李 理,滿朝新,劉少敏,李 婷,牛婕婷,姜毓君,,*
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150028)
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植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)NDC75017 產(chǎn)γ-氨基丁酸的影響因素及其代謝機(jī)制
李 理1,滿朝新2,劉少敏1,李 婷1,牛婕婷1,姜毓君1,2,*
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國家乳業(yè)工程技術(shù)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150028)
摘 要:為探索植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)NDC75017產(chǎn)γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)的影響因素及相關(guān)代謝機(jī)制,首先采用響應(yīng)面法,對菌體積累GABA的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化。其次,分別采用高效液相色譜和實(shí)時熒光定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time reverse transcript polymerase chain reaction)測定了不同時間點(diǎn)GABA產(chǎn)量和谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD)編碼基因gadB的相對表達(dá)量。L. plantarum NDC75017發(fā)酵過程中產(chǎn)GABA的最佳底物(谷氨酸鈉)、輔酶(5’-磷酸吡哆醛)的添加量和發(fā)酵初始pH值分別為68.03 mmol/L、20.92 μmol/L和4.65。底物與輔酶之間、輔酶與發(fā)酵初始pH值之間的交互作用能夠顯著地影響GABA的積累(P<0.05)。發(fā)酵48 h內(nèi),基因gadB表達(dá)量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,與GABA產(chǎn)量的變化趨勢并不完全一致。上述結(jié)果表明:底物、輔酶和發(fā)酵初始pH值以及它們之間的交互作用是影響L. plantarum NDC75017產(chǎn)生GABA的關(guān)鍵因素。同時GABA的積累不僅受到GAD和gadB的影響,其他與GABA支路(GABA shunt)相關(guān)的酶和基因也參與了GABA的代謝。
關(guān)鍵詞:γ-氨基丁酸;植物乳桿菌;谷氨酸脫羧酶;發(fā)酵
γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)是一種在自然界廣泛分布的非蛋白質(zhì)氨基酸。GABA最早被確定為哺乳動物神經(jīng)中樞的一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)[1],具有調(diào)節(jié)血壓[2]、調(diào)節(jié)激素分泌[3]、保護(hù)腎臟功能[4]、改善大腦機(jī)能[5]和增強(qiáng)機(jī)體免疫力[6]等多種生理功能。目前,GABA可以通過化學(xué)法和生物法進(jìn)行制備。與化學(xué)制備法相比,生物法具有條件溫和、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[7]。微生物生長代時短且易于大規(guī)模培養(yǎng),食品和藥品行業(yè)中常通過 微生物積累代謝產(chǎn)物的方式獲得相應(yīng)產(chǎn)品。乳酸菌是一種公認(rèn)的食品級安全的微生物,且許多乳酸菌均具有較強(qiáng)的GABA合成能力[8],因此通過乳酸菌制備GABA是一種安全有效、切實(shí)可行的方法。
乳酸菌中GABA的合成主要是通過谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase,GAD)催化底物谷氨酸(Glu)及其鹽類進(jìn)行α-脫羧實(shí)現(xiàn)的。影響乳酸菌GABA積累量的因素有Glu及其鹽類、磷酸吡哆醛(pridoxal phosphate,PLP)、發(fā)酵pH值、培養(yǎng)基組成及外源添加成分等[9]。上述因素主要能夠增強(qiáng)乳酸菌細(xì)胞內(nèi)GAD的活性,而GAD的表達(dá)會受到其編碼基因gad表達(dá)的影響。目前報(bào)道乳酸菌GAD的編碼基因有g(shù)adA、gadB和gadC[10],一些乳酸菌只有一種GAD的編碼基因,而有的乳酸菌則含有多個編碼基因[9]。GABA的代謝途徑和機(jī)制在乳酸菌中的研究并不是十分深入,目前的研究主要針對GAD催化底物脫羧這一反應(yīng)過程,是否有其他的代謝途徑(包括酶和基因)參與其中并不是十分清楚。
