杜 秋, 周 曉, 覃業(yè)優(yōu), 胡嘉亮, 劉 洋, 蔣立文*
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128;2.湖南壇壇香食品科技有限公司,湖南 瀏陽(yáng) 410300)
聯(lián) 合 國(guó) 糧 農(nóng) 組 織 (FAO)、 世 界 衛(wèi) 生 組 織(WHO)、國(guó)際益生菌和益生元科學(xué)協(xié)會(huì)(ISAPP)以及國(guó)際乳業(yè)聯(lián)盟(IDF)對(duì)益生菌給出了定義:益生菌是活的微生物,當(dāng)攝入足夠數(shù)量時(shí),對(duì)宿主的健康產(chǎn)生益處[1]。 因此,益生菌應(yīng)具備足夠數(shù)量、活菌狀態(tài)和有益健康功能這三大特征[2]。 2003 年,F(xiàn)AO/WHO 提出了一套評(píng)價(jià)食品用益生菌的系統(tǒng)方法指南《食品中益生菌評(píng)價(jià)指南》,制定了益生菌的基本標(biāo)準(zhǔn)[3];2022 年中國(guó)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)(CIFST)發(fā)布的《食品用益生菌通則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)通則),明確規(guī)定食品用益生菌活菌數(shù)應(yīng)大于(或等于)1×108CFU/mL或1×108CFU/g,并定義了食品用益生菌為可用于食品中的一種或多種益生菌,經(jīng)發(fā)酵、富集、干燥或不干燥、混合或不混合、包裝等工序制成的食品原料[4]。 通則對(duì)食品用益生菌的評(píng)價(jià)要求進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述,要求應(yīng)在菌株水平進(jìn)行鑒定、安全評(píng)價(jià)和健康作用評(píng)價(jià)[5]。
乳酸菌(lactic acid bacterium,簡(jiǎn)稱(chēng)LAB)來(lái)源廣泛,隨著對(duì)大健康的重視,植物源乳酸菌已引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注[6]。 傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜是以蔬菜為原料,利用微生物自然發(fā)酵的冷加工食品[7]。 在我國(guó)不同地區(qū)有著豐富的傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜制品[8]。 已有研究發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)的發(fā)酵蔬菜的微生物組成群落存在顯著差異,但其優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群主要為乳酸菌[9]。 因此,傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜為植物源益生乳酸菌篩選提供了強(qiáng)大的資源庫(kù)[10]。 由于植物源乳酸菌分離難度低、容易獲得[11],且植物源乳酸菌與動(dòng)物源乳酸菌對(duì)胃腸液具有類(lèi)似的抗性[12],所以對(duì)發(fā)酵蔬菜源益生乳酸菌的研究已成為該產(chǎn)業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。 目前,國(guó)外對(duì)發(fā)酵蔬菜中益生菌研究較多的是韓國(guó)泡菜[13-14],而我國(guó)研究較多的是四川泡菜、東北酸菜[15],而其他地區(qū)的報(bào)道相對(duì)較少。 作者從不同地區(qū)自制的傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜中分離乳酸菌,對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜源乳酸菌進(jìn)行了系統(tǒng)益生性評(píng)價(jià)及鑒定,并分析了益生特性降膽固醇能力,旨在開(kāi)發(fā)符合食品用益生菌要求的發(fā)酵蔬菜源益生乳酸菌。
1.1.1 樣品湖南剁辣椒、湖南芥菜、云南剁辣椒、廣西發(fā)酵酸筍等共計(jì)17 個(gè)樣品。
1.1.2 對(duì)照菌株 (RW)融合魏斯氏菌(Weissella confusa) CWY578262:革蘭氏陽(yáng)性,過(guò)氧化氫酶陰性,顯微鏡下呈短桿狀或球狀,具有益生菌的基本特性,還具有富產(chǎn)胞外多糖的特性[16]。
