鮑腸道益生菌芽孢桿菌A3440菌株培養(yǎng)基及發(fā)酵條件優(yōu)化

凌宇恒,吳淑妃,柯才煥,趙　晶

(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建廈門 361102)

鮑腸道益生菌芽孢桿菌A3440菌株培養(yǎng)基及發(fā)酵條件優(yōu)化

凌宇恒,吳淑妃,柯才煥,趙晶*

(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建廈門 361102)

摘要：對一株來自于雜色鮑(Haliotis diversicolor)腸道并經(jīng)證實(shí)具有顯著促進(jìn)其生長及免疫活性的同溫層芽孢桿菌 (Bacillus stratosphericus)A3440菌株進(jìn)行培養(yǎng)基及發(fā)酵條件的優(yōu)化研究,為該益生菌應(yīng)用于鮑及其他水產(chǎn)動(dòng)物的健康養(yǎng)殖奠定基礎(chǔ)．以細(xì)菌芽孢率和蛋白酶活力為檢測指標(biāo),采用單因素試驗(yàn)和正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基組分及發(fā)酵條件．結(jié)果顯示,該菌最佳發(fā)酵配方為：蛋白胨7 g/L，酵母膏7 g/L，NaCl 20 g/L，CaCl2 0.20 g/L;最佳發(fā)酵條件為：初始pH 9.0，培養(yǎng)溫度30 ℃，種子液接種量8%，裝液量30 mL(250 mL錐形瓶)，培養(yǎng)時(shí)間24 h．優(yōu)化后芽孢率為94.3%,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高8.77%;蛋白酶活力為294.44 U/mL,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高76.67%．

關(guān)鍵詞：同溫層芽孢桿菌;發(fā)酵培養(yǎng)基;發(fā)酵條件;蛋白酶活力;芽孢率

隨著對動(dòng)物蛋白需求的增大,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為世界發(fā)展最快的食品供給領(lǐng)域,受到越來越多的關(guān)注,具有廣闊的前景[1]．亞洲的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)近幾十年迅猛發(fā)展,目前產(chǎn)量已占全球的90%[2]．我國的鮑養(yǎng)殖研究開始于20世紀(jì)70年代,80年代開始大規(guī)模養(yǎng)殖，2013年全國鮑養(yǎng)殖總產(chǎn)量達(dá)11萬t,其中福建省8.85萬t[3],創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會效益．然而,隨著鮑養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，集約化程度的提高以及沿海水質(zhì)的惡化,鮑病害日益頻繁,危害了鮑的生長發(fā)育以及鮑養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[4-5]．抗生素的應(yīng)用在一定程度上能有效應(yīng)對水產(chǎn)養(yǎng)殖病害的發(fā)生和蔓延,但長期使用將會導(dǎo)致一系列副作用，如抗生素殘留水平升高、病原菌抗藥性增強(qiáng)、破壞腸道有益菌群的微生態(tài)環(huán)境等,且抗生素在水生動(dòng)物體內(nèi)的富集也會對人類健康造成危害[6-7]．因此,開展鮑健康養(yǎng)殖方式勢在必行．

益生菌能夠有效改善水環(huán)境，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖動(dòng)物體內(nèi)微生態(tài)平衡，提高宿主免疫水平和消化酶活性,在促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖對象生長發(fā)育與預(yù)防病害中發(fā)揮重要作用,成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的研究應(yīng)用焦點(diǎn)[8],益生菌取代抗生素也成為未來的發(fā)展趨勢[9]．1974年,Parker定義益生菌為有助于腸道菌群平衡的微生物和物質(zhì)[10]．1986年,Kozasa將益生菌應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中[11]．此后,益生菌水產(chǎn)養(yǎng)殖研究迅速發(fā)展,在作為飼料微生態(tài)添加劑和水體微生態(tài)調(diào)節(jié)劑上都發(fā)揮巨大的作用．2001年,食品農(nóng)業(yè)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)完善了它的定義,將益生菌定義為有活性的微生物,當(dāng)其適量施用時(shí),能夠賦予宿主健康[12]．目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種可以用于養(yǎng)殖的益生菌,包括革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌,其來源通常是宿主動(dòng)物的消化道[13]．芽孢桿菌是一種重要的益生菌,革蘭氏陽性,大多好氧或兼性厭氧,具有極強(qiáng)的產(chǎn)孢能力；且其分解轉(zhuǎn)化和適應(yīng)能力強(qiáng),可代謝產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶、酯酶等多種酶類,提高養(yǎng)殖對象對飼料的吸收與轉(zhuǎn)化,并能夠降解水體中的氨氮、亞硝酸鹽,抑制病原菌的生長[14-15]．在過去30年,芽孢桿菌屬已擴(kuò)展至超過100種,但可用作養(yǎng)殖益生菌的菌種并不多[16]．目前,益生菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用主要集中在魚類、甲殼類和雙殼類,關(guān)于鮑等腹足類的益生菌研究相對較少,許多在鮑養(yǎng)殖中使用與研究的益生菌多從其他水生動(dòng)物或水體中提取,效果并不明顯．