植物乳桿菌是被廣泛應(yīng)用在食品工業(yè)中的乳酸菌之一,多種植物乳桿菌及其亞種具有益生特性[10-11]。本研究以一株產(chǎn)GABA的Lactobacillus plantarum NDC75017為研究對象,通過響應(yīng)面法(response surface methodology,RSM)確定該菌株合成GABA的最佳發(fā)酵條件;同時采用實(shí)時熒光定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time reverse transcript polymerase chain reaction,real-time RT-PCR)技術(shù)對發(fā)酵過程中不同時間點(diǎn)的GAD編碼基因gadB的表達(dá)量進(jìn)行測定。上述研究不僅確定L. plantarum NDC75017積累GABA的最佳發(fā)酵條件及各因素間的相互影響;同時從基因水平上對該菌株積累GABA的方式和途徑進(jìn)行初步探究,從而為解析L. plantarum GABA的代謝途徑提供一定依據(jù)。
1.1菌株與培養(yǎng)基
產(chǎn)GABA的L. plantarum NDC75017分離自內(nèi)蒙古通遼地區(qū)傳統(tǒng)自制發(fā)酵乳,保藏于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室菌種庫(甘油管,-80 ℃)。
改良MRS培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨5、胰蛋白胨10、牛肉膏5、酵母粉5、葡萄糖20、瓊脂20。
1.2試劑與儀器
RNA保護(hù)試劑(No.76506)、RNA提取試劑盒(No.74104)德國Qiagen公司;PrimerScriptTMRT PCR試劑盒、DNaseⅠ、RNA酶抑制劑寶生物工程(大連)有限公司;GABA標(biāo)準(zhǔn)品、5’-磷酸吡哆醛、鄰苯二甲醛美國Sigma公司;色譜級甲醇和四氫呋喃天津光復(fù)精細(xì)化工研究所;無 水乙醇、無水乙酸鈉、硼酸等均為國產(chǎn)分析純。
7500Real Time PCR儀美國Applied Biosystems公司;Waters 2695GPC高效液相色譜儀美國Waters公司;Hypersil ODS2 C18(4.6 mm×250 mm,5 μm)色譜柱大連依利特分析儀器有限公司;GL-21M高速冷凍離心機(jī)上海市離心機(jī)械研究所;Delta320pH計(jì)瑞士梅特勒-托利多有限公司。
1.3方法
1.3.1菌種活化與發(fā)酵
保藏菌種以2%比例接種于MRS液體培養(yǎng)基(pH 5.8)中,37 ℃條件下培養(yǎng)12 h。保藏菌種經(jīng)上述方法活化2 次后即得到工作菌種。
取250 mL三角瓶內(nèi)裝100 mL MRS液體培養(yǎng)基,工作菌種內(nèi)含約108CFU/mL(平板計(jì)數(shù)),3%接種,37 ℃靜置發(fā)酵48 h。
1.3.2響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)
在前期單因素試驗(yàn)優(yōu)化L. planta rum GABA產(chǎn)量的基礎(chǔ)上[12],選擇L-谷氨酸鈉(L-monosodium gluamte,L-MSG)添加量(A)、PLP添加量(B)和發(fā)酵初始pH值(C)3 個因素與GABA產(chǎn)量進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)。通過Design-Expert 7.1.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,預(yù)測L. plantarum產(chǎn)GABA的最佳發(fā)酵條件。
1.3.3L. plantarum中總RNA的提取
分別于發(fā)酵0、4、8、12、24、48 h時取發(fā)酵液0.5 mL加入1 mL RNA保護(hù)試劑,混勻后室溫靜置5 min;4 ℃、10 000×g離心15 min,棄掉上清液,后續(xù)步驟按RNA提取試劑盒操作說明書步驟進(jìn)行。
1.3.4RNA完整性及純度鑒定
提取到的RNA經(jīng)DNaseⅠ酶解(37 ℃,15 min;65 ℃,10 min)以去除RNA樣品中殘留的基因組DNA。1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA樣品完整性;OD260 nm/OD280 nm檢測RNA樣品純度。
1.3.5 RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA
操作按PrimerS criptTMRT試劑盒說明書并做適當(dāng)改進(jìn),冰盒上配制反轉(zhuǎn)錄體系:5×PrimerScriptTMBuffer 4 μL,PrimerScriptTMRT Enzyme MixⅠ1 μL,隨機(jī)的6核苷酸引物1 μL,Oligo dT Primer 1 μL,RNA模板8 μL,加無RNase水至20 μL。RT-PCR反應(yīng)條件(熱循環(huán)儀進(jìn)行):37 ℃,15 min;85 ℃,10 s。
1.4指標(biāo)測定
1.4.1L. plantarum發(fā)酵液中GABA含量的測定
樣品前處理及柱前衍生:取適量發(fā)酵液10 000×g,4 ℃離心15 min;取上清液80 μ L與鄰苯二甲醛(o-phthalaldehyde,OPA)按1∶10體積比例混合,室溫暗處反應(yīng)1 min,反應(yīng)液過0.22 μm濾膜后待上機(jī)檢測。
色譜條件[11]:采用高效液相色譜(high performance liquid chromatograph,HPLC)對發(fā)酵液中GABA含量進(jìn)行檢測。流動相:V(0.05 mol/L醋酸鈉緩沖液)∶V(甲醇)∶V(四氫呋喃)=50∶49∶1;流速:1 mL/min;紫外檢測波長:338 nm;洗脫時間:15 min;柱溫:30 ℃。
1.4.2L. plantarum發(fā)酵過程中g(shù)adB表達(dá)量的測定
以反轉(zhuǎn)錄成的cDNA為模板進(jìn)行實(shí)時熒光定量PCR。利用軟件Primer 5.0對檢測基因gadB和管家基因GAPDH設(shè)計(jì)特異性引物(表1)。按照試劑盒說明書配制反應(yīng)體系:Premix Ex TaqTM(2×)10 μL,PCR正向引物和反向引物(10 μmol/L) 0.4 μL,ROXⅡ 0.4 μL,cDNA模板2 μL,SYBG 1 μL,加無菌雙蒸水至20 μL。實(shí)時熒光定量PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性10 s;95 ℃ 5 s,60 ℃ 34 s,40 個循環(huán)。每次PCR反應(yīng)均進(jìn)行擴(kuò)增產(chǎn)物的熔解曲線分析,以確定擴(kuò)增產(chǎn)物的特異性?;虮磉_(dá)量的定量以GAPDH為內(nèi)參基因,以無菌雙蒸水代替cDNA模板作為陰性對照,分析各基因Ct值(每個樣品設(shè)置5 次平行實(shí)驗(yàn))。利用2-△△Ct法對gadB表達(dá)量進(jìn)行相對定量(其中,Ct是擴(kuò)增基因達(dá)到閾值時的循環(huán)數(shù),△Ct是目的基因與內(nèi)參基因Ct值差值,△△Ct是實(shí)驗(yàn)各時間點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)起始時間點(diǎn)△Ct值差值)。
表1 熒光定量PCR引物的堿基序列、Tm值及引物的大小Table 1 Sequencess, Tmand lengths of primers used for real-time PCR
1.5數(shù)據(jù)處理
采用SPSS軟件中的Duncan’s多重比較檢驗(yàn)法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重顯著性分析。
2.1響應(yīng)面分析
對影響L. plantarum積累GABA的L-MSG添加量(A)、PLP添加量(B)、發(fā)酵初始pH值(C)進(jìn)行了三因素三水平響應(yīng)面分析,根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果見表2。通過Design Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到了GABA積累量(Y)的預(yù)測值對編碼自變量A、B和C的二次多項(xiàng)式回歸方程:Y=431.05-92.76A-4.82B+49.32C+58.31AB+35.21AC+131.59BC-137.94A2-99.21B2-86.28C2。模型方程回歸方差分析(表3)顯著性結(jié)果表明,該模型回歸顯著(P<0.05),并且該模型的R2=0.958 9;RA2dj=0.906 0,說明回歸方程擬合程度良好,可靠性較高,自變量和響應(yīng)值之間的線性關(guān)系高度顯著,可用于植物乳桿菌產(chǎn)GABA含量的理論預(yù)測。
表2 Box-Behnken響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design with experimental and predicted values of GABA yield
表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model for ooptimizing fermentation conditions for GABA accumulationn
