛋白酶和溶菌酶无强烈敏感性,仅表现出部分失活。出现这种现象的原因可能与乳酸菌特殊的生理活性有关,而胃蛋白酶、胰蛋白酶是人体肠道内正常存在的酶类,所以此类细菌素可在人体内被消化、无残留,预示了其可进入体内发挥生物学作用的安全性,对乳酸菌在食品工业的实际应用提供了一定的理论参考价值。
表5 菌株BL-1所产抑菌物质的蛋白敏感性Table.5 Effect of various protease on bacteriocin produced by strain BL-1
表6 菌株BL-1抑菌产物的抑菌谱Table.6 Antimicrobial spectrum of bacteriocin produced by strain BL-1
2.4.4抑菌谱的测定抑菌谱测定结果如表6所示,该乳酸菌株BL-1所产细菌素抑菌谱较广,对受试20株指示菌中的7株李斯特菌、3株金黄色葡萄球菌、凝结芽孢杆菌、猪链球菌等革兰氏阳性菌和对指示菌中大肠杆菌、假单胞菌等革兰氏阴性菌有很明显的抑制作用,抑菌谱较广,且表现出不同的抑菌活性,对啤酒酵母、青霉等真菌则无明显的抑制效果。由此可得该乳酸菌株所产细菌素可抑制食品中多种常见的腐败菌、致病菌,在食品工业中天然防腐剂的加工应用中具有广泛的应用潜力,可广泛应用于食品的防腐杀菌处理。
鼠李糖乳杆菌是健康人体肠道中的正常菌群,有增强宿主肠道抵抗力、加强免疫系统的功效,同时也是食品中正常菌群的组成部分,广泛存在于肉制品和发酵食品中。国内有研究表明鼠李糖乳杆菌可发酵产生细菌素,其细菌素具有很好的抑菌效果,能抑制食品中多种常见腐败菌、致病菌的生长,有望作为新型天然生物防腐剂应用于食品的防腐保鲜。国外对鼠李糖乳杆菌的研究相对较多,但多集中在其功能特性的研究,对鼠李糖乳杆菌及其所产细菌素生物特性研究较少,国内更是鲜有报道。国外已经发现且报道最多的能产生细菌素的鼠李糖乳杆菌为Lactobacillus rhamnosus GG(ATCC 53103),分离来自于健康人体肠道,具有耐受动物消化道环境、提高机体免疫力等功能特性。本实验中研究的鼠李糖乳杆菌BL-1是国内首次报道的产广谱细菌素产生菌,已报道的LGG所产细菌素抑菌谱较窄,对单核细胞增生李斯特氏菌、枯草芽孢杆菌和多数乳酸菌有抑制作用,但对常见致病菌如金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌没有抑制作用,在食品的防腐保鲜加工应用中有一定限制,与LGG所产细菌素相比,BL-1所产细菌素具有较广的抑菌谱,除了可以强烈抑制革兰氏阳性菌李斯特菌和金黄色葡萄球菌等致病菌的生长外,对大肠杆菌等革兰氏阴性细菌也表现一定抑菌活性,且抑菌效果较好,显示出其在食品防腐保鲜加工工业中更广阔的应用前景。
以课题组从母乳婴儿粪便分离得到的23株乳酸菌为试材,通过多次筛选获得一株产广谱细菌素的优良菌株BL-1,并确定了其所产细菌素为蛋白类物质,同时,通过形态学观察、生理生化反应和16S rDNA序列分析的方法进行分类学鉴定,确定该产广谱细菌素菌株BL-1为鼠李糖乳杆菌。
通过细菌素生物学特性研究显示:乳酸菌株BL-1所产细菌素具有良好的热稳定性,在121℃高温30min处理条件下仍然保持较高的抑菌活性;具有较好的酸碱耐受性,抑菌活性pH范围为2~10,耐酸,在pH为2时仍保持稳定的抑菌活性;且具有与人体肠道特征相符合的酶敏感性,胃蛋白酶可将其完全分解,使用安全性较高;此外,抑菌实验表明菌株BL-1所产细菌素具有较广的抑菌谱,对生活中常见的多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性致病菌、腐败菌均有较好的抑菌效果。上述结论表明鼠李糖乳杆菌BL-1所产细菌素具有良好的食品加工特性,在食品工业天然防腐剂的开发利用中有着巨大的应用空间和潜力。
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Study on separation and identification of a broad spectrum of bacteria producing lactic acid bacteria strains and characterization of its bacteriocin
LIU Guo-rong,SONG Zhen-qin,REN Li,SU Hang,WANG Cheng-tao
(Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients,Beijing Laboratory for Food Quality and Safety,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)
Objective:To obtain a broad spectrum of bacteriocin-producing lactic acid bacteria strains from breastfeeding baby stool,researching and analyzing its physicochemical and biological properties of bacteriocins,predict its potential applications in the food industry.Methods:The antimicrobial activity of 23 Lactobacillus strains isolated from breastfeeding infant faeces was tested by the oxford cup agar diffusion method using Listeria monocytogenes and E.coli as indicator bacteria.The strains were identified by cell morphological,physiological,biochemical characteristics and 16S rDNA sequence analysis,and from the acid,heat,protease sensitivity,antibacterial spectrum angles,analyze the biological characteristics of bacteriocins. Results:A broad spectrum bacteriocin producing strains BL-1 was isolated in this study.And results showed its bacteriocins have strong thermal stability and acid tolerance.Under the conditions of pH of 2,121℃,the bacteriocin activity remained stable and the pepsin could be completely decomposed it.And this bacteriocin showed the higher security and broad spectrum antimicrobial,the inhibitory effect was very obvious against Listeria monocytogenes,Staphylococcus aureus and other Gram-positive and negative bacteria such as Escherichia coli.Finally,it was identified as Lactobacillus rhamnosus.Conclusion:In this study,we isolated a broad spectrum bacteriocin producing Lactobacillus rhamnosus BL-1,and we found that its bacteriocin had excellent biological characteristics and great application prospects on the development of natural biological preservatives.
Lactobacillus rhamnosus;bacteriocin;identification;characteristics
TS201.3
A
1002-0306(2015)04-0180-06
10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.031
2014-04-21
刘国荣(1983-),女,博士,副教授,研究方向:食品微生物学。
北京市自然科学基金预探索项目(5133034);国家自然科学基金青年基金项目(31201407);国家十二五科技支撑项目(2013BAD18B12-05)。