呂嘉櫪,伍金金,周冰洋,羅 瀟
(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,陜西 西安 710021)
乳酸菌能夠增強(qiáng)人體免疫力、修復(fù)腸粘膜損傷、抗氧化、抑菌、降血脂、降膽固醇、治療乳腺炎等[1-7],廣泛應(yīng)用于食品與發(fā)酵工業(yè)[8-10],乳酸菌的活性是影響其產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用的重要因素。研究表明,影響乳酸菌活性的因素有很多,如溫度、pH、鹽濃度、氧濃度、營養(yǎng)物質(zhì)等[11-14]。
發(fā)酵食品的顯著特征是高含鹽量,且隨著發(fā)酵的進(jìn)行積累大量的酸,所以研究酸和鹽脅迫對(duì)乳酸菌活性的影響十分重要。王璐[15]對(duì)嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)和保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)進(jìn)行耐鹽實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對(duì)這兩株乳酸菌的生長(zhǎng)有很大的抑制作用,接著不斷地將乳酸菌轉(zhuǎn)接到更高鹽濃度的培養(yǎng)基中馴化培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)馴化后的乳酸菌能夠提高對(duì)鹽脅迫的耐受性;南曉芳等[16]從豆豉和腐乳中分離并篩選出了5株耐鹽性高達(dá)12%的乳酸菌,乳酸菌的耐鹽特性對(duì)于提高豆豉和腐乳的品質(zhì)有著重要的作用;崔樹茂[17]研究了不同濃度的氯化鈉、乳酸鈉和乙酸鈉對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明這3種胞外酸根對(duì)乳酸菌完全抑制時(shí)的濃度相同;施為家[18]研究發(fā)現(xiàn),pH值對(duì)乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、胞內(nèi)酶的活性和有氧呼吸效率等許多細(xì)胞生理功能都有十分重要的影響;閆征等[19]分別用乳酸和HCl調(diào)節(jié)培養(yǎng)初始pH值,研究了不同pH條件下乳酸產(chǎn)量和乳酸菌的生長(zhǎng)情況,結(jié)果表明,乳酸的逐漸積累是導(dǎo)致乳酸菌的生長(zhǎng)和乳酸產(chǎn)量受到抑制的直接原因,而H+濃度的增加(pH降低)則是間接原因;尚天翠[20]和熊素玉等[21]分別從乳制品中分離純化出10株和24株乳酸菌,研究發(fā)現(xiàn)這兩次分離純化的乳酸菌最適pH值都在6.5左右。目前對(duì)于酸和鹽脅迫條件下乳酸菌活性的影響已有一些報(bào)道,但同時(shí)研究酸脅迫和鹽脅迫對(duì)乳酸菌活性的影響報(bào)道較少,且大多數(shù)研究選取的乳酸菌菌種不夠全面,不能進(jìn)行橫向比較。
本研究廣泛選取13株食品中常見的乳酸菌,在不同的鹽濃度和pH值條件下培養(yǎng),測(cè)定其在不同鹽和酸條件下的生長(zhǎng)曲線,期望獲得每株菌最適的酸和鹽生長(zhǎng)條件,并進(jìn)行橫向比較,并探索這13株乳酸菌的耐酸、耐鹽能力,為乳酸菌更好地應(yīng)用于食品行業(yè)提供參考。
1.1.1 供試乳酸菌
保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)(Lb)、嗜酸乳桿菌(Lactibacillus acidophilus)(La)、干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)(Lc)、植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)(Lp)、鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)(Lr)、長(zhǎng)雙歧桿菌(Bifidobacterium longum)(Bl)、動(dòng)物雙歧桿菌(Bifidobacterium animalis)(Ba)、嬰兒雙歧桿菌(Bifidobacterium infantis)(Bi)、副干酪乳桿菌(Lactobacillus paracasei)(Lcp)、乳酸片球菌(Pediococcus acidilactici)(Pi)、戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)(Pp)、乳酸乳球菌乳酸亞種(Lactococcus lactissubsp.)(Ll)和嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)(St):均由陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院提供。
1.1.2 培養(yǎng)基