2.2L. plantarum GABA產(chǎn)量的影響因素及發(fā)酵條件的確定
利用軟件對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到相應(yīng)的二次回歸方程響應(yīng)面及等高線見圖1~3。由圖1可知,當(dāng)發(fā)酵初始pH值為4.5時,GABA大量積累的底物濃度范圍是50~75 mmol/L。在此范圍內(nèi),當(dāng)PLP濃度為10~15 μmol/L時,GABA的產(chǎn)量隨輔酶添加量的增大而升高;繼續(xù)增大輔酶添加量,GABA的積累量反而降低。L-MSG可以明顯影響發(fā)酵過程中GABA的積累量,但PLP對其影響并不明顯,而二者之間的交互作用卻對其產(chǎn)量影響明顯(表3),說明了輔酶對GABA的影響具有一定底物依賴性。Bai Qingyun等[13]在研究粟米種子發(fā)酵產(chǎn)生GABA過程中同樣發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。一些還研究指出,發(fā)酵過程中pH值的變化會影響GABA的積累量,這是由于發(fā)酵環(huán)境的pH值不僅可以影響微生物生長,還可以影響微生物體內(nèi)某些關(guān)鍵酶的活性[14-16]。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,底物添加量、輔酶添加量和發(fā)酵初始pH值均是影響L. plantarum合成GABA的關(guān)鍵因素(底物添加量和發(fā)酵初始pH值影響顯著),且各因素間的交互作用也對其合成量影響明顯。經(jīng)軟件分析,預(yù)測得到GABA的最優(yōu)發(fā)酵條件:L-MSG添加量為68.03 mmol/L、PLP添加量為20.92 μmol/L、發(fā)酵初始pH值為4.65。
圖 11 L-MSG添加量和PLP添加量交互作用對GABA產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of interaction between L-MSG concentration and PLP concentration on GABA accumulation
圖 22 L-MSG添加量和發(fā)酵初始pH值交互作用對GABA產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of interaction between L-MSG concentration and initial fermentation pH on GABA accumulation
圖3 PLP添加量和發(fā)酵初始pH值交互作用對GABA產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of interaction between PLP concentration and initial fermentation pH on GABA accumulation
2.3不同發(fā)酵時間點(diǎn)gadB表達(dá)量及GABA產(chǎn)量的變化
圖 44 L. plantarum NDC75017總RNA完整性鑒定Fig.4 Integrity identification of total RNA extracted from L. plantarum NDC75017
由圖4可知,按響應(yīng)面分析得到的最佳條件對L. plantarum進(jìn)行發(fā)酵,分別于發(fā)酵 0、4、8、12、24、48 h時提取菌體RNA。RNA經(jīng)1%瓊脂糖電泳檢測23S和16S條帶清晰,5S條帶較弱,說明RNA完整性較好;紫外分光光度計(jì)檢測OD260 nm/OD280 nm比值大于1.9,說明RNA純度較高,可用于后續(xù)反轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)。RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA后進(jìn)行Real-time PCR,以GAPDH為內(nèi)參基因?qū)Σ煌l(fā)酵時間點(diǎn)gadB的表達(dá)量進(jìn)行相對定量分析(圖5)。以發(fā)酵0 h的表達(dá)量為參照,gadB表達(dá)量隨發(fā)酵時間的延長呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,24 h時表達(dá)量達(dá)到最高值。與相同發(fā)酵時間點(diǎn)GABA的產(chǎn)量相比(圖6),二者的變化趨勢有所不同。發(fā)酵初期(0~4 h),GABA的產(chǎn)量已有顯著增加,從12.065 mg/L增加至73.742 mg/L,而gadB的表達(dá)量卻沒有明顯的改變。