同溫層芽孢桿菌(Bacillusstratosphericus)A3440菌株是從健康雜色鮑(Haliotisdiversicolor)腸道分離篩選獲得的,研究發(fā)現(xiàn)其具有5種消化酶活性,包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、褐藻酸鈉酶和纖維素酶,其中以蛋白酶活力最強(qiáng)；并通過初步檢測其安全性發(fā)現(xiàn)不產(chǎn)生溶血素,且在菌株生物量為1×108cfu/g (cfu,colony-forming units,指單位體積中的細(xì)菌群落總數(shù))時(shí)對鮑無明顯的毒害作用,可以作為益生菌應(yīng)用于鮑養(yǎng)殖[17]．本研究以芽孢率和蛋白酶活力為指標(biāo),通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對同溫層芽孢桿菌A3440菌株芽孢率和蛋白酶活力的發(fā)酵條件優(yōu)化,為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)與參考．

1材料與方法

1.1菌株

同溫層芽孢桿菌A3440菌株由廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院分離保存．

1.2基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基和種子培養(yǎng)

以2216E液體培養(yǎng)基作為基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨5 g/L，酵母膏1 g/L，磷酸高鐵0.01 g/L，過濾陳海水1 L．將A3440菌株接種于100 mL培養(yǎng)基,200 r/min、30 ℃搖床培養(yǎng)20 h后作為種子培養(yǎng)液備用．

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1生長曲線的測定

為選擇合適生長時(shí)期的菌液作為種子液,進(jìn)行A3440菌株生長曲線的測定．將1 mL種子液接種于100 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基(即接種量為1%),200 r/min、30 ℃搖床培養(yǎng)．每隔2 h取樣,以基礎(chǔ)培養(yǎng)基為空白,測定發(fā)酵液在630 nm條件下的吸光度(OD630)．以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),OD630為縱坐標(biāo),繪制A3440菌株的生長曲線,以選擇對數(shù)生長期為最佳接種時(shí)間．

1.3.2芽孢率的測定

采用稀釋平板計(jì)數(shù)法,選取3個(gè)梯度為106，107，108,每個(gè)梯度涂布3個(gè)平板,30 ℃培養(yǎng)48 h后進(jìn)行計(jì)數(shù)．將菌液80 ℃水浴10 min后稀釋平板計(jì)數(shù),按以下方程式計(jì)算A3440菌株的芽孢率：

1.3.3蛋白酶活力的測定

The Position of Khan Kharangui in Mongolian Heroic Epics

用100 μg/mL的酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)溶液配置標(biāo)準(zhǔn)系列溶液,酪蛋白終質(zhì)量濃度分別為0，10，20，30，40，50 μg/mL,使用改良型Lowey法蛋白濃度測定試劑盒(上海生工生物工程股份有限公司)處理,以蒸餾水作為空白對照，在酶標(biāo)儀上測定其OD630,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1)．

圖1　酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1Standard curve of casein