MRS液體培養(yǎng)基[22]:蛋白胨10 g,牛肉膏8 g,酵母膏4 g,葡萄糖20 g,乙酸鈉5 g,檸檬酸氫二氨2 g,吐溫-80 1 mL,K2HPO42 g,MnSO4·4H2O 0.04 g,MnSO4·7H2O 0.2 g,水1 000 mL。pH值自然,121 ℃高壓滅菌15 min。
1.1.3 試劑
蛋白胨、牛肉膏、酵母膏:北京奧博星生物技術(shù)責(zé)任有限公司;葡萄糖、乙酸鈉、檸檬酸氫二氨、吐溫-80、K2HPO4、MnSO4·4H2O、MnSO4·7H2O、甲苯胺藍(lán)、氫氧化鈉、濃鹽酸、醋酸、氯化鈉、無水乙醇(均為分析純):天津市天力化學(xué)試劑有限公司。
PHS-3C酸度計(jì):上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;UV-2600紫外可見分光光度計(jì):尤尼柯上海儀器有限公司;DHP-9080電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海佳勝試驗(yàn)設(shè)備有限公司;101-1電熱鼓風(fēng)干燥箱:北京科偉永興儀器有限公司。
1.3.1 乳酸菌菌種的活化
將MRS液體培養(yǎng)基加入?yún)捬豕苤校瑥墓腆w斜面培養(yǎng)基將供試乳酸菌接種到MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃活化培養(yǎng)48 h,甲苯胺藍(lán)染色[23],鏡檢,無雜菌后二次活化,4 ℃冰箱保存?zhèn)溆肹24]。
1.3.2 乳酸菌生長(zhǎng)曲線的測(cè)定
將活化好的乳酸菌分別以1%(V/V)的接種量接種到MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃靜置培養(yǎng)72 h,分別在培養(yǎng)0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h取樣,以未接種的MRS液體調(diào)節(jié)零點(diǎn),在波長(zhǎng)為600 nm處測(cè)定樣品的OD600nm值。以O(shè)D600nm值為縱坐標(biāo),發(fā)酵時(shí)間為橫坐標(biāo),繪制乳酸菌的生長(zhǎng)曲線。
1.3.3 鹽脅迫對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的影響
MRS液體培養(yǎng)基中分別添加1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%的NaCl,將活化好的乳酸菌分別以1%(V/V)的接種量接種到不同鹽濃度的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃靜置培養(yǎng)72 h,分別在培養(yǎng)0 h、4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h時(shí)取樣,以未接種的MRS液體調(diào)節(jié)零點(diǎn),在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定樣品的OD600nm值,繪制乳酸菌的生長(zhǎng)曲線。
1.3.4 酸脅迫對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的影響
用1 mol/L HCl溶液將MRS液體培養(yǎng)基的pH值分別調(diào)為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0,再用1 mol/L NaOH溶液將MRS液體培養(yǎng)基的pH值調(diào)為7.0。取活化好的乳酸菌分別以1%(V/V)的接種量接種于不同pH值的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃靜置培養(yǎng)168 h,分別在培養(yǎng)0 h、4 h、8 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h時(shí)取樣,以未接種的MRS液體調(diào)節(jié)零點(diǎn),在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定樣品的OD600nm值,繪制乳酸菌的生長(zhǎng)曲線。
圖1 13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria
由圖1可知,13株乳酸菌在MRS液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)良好,其中乳酸菌Pi和Pp遲緩期為4 h,乳酸菌Lp、Lc、Lcp遲緩期為8 h,乳酸菌Lr、Ll和St遲緩期為12 h,乳酸菌Lb、La、Bl、Bi和Ba遲緩期為20 h,進(jìn)入對(duì)數(shù)期后,13株乳酸菌的活菌數(shù)均直線上升,36 h后所有乳酸菌到達(dá)穩(wěn)定期,并且在穩(wěn)定期,OD600nm值一直保持較高水平,72 h內(nèi)沒有進(jìn)入衰亡期。到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)乳酸菌Lb和La的OD600nm值低于另外11株菌,說明自然狀態(tài)下乳酸菌Lb和La活性低于其他11株菌。