發(fā)酵進(jìn)入菌體生長的穩(wěn)定期后,gadB的表達(dá)量在24 h達(dá)到峰值后又下降,48 h時表達(dá)量處于較低水平,然而GABA的積累量則在24~48 h這個時間段大量積累,達(dá)到整個發(fā)酵過程中的最高值(390.70 mg/L)。文獻(xiàn)[8]報(bào)道乳酸菌合成GABA主要受到GAD酶的影響,但也有文獻(xiàn)指出GABA在基因或轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控與GAD編碼基因的關(guān)系并不是非常密切[20]。與基因表達(dá)相比,相關(guān)產(chǎn)物的合成具有一定的滯后性,但本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,GABA的產(chǎn)量與gadB的表達(dá)在時間上的關(guān)系并不是單純的滯后關(guān)系,因此推測發(fā)酵過程中菌體合成GABA可能并不只受到GAD和其編碼基因gadB的影響,應(yīng)該還有其他酶和/或基因參與其中的調(diào)控。
圖 55 L. plantarum NDC75017不同發(fā)酵時間點(diǎn)ggaaddBB相對表達(dá)量(n==55)Fig.5 Relative expression of gadB in L. plantarum NDC75017 at different time points (n=5)
圖 66 L. plantarum NDC75017不同發(fā)酵時間點(diǎn)GABA積累量Fig.6 GABA accumulation by L. plantarum NDC75017 at different time points during fermentation
植物中G A B A的代謝途徑是從三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)中衍生出來的一個側(cè)枝,又稱GABA支路(GABA shunt)。這個短的代謝途徑中除了含有GAD酶外,還有兩個與GABA分解代謝相關(guān)的酶,分別為GABA轉(zhuǎn)氨酶(GABA-T)和琥珀酸半醛脫氫酶(succinate-semialdehyde dehydrogenase, SSADH)[17]。Yang Runqiang[18]和Guo Yuanxin[19]等分別研究了GABA支路和多胺降解途徑對發(fā)酵蠶豆和大豆中GABA積累的影響,他們指出GAD和二胺氧化酶(diamine oxidase,DAO)的活性都會影響蠶豆和大豆發(fā)酵過程中GABA的積累。在微生物(乳酸菌)發(fā)酵過程中是否也存在與GABA支路相偶聯(lián)的代謝途徑(包括關(guān)鍵酶和調(diào)控基因)共同影響著GABA的積累還沒有明確的報(bào)道,需要通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
GABA代謝相關(guān)酶(脫羧酶和轉(zhuǎn)氨酶)功能性作用的發(fā)揮與其編碼基因的表達(dá)密切相關(guān),因此研究乳酸菌發(fā)酵過程中關(guān)鍵調(diào)控基因的表達(dá)對理解乳酸菌GABA的代謝具有重要幫助。Mazzoli等[20]采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)合蛋白組學(xué)的分析方法,考察了不同發(fā)酵條件下,乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)產(chǎn)生GABA的相關(guān)蛋白和基因的表達(dá)情況。研究發(fā)現(xiàn),在添加有一定量底物谷氨酸時,有30 個基因和/或蛋白與不添加谷氨酸時的表達(dá)量有明顯差異,這樣的結(jié)果說明了乳酸菌發(fā)酵過程中GABA產(chǎn)量的積累不是僅受到一個基因的單獨(dú)調(diào)控,而是存在多個基因的共同調(diào)控。
植物乳桿菌(L. Plantarum)NDC75017發(fā)酵過程中產(chǎn)GABA的最佳底物、輔酶的添加量以及發(fā)酵初始pH值分別為68.03 mmol/L、20.92 μmol/L和4.65。L-MSG、PLP添加量和發(fā)酵初始pH值能夠影響L. plantarum NDC75017發(fā)酵過程中GABA的積累,其中L-MSG濃度和發(fā)酵初始pH值對其影響顯著。上述3 個影響因素中,底物添加量與輔酶添加量、輔酶添加量與發(fā)酵初始pH值之間形成的交互作用也對GABA產(chǎn)量的積累產(chǎn)生明顯的影響。發(fā)酵過程中基因gadB的表達(dá)量和GABA積累量的變化趨勢不同證明了L. plantarum NDC75017合成GABA不僅受到GAD和其編碼基因影響和調(diào)控,同時,其他與GABA支路相偶聯(lián)的代謝途徑和調(diào)控基因可能也參與其中。
參考文獻(xiàn):
[1]葉惟憐. γ-氨基丁酸的發(fā)現(xiàn)史[J]. 生理科學(xué)進(jìn)展, 1986, 17(2): 187-189.