參照張映京等的方法[18]測定蛋白酶活力．取發(fā)酵菌液1 mL,8 000 r/min離心15 min,分別取0.2 mL加入2個(gè)1.5 mL離心管,標(biāo)記為試驗(yàn)組與空白組．40 ℃水浴2 min,空白組加入0.4 mol/L三氯乙酸0.4 mL．各組加入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))酪蛋白0.8 mL,40 ℃保溫20 min．試驗(yàn)組加入0.4 mol/L三氯乙酸0.4 mL,保溫20 min．4 000 r/min離心10 min，取上清,稀釋100倍．取20 μL于酶標(biāo)板,以20 μL蒸餾水作為對照．使用改良型Lowey法蛋白濃度測定試劑盒處理,在酶標(biāo)儀上測定其OD630．在上述反應(yīng)條件下,每分鐘水解酪蛋白產(chǎn)生1 μg 酪氨酸的酶量為1個(gè)酶活力單位.計(jì)算公式:酶活力(U/mL)=ΔOD×1×N/(k×20).其中ΔOD為試驗(yàn)組與空白組的OD630差值，N為酶液的稀釋倍數(shù)，k為標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率,1表示1 mL發(fā)酵菌液，20表示反應(yīng)20 min．

1.3.4培養(yǎng)基組分的選擇

在其他培養(yǎng)條件不變的情況下：1) 將基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的蛋白胨替換為等質(zhì)量的淀粉、乳糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖為菌株提供碳源,以不加碳源的培養(yǎng)基作為陰性對照;2) 將基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的酵母膏替換為等質(zhì)量的牛肉膏、硫酸銨、硝酸銨、乙酸銨為菌株提供氮源,以不加氮源的培養(yǎng)基作為陰性對照;3) 將基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的陳海水替換為10 g/L NaCl、KCl、MgSO4、CaCl2為菌株提供無機(jī)鹽,以不加無機(jī)鹽的培養(yǎng)基作為陰性對照;4) 將基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的磷酸高鐵(Fe3+)替換為等物質(zhì)的量Mg2+、Ca2+、Zn2+、Cu2+為菌株提供金屬離子,以不加金屬離子的培養(yǎng)基作為陰性對照．上述實(shí)驗(yàn)均以基礎(chǔ)培養(yǎng)基作為陽性對照，探究最優(yōu)碳源、氮源、無機(jī)鹽和金屬離子．

1.3.5培養(yǎng)基組分的正交優(yōu)化

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇最優(yōu)碳源、氮源、無機(jī)鹽、金屬離子設(shè)計(jì)4因素4水平正交試驗(yàn)，如表1所示．

表1　A3440菌株培養(yǎng)基組分的正交試驗(yàn)因子

1.3.6發(fā)酵條件的選擇

圖2　A3440菌株的生長曲線Fig.2Growth curve of A3440

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果配制發(fā)酵培養(yǎng)基，在其他培養(yǎng)條件不變的情況下：1) 分別在20，25，30，35，40 ℃培養(yǎng),確定最優(yōu)培養(yǎng)溫度;2) 分別以1%，3%，5%，8%，10%接種量加入種子液,確定最優(yōu)接種量;3) 在250 mL錐形瓶中分別加入20，30，40，50，60，70 mL培養(yǎng)基,確定最優(yōu)裝液量；將培養(yǎng)基初始pH分別調(diào)節(jié)至5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0,確定最優(yōu)初始pH．

1.3.7數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過Duncan氏多重比較分析組間差異顯著性,顯著性水平為0.05．

2結(jié)果與分析

2.1A3440菌株種子液培養(yǎng)時(shí)間的確定

對A3440菌株進(jìn)行生長曲線的繪制(圖2),結(jié)果表明：在0～10 h,菌體生長速度緩慢;在10～28 h,菌體生長速度加快;從28 h開始,菌體生長速度逐漸減小．因此，選擇處于生命力旺盛的對數(shù)期菌體作為種子液,即選擇24～26 h作為種齡．

2.2培養(yǎng)基組分對A3440菌株蛋白酶活力、生物量與芽孢率的影響

相同字母代表組間無顯著差異(下同).圖3　不同培養(yǎng)基組分對A3440菌株蛋白酶活力的影響Fig.3Effects of different culture medium components on protease activity of A3440

圖4　不同培養(yǎng)基組分對A3440菌株生物量和芽孢率的影響Fig.4Effects of different culture medium components on viable count and yield spore production of A3440