圖2 1%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.2 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 1%
由圖2可知,鹽濃度為1%時(shí),乳酸菌Lp和Lcp的遲緩期為4 h,乳酸菌Lc、Pp和Pi的遲緩期為8 h,乳酸菌Lb、Ll、St、La和Lr的遲緩期為12 h,乳酸菌Bi、Bl和Ba的遲緩期為20 h,乳酸菌Lp、Lcp、Lb、La的遲緩期比不加鹽時(shí)的短,且到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)乳酸菌Lp、Lcp、Lb、La的OD600nm值高于不加鹽時(shí)穩(wěn)定期的OD600nm值,表明鹽濃度為1%時(shí)有利于乳酸菌Lp、Lcp、Lb、La的生長(zhǎng)。
圖3 2%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.3 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 2%
由圖3可知,鹽濃度為2%時(shí),乳酸菌Lcp和Lp的遲緩期為4 h,乳酸菌Lr、Pi、Pp和Lc的遲緩期為8 h,乳酸菌St和Ll遲緩期為12 h,乳酸菌Ba和La的遲緩期為16 h,乳酸菌Bl和Lb的遲緩期為20 h,乳酸菌Bi的遲緩期為24 h,說明鹽濃度為2%有利于縮短乳酸菌Lp、Lcp、Lr、La、Ba的生長(zhǎng)遲緩期,促進(jìn)這5株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)乳酸菌Lc的OD600nm值低于其他12株菌,說明鹽濃度為2%時(shí)乳酸菌Lc對(duì)鹽脅迫更敏感;乳酸菌Lb及La的穩(wěn)定期OD600nm值同樣高于不加鹽時(shí)的穩(wěn)定期OD600nm值,且高于鹽濃度為1%時(shí)的穩(wěn)定期OD600nm值,說明鹽濃度為2%進(jìn)一步促進(jìn)了乳酸菌Lb、La的生長(zhǎng)。
圖4 3%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.4 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 3%
由圖4可知,鹽濃度為3%時(shí)增加了乳酸菌Pi、Pp、Lr、Lc、La、Bi、Ba、Lb的生長(zhǎng)遲緩期,抑制了這8株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)除了乳酸菌Lb和La,其余11株乳酸菌的生長(zhǎng)都受到了抑制,且乳酸菌Lc和Pi的穩(wěn)定期OD600nm值低于其他11株菌,說明鹽濃度為3%時(shí)乳酸菌Lc和Pi對(duì)鹽脅迫更敏感。
圖5 4%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.5 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 4%
由圖5可知,鹽濃度為4%時(shí)增加了乳酸菌Lb、Pi、Pp、Lr、Lc、La、Bi、Bl、Ll、St的生長(zhǎng)遲緩期,抑制了這10株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)除了乳酸菌Lb和La,其余11株乳酸菌的生長(zhǎng)都受到了抑制,乳酸菌Pi和Ll的OD600nm值較其他11株菌低,且乳酸菌Pi最早進(jìn)入衰亡期,說明鹽濃度為4%時(shí)乳酸菌Pi和Ll對(duì)鹽脅迫更敏感。
由圖6可知,鹽濃度為5%時(shí)增加了乳酸菌Lb、Pi、Pp、Lr、Lc、La、Bi、Bl、Ba、Ll、St的生長(zhǎng)遲緩期,抑制了這11株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)除了乳酸菌La,其余12株乳酸菌的OD600nm值都低于不加鹽時(shí)的OD600nm值,說明鹽濃度為5%抑制了這12株乳酸菌的生長(zhǎng)。
由圖7可知,鹽濃度為6%時(shí)增加了乳酸菌Lb、Pi、Pp、Lr、Lc、La、Bi、Bl、Ba、Ll、St的生長(zhǎng)遲緩期,抑制了這11株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)除了乳酸菌La,其余12株乳酸菌的生長(zhǎng)都受到了抑制,Lcp、Pi和Ll的OD600nm值較其他乳酸菌低,說明鹽濃度為6%時(shí)乳酸菌Lcp、Pi和Ll對(duì)鹽脅迫更敏感。
圖6 5%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.6 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 5%