[2]KAUZUHITO H, MASAYUKI K, KATSUO K. Mechanism underlying gamma-aminobutyric acid-induced antihypertensive effect in spontaneously hypertensive rats[J]. European Journal of Pharmacology, 2002, 438: 107-113.
[3]GAO Shangfeng, BAO Aiming. Corticotropin-releasing hormone, glutamate, and gamma-aminobutyric acid in depression[J]. Neuroscientist, 2011, 17(1): 124-144.
[4]OZKAN Y, YILMAZ O, TUZCU M, et al. Effects of dietary taurine and gamma-aminobutyric acid on the steroil CoA desaturase and delta 6, 5 desaturase enzyme activities in liver tissues of rats[J]. Journal of Animal and Veterinary Advances, 2008, 7(11): 1450-1457.
[5]ESQUIFINO A I, CANO P, JIMENEZ V, et al. Changes of prolactinregulatory mechanisms in aging: 24 h rhythms of serum prolactin and median eminence and adenohypophysial concentration of dopamine, serotonin gamma-aminobutyric acid, taurine and somatostatin in young and aged rats[J]. Experimental Gerontology, 2004, 39: 45-52.
[6]SOLTANI N, QIU H, ALEKSIC M, et al. GABA exerts protective and regenerative effects on islet beta cells and reverses diabetes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Stated of America, 2011, 108(28): 11692-11697.
[7]LI Haixing, QIU Ting, GAO Dandan, et al. Medium optimization for production of gamma-aminobutyric acid by Lactobacillus brevis NCL912[J]. Amino Acids, 2010, 38: 1439-1445.
[8]LI Haixing, CAO Yusheng. Lactic acid bacterial cell factories for gamma-aminobutyric acid[J]. Amino Acids, 2010, 39: 1107-1116.
[9]TRAMONTI A, VISCA P, de CANIO M, et al. Functional characterization and regulation of gadX, a gene encoding an AraC/XylS-like transcriptional activator of the Escherichia coli glutamic acid decarboxylase system[J]. Journ al of Bacte riology, 2002, 184(10): 2603-2613.
[10]BRINQUES G B, AYBU M A Z. Effect of microencapsulation on survival of Lactobacillus plantarum in simulated gastrointestinal conditions, refrigeration, and yogurt[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 103: 123-128.
[11]de VRIES M C, VAUGHAN E E, KLEEREBEZEM M, et al. Lactobacillus plantarum-survival, functional and potential probiotic properties in the human intestinal tract[J]. International Dairy Journal, 2006, 16: 1018-1028.
[12]薛玉清. 富含γ-氨基丁酸發(fā)酵乳的研制[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.
[13]BAI Qingyun, CHAI Meiqing, GU Zhenxin, et al. Effects of components in culture medium on glutamate decarboxylase activity and γ-aminobutyric acid accumulation in foxtail millet (Setaria italic L.) during germination[J]. Food Chemistry, 2009, 116: 152-157.
[14]NORIKO K, JUN S, SHINICHI K, et al. Production of γ-aminobutyric acid (GABA) by Lactobac illus paracaseiisolated isolated from traditional fermented foods[J]. Food Microbiol o gy, 2005, 22: 497-504.