1.1.3 CaCO3-MRS 瓊脂培養(yǎng)基MRS 瓊脂培養(yǎng)基1 L、CaCO3(質(zhì)量濃度25 g/L)、pH 6.5,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.4 MRS-CHOL 肉湯培養(yǎng)基蔗糖酯0.1 g,膽固醇0.1 g,牛膽鹽0.2 g,吐溫80 1 mL,加冰乙酸5 mL,攪拌均勻,超聲溶解趁熱過(guò)0.45 μm 濾膜到1 L MRS 肉湯培養(yǎng)基中,pH 6.0~7.0,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.5 氨基酸脫羧酶培養(yǎng)基MRS 瓊脂培養(yǎng)基1 L,組氨酸、酪氨酸、賴(lài)氨酸、精氨酸、鳥(niǎo)氨酸等1 g/L,溴甲酚紫0.06 g/L,pH 5.5~6.5,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min[17]。
1.1.6 試劑膽固醇、蔗糖酯、抗生素:源葉生物科技有限公司;鄰苯二甲醛、組氨酸、酪氨酸、鳥(niǎo)氨酸、精氨酸、賴(lài)氨酸:國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;MRS肉湯培養(yǎng)基、MRS 瓊脂培養(yǎng)基、PCA 瓊脂培養(yǎng)基:廣東環(huán)凱微生物科技有限公司; 胃蛋白酶(酶活250 U/mg)、胰酶(酶活250 U/mg):南京都萊生物技術(shù)有限公司;牛膽鹽:上海麥克林生化科技有限公司。
DHP120 恒溫培養(yǎng)箱: 上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;HY45 恒溫?fù)u床: 深圳匯成科技有限公司;LDZX-50KBS 立式高壓滅菌鍋:上海申安醫(yī)療器械有限公司;CX23 光學(xué)顯微鏡: 日本Olympus 公司;ReadMax 1900 光吸收型全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀:上海閃譜生物科技有限公司;TG16-WS 臺(tái)式高速離心機(jī): 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司。
1.3.1 乳酸菌的分離及形態(tài)學(xué)鑒定取10 g 樣品加入90 mL 無(wú)菌生理鹽水中,搖勻后取適宜梯度稀釋液100 μL 均勻涂布于CaCO3-MRS 瓊脂培養(yǎng)基上,37 ℃倒置培養(yǎng)3 d。選取不同菌落形態(tài)且溶鈣圈較大的單菌落劃線至MRS 固體培養(yǎng)基上, 反復(fù)劃線純化,通過(guò)革蘭氏染色篩選出符合乳酸菌條件的菌株。 初篩得到的乳酸菌保存于含體積分?jǐn)?shù)40%甘油的MRS 肉湯培養(yǎng)基中,于-20 ℃冷凍保存。
1.3.2 乳酸菌耐酸耐膽鹽能力參考劉璐等的方法加以修改[18],將傳代3 代的實(shí)驗(yàn)菌株以體積分?jǐn)?shù)3%分別接種于pH 值為2.0、質(zhì)量濃度為3 g/L 牛膽鹽的MRS 肉湯培養(yǎng)基中,立即取樣測(cè)600 nm 處的吸光度, 剩余混合液于37 ℃、120 r/min 振蕩培養(yǎng),12 h 時(shí)取樣,測(cè)定600 nm 處的吸光度A1,存活率按式(1)計(jì)算。
式中:R1為菌株耐酸/耐膽鹽存活率,%;A1為12 h樣品的吸光度;A0為0 h 樣品的吸光度。
1.4.1 對(duì)條件致病菌的拮抗活性用瓊脂孔擴(kuò)散法測(cè)定待測(cè)菌株的抗菌活性, 以大腸桿菌(E.coli)、金黃色葡萄球菌(S.aureus)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)為指示菌。指示菌(107CFU/mL)與無(wú)菌PCA 瓊脂培養(yǎng)基以1∶10 充分混勻后倒入放有多個(gè)無(wú)菌牛津杯的平板中,待加有病原菌的PCA 瓊脂培養(yǎng)基冷卻凝固后,用無(wú)菌鑷子取出牛津杯,即形成若干瓊脂孔。 分別向瓊脂孔里加入100 μL 待檢菌(107CFU/mL)的離心上清液于9 000 r/min 離心5 min,37 ℃培養(yǎng)12 h,游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈直徑[19]。