圖7 6%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.7 Growth curves of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 6%
圖8 7%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.8 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 7%
由圖8可知,除了乳酸菌Lcp,其余12株菌的遲緩期都顯著增加,鹽濃度為7%抑制了這12株菌的前期生長(zhǎng);到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)13株乳酸菌的OD600nm值都低于不加鹽時(shí)的OD600nm值,說明鹽濃度為7%抑制了這13株乳酸菌的生長(zhǎng)。
由圖9可知,鹽濃度為8%對(duì)這13株乳酸菌的整個(gè)生長(zhǎng)過程都有抑制作用,且對(duì)乳酸菌Lcp、Lp、Pi、Pp、Lr、Ll、St的生長(zhǎng)抑制率>50%,對(duì)乳酸菌La、Bi、Bl、Ba、Lb、Lc的生長(zhǎng)抑制率>95%。
由圖10可知,鹽濃度為9%對(duì)這13株乳酸菌的生長(zhǎng)有顯著抑制作用,且對(duì)乳酸菌Lcp、Pi、St、Pp、Ll的生長(zhǎng)抑制率>70%,對(duì)其余8株乳酸菌的生長(zhǎng)抑制率>95%。
圖9 8%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.9 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 8%
圖10 9%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.10 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 9%
圖11 10%鹽濃度時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.11 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria with salt concentration 10%
由圖11可知,鹽濃度為10%時(shí),乳酸菌Lcp在第8小時(shí)開始緩慢生長(zhǎng),在第36小時(shí)時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定期,最終穩(wěn)定期OD600nm值為0.165,中間沒有出現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,OD600nm值維持在0.1左右;乳酸菌Pi、Pp、St及Ll在48 h后開始生長(zhǎng),72 h后進(jìn)入穩(wěn)定期,最大OD600nm值為1.053;其余8株菌直至測(cè)定結(jié)束OD600nm值沒有顯著變化,接近于零。說明鹽濃度為10%對(duì)這13株乳酸菌的生長(zhǎng)有顯著抑制作用,且除了乳酸菌Pi、Pp、St、Ll,其余9株乳酸菌的生長(zhǎng)抑制率都>95%,高鹽濃度對(duì)9株桿菌的抑制作用強(qiáng)于4株球菌。
圖12 pH=1時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.12 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=1
圖13 pH=2時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.13 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=2
圖14 pH=3時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.14 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=3
由圖12~14可知,pH=1~3時(shí),13株乳酸菌都不能明顯的生長(zhǎng),OD600nm值一直維持在較低水平,最大不超過0.3,其中4株球菌的OD600nm值高于9株桿菌,說明高酸條件對(duì)9株桿菌的抑制作用強(qiáng)于4株球菌;12~24 h是9株桿菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,24 h后OD600nm值基本維持在0.1左右。原因是培養(yǎng)基中所加乳酸的量過多,抑制了乳酸菌本身發(fā)酵產(chǎn)乳酸的過程,另一方面,pH值過低本身就不利于乳酸菌繼續(xù)生長(zhǎng)。