[15]SEUNG Y C, MIN J P, KI M K, et al. Production of high γ-aminobut yric acid (GABA) sour kimchi using lactic acid bacteria isolated from Mukeunjee kimchi[J]. Food Science and Biotechnology, 2011, 20(2): 403-408.
[16]CAGNO P D, MAZZACANE F, RIZZELLO C G, et al. Synthesis of γ-aminobutyric acid (GABA) by Lactobacillus plantarum DSM19463: functional grape must beverage and dermatological applications[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010, 86: 731-741.
[17]宋紅苗, 陶躍之, 王慧中, 等. GABA在植物體內(nèi)的合成代謝及生物學(xué)功能[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010(2): 225-230.
[18]YANG Runqiang, GUO Qianghui, GU Zhenxin. GABA shunt and polyamine degradation pathway γ-aminobutyric acid accumulation in germinating fava bean (Vicia faba L.) under hypoxia[J]. Food Chemistry, 2013, 136: 152-159.
[19]GUO Yuanxin, YANG Runqiang, CHEN Hui, et al. Accumulation of γ-aminobutyric acid in germinated soybean (Glycine max L.) in relation to glutamate decarboxylase and diamine oxidase activity induced by additives under hypoxia[J]. European Food Research and Technology, 2012, 234: 679-687.
[20]MAZZOLI R, PESSIONE E, DUFOUR M, et al. Glutamate-induced metabolic changes in Lactococcus lactis NCDO 2118 during GABA production: combined transcriptomic and proteomic analysis[J]. Amino Acids, 2010, 39: 727-737.
Influencing Factors and Metabolic Mechanism of Gamma-Aminobutyric Acid Accumulation by Lactobacillus plantarum NDC75017
LI Li1, MAN Chaoxin2, LIU Shaomin1, LI Ting1, NIU Jieting1, JIANG Yujun1,2,*
(1. Key Laboratory of Dairy Science, Ministry of Education, College of Food Science and Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. National Research Center of Dairy Engineering and Technology, Northeast Agricultural University, Harbin 150028, China)
Abstract:The objectives of this work were to explore the factors influencing gamma-aminobutyric acid (GABA) accumulation by Lactobacillus plantarum NDC75017 and the relevant metabolic mechanism. Response surface methodology (RSM) was adopted to optimize the fermentation conditions for GABA production. Then, GABA production and the expression of glutamic acid decarboxylase (GAD) encoding gene gadB at different time points were measured by high performance liquid chromatography (HPLC) and real-time reverse transcription PCR (real-time RT-PCR), respectively. The optimal concentrations of L-mono sodium glutamate (L-MSG) and 5’-pridoxal phosphate (PLP), and initial fermentation pH were 68.03 mmol/L, 20.92 μmol/L, and 4.65, respectively. Meanwhile, the yield of GABA was also significantly affected by the interactions between L-MSG and PLP, and between PLP and pH (P < 0.05). In the fermentation process (0–48 h), the expression of gadB increased at first and then decreased after 24 h, which was different from the variation trend of GABA production. These results indicated that the concentrations of L-MSG and PLP, initial fermentation pH, and their interactions could significantly affect GABA accumulation by L. plantarum NDC75017. Meanwhile, in addition to GAD and gadB, other related enzymes and genes related to the GABA shunt might be also involved in the synthesis of GABA by L. plantarum NDC75017.
Key words:gamma-aminobutyric acid; Lactobacillus plantarum; glutamic acid decarboxylase; fermentation
doi:10.7506/spkx1002-6630-201507016
中圖分類號:TS201.3
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1002-6630(2015)07-0084-06
*通信作者:姜毓君(1971—),男,教授,博士,研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail:yujun_jiang@163.com
作者簡介:李理(1988—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称肺⑸锱c生物技術(shù)。E-mail:jenniferli19881107@gmail.com
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31171718);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA100902);黑龍江省科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新能力提升專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(YC13D005)
收稿日期:2014-04-02