1.4.2 乳酸菌對(duì)胃/腸模擬液耐受性實(shí)驗(yàn)參考費(fèi)永濤等的方法制備人工胃/腸液[20]。 將活化至3 代的菌液,用無(wú)菌PBS(pH 7.0)清洗3 次(8 000 r/min 離心10 min),用PBS(pH 7.0)反復(fù)吹打菌泥,混勻,制成供試菌懸液(1×108CFU/mL)。 移取1 mL 菌懸液接種于9 mL 人工胃液中,混勻,立即取樣通過(guò)平板計(jì)數(shù)法測(cè)定其活菌數(shù)N0, 剩余混合液置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),3 h 時(shí)取樣測(cè)定其活菌數(shù)N1。將在模擬胃液中孵育3 h 后的菌液, 取1 mL 接種于9 mL 人工腸液中,混勻,立即取樣平板計(jì)數(shù)測(cè)定其活菌數(shù)N0, 剩余混合液于37 ℃培養(yǎng)3 h 后取樣測(cè)定其活菌數(shù)N1,存活率按式(2)計(jì)算。
式中:R2為人工胃/腸液存活率,%;N1為人工胃液/腸液處理3 h 后LAB 的活菌數(shù),CFU/mL;N0為人工胃液/腸液處理0 h 后LAB 的活菌數(shù),CFU/mL。
1.5.1 抗生素耐藥性安全性評(píng)價(jià)將純化培養(yǎng)后的乳酸菌菌液濃度調(diào)整為1×108CFU/mL,取100 μL菌液涂布于MRS 固體培養(yǎng)基, 待菌液吸收后放置藥敏紙片,37 ℃培養(yǎng)24 h。每組重復(fù)3 次,記錄抑菌圈直徑,根據(jù)表1 進(jìn)行藥物敏感性判定。
表1 微生物藥物敏感實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for microbial drug susceptibility test
耐存率按式(3)計(jì)算:
式中:R3為乳酸菌耐藥率,%;N1為耐藥和中介菌株總數(shù),CFU;N0為實(shí)驗(yàn)菌株總數(shù),CFU。
1.5.2 乳酸菌γ-溶血實(shí)驗(yàn)將供試菌株點(diǎn)接于脫纖維綿羊血瓊脂平板上, 以金黃色葡萄球菌為對(duì)照,37 ℃培養(yǎng)24 h 后觀察菌落是否具有溶血現(xiàn)象。
1.5.3 乳酸菌氨基酸脫羧酶活性實(shí)驗(yàn)將乳酸菌點(diǎn)接在氨基酸脫羧酶培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)24 h 后觀察菌落周?chē)伾兓?,若培養(yǎng)基變成紫色,即氨基酸脫羧酶活性陽(yáng)性,則具有潛在產(chǎn)胺威脅;若為黃色,即氨基酸脫羧酶活性陰性,該乳酸菌無(wú)潛在產(chǎn)胺威脅。
參考余萍等[21]的方法稍做修改,將活化3 代后的乳酸菌調(diào)節(jié)菌濃度為1×108CFU/mL,按體積分?jǐn)?shù)3%接種至MRS-CHOL 培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)48 h后,9 000 r/min 離心5 min,取上清液,采用鄰苯二甲醛比色法測(cè)定550 nm 處的吸光度, 膽固醇去除率見(jiàn)式(4)。
式中:R4為膽固醇去除率,%;A0為未接種菌株培養(yǎng)48 h 后離心上清液的吸光度;A1為接種培養(yǎng)48 h后離心上清液的吸光度。
參考郭志華等的方法, 將Caco-2 細(xì)胞密度調(diào)整為1×105CFU/mL, 并分裝于24 孔培養(yǎng)板中培養(yǎng)至單層細(xì)胞待用[22]。取2 mL 待測(cè)菌液(108CFU/mL)于9 000 r/min 離心5 min,用2 mL DMEM 培養(yǎng)基將菌體重懸并進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)(M0),剩余混合液取200 μL加入24 孔板中,于37 ℃、體積分?jǐn)?shù)5% CO2孵育1 h 后用PBS(pH 7.0)清洗細(xì)胞表面未黏附的乳酸菌,加入2 mL 胰酶消化5 min 后用2 mL DMEM 培養(yǎng)基重懸并進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)(M1)。 黏附率按照式(5)計(jì)算。 乳酸菌活菌計(jì)數(shù)參照申文熹等的方法進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)[23]。
式中:R5為乳酸菌黏附率,%;M1為黏附的乳酸菌的菌落總數(shù),CFU/mL;M0為待測(cè)重懸液菌落總數(shù),CFU/mL。
1.8.1 菌株鑒定將乳酸菌純化3 代后委托杭州聯(lián)川生物有限公司進(jìn)行16S rDNA 測(cè)序鑒定。
1.8.2 同源性分析利用BlAST 網(wǎng)站(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)找到與鑒定菌株同源性最高的菌株并下載序列, 使用MEGA7 軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
分析、計(jì)算、圖表繪制分別采用DPS 數(shù)據(jù)處理軟件和OriginPro 2021(64-bit)軟件。 各實(shí)驗(yàn)組重復(fù)3 次,以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。
傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜樣品經(jīng)過(guò)菌種分離純化,篩選出革蘭氏陽(yáng)性的96 株溶鈣菌株,初篩判斷為乳酸菌。部分菌落形態(tài)與鏡檢結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 乳酸菌菌落形態(tài)及革蘭氏染色結(jié)果Fig.1 Colonial morphology and gram staining results of LAB
益生菌需要到達(dá)腸道才能發(fā)揮其益生功能。 益生菌從口腔到人體腸道的過(guò)程中需要耐受胃中的低pH 環(huán)境[23],以適應(yīng)小腸中膽鹽脅迫[24]等不良環(huán)境[25]。因此,具有耐受人體胃腸道環(huán)境的抗逆能力已經(jīng)成為評(píng)價(jià)益生菌的一項(xiàng)重要指標(biāo)[26]。 作者將初篩獲得的菌株依次在pH 2.0 和質(zhì)量濃度3 g/L 牛膽鹽的MRS 液體培養(yǎng)基中處理12 h 進(jìn)行篩選。 如圖2(a) 所示,96 株乳酸菌經(jīng)pH 2.0 培養(yǎng)12 h 后得到25株乳酸菌且存活率在65%以上, 其中有10 株菌活菌數(shù)較之前有所增加,表明耐酸能力強(qiáng)。 25 株耐酸乳酸菌經(jīng)質(zhì)量濃度3 g/L 牛膽鹽處理12 h 后,有24株乳酸菌能存活,存活率在35%以上,見(jiàn)圖2(b)。 表明這24 株菌對(duì)酸和膽鹽具有良好的耐受性。
圖2 乳酸菌的耐酸性及膽鹽耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Acid tolerance and bile salt tolerance tests results of LAB
2.3.1 抑菌實(shí)驗(yàn)乳酸菌可以抑制病原菌的生長(zhǎng)繁殖,有助于胃腸道環(huán)境健康[27]。 24 株乳酸菌對(duì)病原菌抑菌能力的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。 37 ℃培養(yǎng)12 h后, 有22 株菌株對(duì)金黃色葡萄球菌有顯著抑菌效果,平均抑菌直徑為(30.60±0.46) mm;所有菌株對(duì)枯草芽孢桿菌都有抑菌效果, 平均抑菌直徑為(19.87±0.30) mm。表明大多數(shù)乳酸菌對(duì)所選擇的革蘭氏陽(yáng)性病原菌具有顯著抑菌效果。 多數(shù)菌株對(duì)大腸桿菌也具有抑菌效果, 平均抑菌直徑為(12.20±0.35) mm, 表明實(shí)驗(yàn)菌株對(duì)大腸桿菌抑菌能力一般。 值得注意的是,菌株SY4、SY32、JC3-1、JCMC、JC4-1 對(duì)大腸桿菌沒(méi)有抑菌效果, 菌株JCSMC-3、JCSMC16 對(duì)金黃色葡萄球菌沒(méi)有抑菌效果;而其余17 株菌株對(duì)3 株病原菌均有抑菌效果,表明其抑菌譜較廣且抑菌能力更強(qiáng)。
表2 乳酸菌對(duì)病原菌的抑菌直徑Table 2 Inhibition zone diameter of LAB against pathogenic bacteria 單位:mm
2.3.2 模擬胃腸液耐受特性評(píng)價(jià)乳酸菌在胃腸消化過(guò)程中,除了受低酸和膽鹽的影響,各種消化酶也會(huì)影響乳酸菌最終到達(dá)腸道的活菌數(shù)[28-29]。 作者以RW 為參考, 測(cè)定24 株乳酸菌在模擬胃/腸液中的存活情況。 由表3 可知,24 株菌株在模擬胃液中處理3 h 均能存活,但其存活能力存在差異。菌株SY4、JC33-1、XSMC1、JC-1 在模擬胃液中存活率較高,均大于100%。 菌株SY32、JC4-1、SY31、JCMC、SYA、JCSMC-2、XSMC2-2、SYD、JCSMC16 在模擬胃液中的存活率(55.83%~87.64%)高于RW 的存活率(48.80%)。 其余11 株的存活率低于融合魏斯菌,其中XSMC2-3 的存活率最低(3.08%),但活菌數(shù)仍高于106CFU/mL。
表3 乳酸菌在人工胃腸液中的活菌數(shù)及存活率Table 3 Viable count and survival rates of LAB in artificial gastrointestinal fluids
24 株實(shí)驗(yàn)菌株經(jīng)模擬腸液處理3 h 后,除菌株SY31 和JCSMC-2 對(duì)模擬腸液無(wú)耐受能力, 其余菌株對(duì)模擬腸液均表現(xiàn)出不同程度的耐受能力,見(jiàn)表3。 其中菌株XSMC2-3 耐受能力較弱,活菌數(shù)僅有7.55×105CFU/mL, 表明菌株XSMC2-3 受到模擬腸液的影響較大。