由圖15可知,pH=4時(shí),長(zhǎng)勢(shì)較好的前3株菌依次是乳酸菌Lcp、Lr、Pi,其中,乳酸菌Lcp的遲緩期為12 h,最終穩(wěn)定期OD600nm值為2.510,乳酸菌Lr在第48小時(shí)進(jìn)入對(duì)數(shù)期生長(zhǎng),最終穩(wěn)定期OD600nm值為2.256,乳酸菌Pi也在第48小時(shí)進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,最終穩(wěn)定期OD600nm值為1.983,這3株菌直到測(cè)定結(jié)束的168 h內(nèi)并未出現(xiàn)衰亡期,說明這3株乳酸菌在酸脅迫開始解除時(shí)最先生長(zhǎng)。乳酸菌Lb和La在96 h后顯著生長(zhǎng),最大OD600nm值為1.192,說明pH=4對(duì)乳酸菌Lb和La的前期生長(zhǎng)仍有抑制作用,直到適應(yīng)pH條件后活菌數(shù)開始上升,但仍未達(dá)到自然條件下的活菌數(shù)。其余8株菌遲緩期為24 h,此后緩慢生長(zhǎng),在144 h后都進(jìn)入了穩(wěn)定期,且最終穩(wěn)定期OD600nm值都比較低,說明pH=4對(duì)這8株乳酸菌的生長(zhǎng)仍有抑制作用。
圖15 pH=4時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.15 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=4
圖16 pH=5時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.16 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=5
由圖16可知,pH=5時(shí),乳酸菌Pi和Pp的遲緩期為8 h,乳酸菌Lc、Lp、Lcp和Lr的遲緩期為12 h,乳酸菌La的遲緩期為36 h,其余6株菌的遲緩期為24 h,13株乳酸菌在48 h后都進(jìn)入了穩(wěn)定期,且穩(wěn)定期OD600nm值都維持在較高水平,說明13株乳酸菌在測(cè)定結(jié)束時(shí)都長(zhǎng)勢(shì)良好。
由圖17可知,pH=6時(shí),乳酸菌Lcp、Pi和Pp的遲緩期為4 h,其余10株菌的遲緩期分別在8 h、12 h和24 h,之后進(jìn)入對(duì)數(shù)期,OD600nm值顯著增大,在36 h后都進(jìn)入了穩(wěn)定期且穩(wěn)定期OD600nm值都維持在較高水平,說明pH=6時(shí)13株乳酸菌都長(zhǎng)勢(shì)良好;乳酸菌Lb、La、Lc、Lr、Lp、Bl、Bi、Ba、Lcp、Pp、St的最終穩(wěn)定期OD600nm值都高于pH=5時(shí)的最終穩(wěn)定期OD600nm值,說明pH=6時(shí)這11株乳酸菌的活性高于pH=5。
圖17 pH=6時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.17 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=6
圖18 pH=7時(shí)13株乳酸菌的生長(zhǎng)曲線Fig.18 Growth curve of 13 strains of lactic acid bacteria at pH=7
由圖18可知,pH=7時(shí),乳酸菌Lr、Lp、Lc及Lcp在24 h時(shí)已進(jìn)入穩(wěn)定期,乳酸菌Pi、St、Ll和Pp在36 h時(shí)基本進(jìn)入穩(wěn)定期,其余5株乳酸菌在48 h后進(jìn)入穩(wěn)定期,13株乳酸菌的穩(wěn)定期OD600nm值都維持在較高水平,說明培養(yǎng)期間13株乳酸菌的長(zhǎng)勢(shì)良好;乳酸菌Lb、La、Lc、Lr、Lcp、Pi、Li、Pp、St的最終穩(wěn)定期OD600nm值都低于pH=6時(shí)的最終穩(wěn)定期OD600nm值,說明pH=7時(shí)這9株乳酸菌的活性低于pH=6。
適當(dāng)?shù)牡望}濃度(1%、2%)對(duì)部分乳酸菌的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,植物乳桿菌和副干酪乳桿菌的最適鹽濃度為1%,保加利亞乳桿菌和嗜酸乳桿菌的最適鹽濃度為2%;鹽濃度進(jìn)一步增大,13株乳酸菌的生長(zhǎng)受到抑制;鹽濃度為10%時(shí),13株乳酸菌的生長(zhǎng)受到明顯的抑制作用,除了戊糖片球菌、乳酸片球菌、嗜熱鏈球菌及乳酸乳球菌乳酸亞種,其余9株乳酸菌的生長(zhǎng)抑制率都>95%。當(dāng)pH值為5~7時(shí),13株乳酸菌均生長(zhǎng)良好;當(dāng)pH=6時(shí),7株乳酸菌活性最高;隨著酸脅迫的增強(qiáng),13株乳酸菌生長(zhǎng)受抑制程度增大;當(dāng)pH值為1~3時(shí),13株乳酸菌的生長(zhǎng)抑制率都>90%。隨著酸和鹽脅迫作用增強(qiáng),乳酸菌生長(zhǎng)的抑制程度逐漸增大,且高鹽、高酸條件對(duì)9株桿菌的抑制作用強(qiáng)于4株球菌。通過研究酸和鹽脅迫對(duì)乳酸菌活性的影響,為進(jìn)一步開發(fā)利用乳酸菌資源提供一定的科學(xué)依據(jù)。