碳源、氮源、無機(jī)鹽和金屬離子的優(yōu)化結(jié)果如圖3和4所示.碳源優(yōu)化實(shí)驗(yàn)(圖3(a)、圖4(a))中,以蛋白胨、蔗糖、乳糖作為碳源,芽孢率較大,均在85%以上,但蛋白胨作為碳源,生物量和蛋白酶活力都顯著高于其他組(p<0.05),因此選擇蛋白胨作為最優(yōu)碳源．氮源優(yōu)化實(shí)驗(yàn)(圖3(b)、圖4(b))結(jié)果顯示以酵母膏、乙酸銨、牛肉膏作為氮源,芽孢率較大,都在80%以上,但酵母膏作為氮源,生物量和蛋白酶活力都高于其他組,其中生物量對比其他組差異顯著(p<0.05),因此選擇酵母膏作為最優(yōu)氮源．無機(jī)鹽優(yōu)化實(shí)驗(yàn)(圖3(c)、圖4(c))中各實(shí)驗(yàn)組芽孢率并無顯著差異(p>0.05),以NaCl作為無機(jī)鹽,生物量顯著高于其他組(p<0.05),且NaCl作為無機(jī)鹽時(shí),發(fā)酵液的蛋白酶活力最強(qiáng),因此選擇NaCl作為最優(yōu)無機(jī)鹽．金屬離子優(yōu)化實(shí)驗(yàn)(圖3(d)、圖4(d))中,以Fe3+和Ca2+作為金屬離子時(shí),發(fā)酵液蛋白酶活力較高,但兩者并無顯著性差異(p>0.05),以Ca2+作為金屬離子時(shí),有最高的生物量和芽孢率,因此選擇Ca2+作為最優(yōu)金屬離子．

2.3A3440菌株培養(yǎng)基組分的正交優(yōu)化

正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果(表2)表明,R蛋白胨>RNaCl>R酵母膏>RCaCl2,可知蛋白胨作為主要的影響因素,NaCl次之．由均值k得出：蛋白胨7 g/L，酵母膏7 g/L，NaCl 20 g/L，CaCl20.20 g/L為最佳培養(yǎng)基組合,以此進(jìn)行發(fā)酵條件優(yōu)化．

表2　A3440菌株培養(yǎng)基組分的正交試驗(yàn)結(jié)果

注：k1～k4表示各因素水平下蛋白酶活力的平均值;R表示極差．

2.4培養(yǎng)條件對A3440菌株蛋白酶活力、生物量與芽孢率的影響

圖5　不同培養(yǎng)條件對A3440菌株蛋白酶活力的影響Fig.5Effects of different culture conditions on protease activity of A3440

培養(yǎng)條件優(yōu)化結(jié)果如圖5和6所示.在30和35 ℃時(shí),發(fā)酵液的蛋白酶活力最高,但隨著溫度的升高,發(fā)酵液的芽孢率不斷降低,35 ℃時(shí)的芽孢率顯著低于30 ℃時(shí)(p<0.05) (圖5(a)、圖6(a))．接種量為3%～8%時(shí),蛋白酶活力較高,但接種量為5%時(shí)生物量偏低,接種量為8%時(shí)生物量最高(圖5(b)、圖6(b))．裝液量為20～40 mL時(shí),各試驗(yàn)組的蛋白酶活力、生物量與芽孢率較高,但并無顯著性差異(p>0.05),其中裝液量為30 mL時(shí)具有最高的生物量和芽孢率(圖5(c)、圖6(c))．初始pH值為7.0～10.0時(shí),發(fā)酵液具有最高的蛋白酶活力和生物量,顯著高于其他試驗(yàn)組(p<0.05),其中當(dāng)初始pH為9.0時(shí),蛋白酶活力和芽孢率最高(圖5(d)、圖6(d))．綜上所述,最優(yōu)培養(yǎng)條件為：初始pH 9.0，培養(yǎng)溫度30 ℃，種子液接種量8%，裝液量30 mL(250 mL錐形瓶)．

圖6　不同培養(yǎng)條件對A3440菌株生物量和芽孢率的影響Fig.6Effects of different culture conditions on viable count and yield spore production of A3440

所有發(fā)酵培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件優(yōu)化后,芽孢率為94.3%,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高8.77%;蛋白酶活力為294.44 U/mL,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高76.67%．

3討論

幼鮑餌料中含有大量的蛋白成分,芽孢桿菌進(jìn)入腸道后產(chǎn)生較強(qiáng)活性的蛋白酶,有助于幼鮑對餌料的消化,進(jìn)而提高餌料消化率,促進(jìn)幼鮑的生長[19]．相比于動(dòng)物蛋白酶、植物蛋白酶和真菌蛋白酶,微生物蛋白酶更多地被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中．芽孢桿菌具有快速產(chǎn)酶能力,其生產(chǎn)的堿性蛋白酶具有很高的蛋白水解活性和在堿性條件下的穩(wěn)定性[20-21],幾乎包括了能夠應(yīng)用于生物技術(shù)的所有特征[22]，因此本研究選擇蛋白酶活力作為一項(xiàng)指標(biāo)．