通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)菌株的生物特性評(píng)價(jià),選擇抑菌譜較廣、抑菌能力較強(qiáng)且對(duì)胃腸道環(huán)境耐受能力強(qiáng)的18 株乳酸菌進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。 18 株菌株對(duì)9 種抗生素的耐藥性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。 18 株乳酸菌對(duì)四環(huán)素、氯霉素、氨芐西林、紅霉素具有敏感性;對(duì)萬(wàn)古霉素、慶大霉素、卡那霉素、鏈霉素具有耐藥性。 據(jù)報(bào)道,多數(shù)乳酸菌對(duì)糖肽類(lèi)(萬(wàn)古霉素)和氨基糖苷類(lèi)(慶大霉素、卡那霉素和鏈霉素)的抗生素具有天然耐受能力[30-31]。 克林霉素主要是通過(guò)抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)合成從而達(dá)到抑菌效果[32],因此35%的供試菌株的蛋白質(zhì)合成不受克林霉素抑制, 表現(xiàn)出耐藥性。18 株供試菌株均無(wú)溶血現(xiàn)象且在氨基酸脫羧酶培養(yǎng)基上呈陰性,表明這18 株試驗(yàn)菌株均為安全菌株。
表4 乳酸菌對(duì)不同抗生素的耐藥性Table 4 Resistance of LAB to different antibiotics
由圖3 可知,18 株乳酸菌培養(yǎng)48 h 后膽固醇的去除率均大于40%。 對(duì)照菌株RW 培養(yǎng)48 h 后膽固醇去除率達(dá)到54.56%。 除JC4-1、JCSMC16、JC33-1、JCSMC-3、XSMC2-2 外其余13 株菌株的膽固醇去除率則高于RW 的膽固醇去除率,其中菌株SYD 的膽固醇去除率高達(dá)62.54%。
圖3 乳酸菌的膽固醇降解率Fig.3 Rate of cholesterol removal by LAB
13 株降膽固醇益生乳酸菌對(duì)Caco-2 細(xì)胞的黏附率見(jiàn)圖4。有9 株乳酸菌對(duì)Caco-2 細(xì)胞的黏附率高于對(duì)照菌株RW 的黏附率 (62.10%), 其中菌株SYB 的黏附率高達(dá)81.74%;余下菌株的黏附率均低于RW 的黏附率(62.10%),但均在45%以上。 黏附性強(qiáng)的乳酸菌更容易在腸道中定植[33-35],從而發(fā)揮益生作用。 故選擇黏附率前5 名的菌株進(jìn)行鑒定。
圖4 乳酸菌對(duì)Caco-2 細(xì)胞的黏附作用Fig.4 Adhesion of LAB to Caco-2 cells
通過(guò)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)獲得同源菌株信息見(jiàn)表5。 可知菌株JCSMC-1 與植物乳植桿菌(Lactiplantibacillus plantarum),菌株SYB、JCSMC6-2 與植物乳桿菌 (Lactobacillus plantarum), 菌株SYD、XSMC-1 與 副 干 酪 乳 酸 菌(Lacticaseibacillus paracasei)的親緣關(guān)系分別最近,且序列相似性均高達(dá)100%。
表5 乳酸菌鑒定結(jié)果Table 5 Identification of LAB
本研究篩選得到的5 株發(fā)酵蔬菜源益生乳酸菌JCSMC-1、SYB、JCSMC6-2、SYD、XSMC-1 具 有較好的膽固醇去除能力(45.55%~62.54%)。同時(shí),對(duì)酸、膽鹽和模擬胃/腸液耐受性強(qiáng),對(duì)Caco-2 細(xì)胞黏附性也強(qiáng);另外,對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌具有一定的抑菌效果,且在綿羊血培養(yǎng)基均沒(méi)有溶血現(xiàn)象,經(jīng)氨基酸脫羧酶培養(yǎng)基檢測(cè)表明沒(méi)有產(chǎn)生物胺的潛在威脅;5 株菌株對(duì)所選用的6 種抗生素表現(xiàn)出敏感性,3 種(1 種糖肽類(lèi)、2 種氨基糖苷類(lèi))抗生素表現(xiàn)出耐藥性,這可能是乳酸菌對(duì)糖肽類(lèi)和氨基糖苷類(lèi)抗生素具有天然耐受能力;經(jīng)16S rDNA 鑒定, 菌株JCSMC-1 為植物乳植桿菌,SYB、JCSMC6-2 為植物乳桿菌,SYD、XSMC-1為副干酪乳酸菌。綜上所述,5 株菌株可作為潛在的食品用益生菌,進(jìn)一步用于功能性乳制品的開(kāi)發(fā)。