在益生菌投喂過程中,必須保證足夠的活菌量．在不良運(yùn)輸與加工條件下,芽孢桿菌能形成芽孢,使其具有抗逆性強(qiáng)、耐高溫高壓、易貯存的特點(diǎn)[23]，因此本研究選擇芽孢率作為另一項(xiàng)指標(biāo)．

在培養(yǎng)基優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)以蛋白胨和酵母膏分別作為碳、氮源時(shí),具有最高的蛋白酶活力與芽孢率．蛋白胨的主要成分為氨基酸、多肽,一般蛋白質(zhì)含量會達(dá)到80%以上,糖類含量較低;酵母膏中含有多種氨基酸、肽類、水溶性纖維素．由此說明同溫層芽孢桿菌A3440菌株在豐富氨基酸、多肽培養(yǎng)基條件下有更強(qiáng)的活性．

從培養(yǎng)條件優(yōu)化結(jié)果可以看出,同溫層芽孢桿菌A3440菌株的適合培養(yǎng)范圍較廣．裝液量與蛋白酶活力和芽孢率都呈負(fù)相關(guān)性,裝液量反映了菌株的通氣量需求,表明同溫層芽孢桿菌A3440菌株為好氧菌,在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)注意適當(dāng)提高通氣量．同溫層芽孢桿菌A3440菌株的最適培養(yǎng)pH值為9.0,與郎雙靜等[24]、舒丹等[25]、胡承等[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,推測同溫層芽孢桿菌A3440菌株為產(chǎn)堿性蛋白酶菌株．多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,同溫層芽孢桿菌A3440菌株蛋白酶活力與芽孢率的最適條件接近,但并不一致,因此實(shí)際生產(chǎn)中的最適條件有待進(jìn)一步研究．

本研究對同溫層芽孢桿菌A3440菌株芽孢率和蛋白酶活力的發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化,在優(yōu)化條件下芽孢率為94.3%,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高8.77%;蛋白酶活力為294.44 U/mL,較基礎(chǔ)培養(yǎng)基提高76.67%．研究結(jié)果為進(jìn)一步放大優(yōu)化以及工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)．

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Optimization of Culture Medium and Fermentation Conditions of Probiotics Bacillus stratosphericus A3440 from Farmed Abalone

LING Yuheng,WU Shufei,KE Caihuan,ZHAO Jing*

(College of Ocean & Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

Abstract:Bacillus stratosphericus A3440 isolated from farmed abalone Haliotis diversicolour has been verified as probiotic to improve the growth rate and the disease resistance of abalone．Based on high yield spore production and strong protease activity,the culture medium and fermentation conditions of B. stratosphericus A3440 were optimized using a single factor test and orthogonal experiments．The results showed that the optimized medium components of A3440 were peptone 7 g/L,yeast extract 7 g/L,NaCl 20 g/L,CaCl2 0.20 g/L and the optimized culture conditions were initial pH 9.0,temperature 37 ℃,inoculation amount 8%,liquid volume 30 mL (in 250 mL flask),and cultivation for 24 h．Under the optimized fermentation conditions,the spore yield was up to 94.3%, which increased by 8.77% compared with that from the initial medium,and the protease activity was 294.44 U/mL,which increased by 76.67% compared with that from the initial culture conditions.

Key words:Bacillus stratosphericus;culture medium;fermentation condition;protease activity;spore yield

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.006

收稿日期：2015-06-18錄用日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(31202014);福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2013N0034)

*通信作者：sunnyzhaoj@xmu.edu.cn

中圖分類號:Q 939.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)03-0336-07

引文格式：凌宇恒,吳淑妃,柯才煥，等.鮑腸道益生菌芽孢桿菌A3440菌株培養(yǎng)基及發(fā)酵條件優(yōu)化.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(3)：336-342.

Citation：LING Y H,WU S F,KE C H,et al．Optimization of culture medium and fermentation conditions of probioticsBacillusstratosphericusA3440 from farmed abalone.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：336-342．(in Chinese)