王祎然,韋明明,張 涵,周天瑞,姜 梅
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,江蘇南京 210095)
酸湯是我國(guó)貴州地區(qū)的一種傳統(tǒng)發(fā)酵調(diào)味品,也是貴州黔東南最具影響力的支柱產(chǎn)業(yè)。酸湯品種可根據(jù)原料(米酸湯、魚(yú)酸湯、毛辣角酸湯等)、地域、色澤、風(fēng)味等來(lái)劃分。著名的凱里市紅酸湯就是以野生毛辣果(番茄)、鮮紅辣椒、木姜子、糯米、大蒜等為原料,經(jīng)清洗、破碎、加水、加鹽、入壇發(fā)酵而制成[1]。發(fā)酵后的酸湯富含多種有機(jī)酸(乳酸、乙酸、檸檬酸等)、礦物質(zhì)(鈣、磷、鐵等)、氨基酸和維生素,具有散寒消脹、止瀉抑菌、延緩細(xì)胞衰老的功效[2]。酸湯發(fā)酵的主要功能菌為乳酸菌,其發(fā)酵產(chǎn)生的鮮味氨基酸和醇、醛、酸等物質(zhì),賦予酸湯醇香清爽的獨(dú)特風(fēng)味[3-4]。乳酸菌還能提高酸湯中番茄紅素和酚類(lèi)等天然抗氧化物的含量,通過(guò)糖苷水解酶提高其抗氧化活性及消化率,在人體內(nèi)發(fā)揮整腸[5]、抑菌[6]、抗腫瘤[7]、抗氧化[8-10]等保健功效。研究表明,乳酸菌功能性食品的功效作用與其能否適應(yīng)胃腸轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中低pH和高膽鹽濃度的環(huán)境密切相關(guān)[5]。
目前我國(guó)對(duì)貴州酸湯的研究不多,僅局限于對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分[1-3]、發(fā)酵工藝[11]和微生物區(qū)系[3]的探討,對(duì)酸湯源乳酸菌的研究較少。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其他發(fā)酵蔬菜中乳酸菌的益生特性進(jìn)行了研究。龔加路等[12]對(duì)四川泡菜中1株高產(chǎn)酸的戊糖乳桿菌進(jìn)行了人工腸液、胃液和膽鹽耐受試驗(yàn)。Khan等[13]研究了韓國(guó)泡菜中1株植物乳桿菌的抑菌活性及機(jī)理,并測(cè)定其耐酸、耐膽鹽特性。近年來(lái),具有良好胃腸道耐受性的乳酸菌發(fā)揮抗氧化活性的能力引起了學(xué)者的關(guān)注。Pourramezan等[14]對(duì)21株乳品源乳桿菌進(jìn)行耐酸、耐膽鹽試驗(yàn),并以清除活性氧和DPPH自由基的指標(biāo)評(píng)估其體外抗氧化能力。Xu等[15]對(duì)我國(guó)發(fā)酵食品中的乳酸菌進(jìn)行pH、膽鹽和過(guò)氧化氫耐受試驗(yàn),對(duì)其細(xì)胞的膽鹽水解酶和抗氧化活性進(jìn)行了體外評(píng)估。但對(duì)發(fā)酵蔬菜中的乳酸菌進(jìn)行此類(lèi)研究的學(xué)者還較少[16],對(duì)酸湯源乳酸菌同時(shí)進(jìn)行耐酸、耐膽鹽和抗氧化能力的研究目前還沒(méi)有。
本文對(duì)酸湯中篩選出的6株產(chǎn)酸能力強(qiáng)、發(fā)酵性能優(yōu)良的乳酸菌進(jìn)行形態(tài)觀察和生物學(xué)鑒定;對(duì)6株菌進(jìn)行耐酸、耐膽鹽試驗(yàn),并分析其作為益生菌的潛在能力;以清除1,1-二苯基-2-苦基肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基和羥基自由基為指標(biāo)進(jìn)行體外抗氧化研究,以期為我國(guó)益生菌資源的研究和酸湯源乳酸菌的開(kāi)發(fā)利用提供理論支持。
乳酸菌(共6株,分別為JMST-1、JMST-2、JMST-5、JMST-7、JMST-8、JMST-9)篩選自貴州酸湯產(chǎn)品的乳酸菌 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室選育并保藏;溶菌酶、蛋白酶K、細(xì)菌16S rDNA通用引物、dNTP、酵母26S rDNA的通用引物、Loading Buffer、瓊脂糖、核酸染料、DNA Buffer、TaqDNA 聚合酶 分析純,北京全式金試劑有限公司;DPPH自由基清除活性測(cè)定試劑盒 南京建成生物工程研究所;其他常規(guī)生化試劑 分析純。
IS128 pH計(jì) 上海儀邁儀器科技有限責(zé)任公司;64RL離心機(jī) 美國(guó)Beckeman公司;DYY-2C電泳儀、電泳槽 北京市六一儀器廠;Mycycler PCR擴(kuò)增儀、Dcode System梯度凝膠生成設(shè)備 美國(guó)Bio-rad公司;CDS8000凝膠成像分析系統(tǒng) 上海培清科技有限責(zé)任公司;722S可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限責(zé)任公司。
1.2.1 形態(tài)觀察和生化鑒定 將6株菌以3%接種量接種于新鮮配制的 MRS 液體培養(yǎng)基中,于37 ℃培養(yǎng) 24 h,活化兩次備用。取活化后的菌液于MRS培養(yǎng)基上劃線,37 ℃ 培養(yǎng)24 h,觀察菌落顏色、形狀大小、光滑程度、邊緣狀況等特征;挑取單菌落進(jìn)行過(guò)氧化氫酶試驗(yàn)和革蘭氏染色,顯微鏡下觀察菌株顏色、形狀、排列方式等特征。
1.2.2 分子生物學(xué)鑒定 菌株的DNA提取采用十六烷基三甲基溴化銨(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)-溶菌酶法[17]。采用細(xì)菌16S rDNA通用引物進(jìn)行擴(kuò)增:正向引物27F(5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′),反向引物1492R(5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3′)。反應(yīng)體系為:DNA模板1 μL、dNTP 2 μL、引物27F 1 μL、引物1492R 1 μL、10×DNA Buffer 2.5 μL、Taq DNA 聚合酶 0.1 μL、去離子水17.4 μL。擴(kuò)增程序?yàn)?94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性1 min、56 ℃退火1 min、72 ℃延伸2 min,循環(huán)30次;72 ℃終延伸10 min;于4 ℃保存。用0.8%的瓊脂糖凝膠電泳對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè),目標(biāo)片段約在1500 bp左右處。將PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物送至生工生物工程(上海)有限公司測(cè)序,在 NCBI 網(wǎng)站GenBank中進(jìn)行 BLAST 分析,同時(shí)在 EzBioCloud數(shù)據(jù)庫(kù)選取參考菌株進(jìn)行同源性比對(duì),一般將序列相似度在99%~100%之間的菌株判定為同一個(gè)種。選取適宜的參考菌株序列,采用MEGA 6.0 軟件的Neighbor-Joining 法進(jìn)行1000次步長(zhǎng)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
1.2.3 益生特性試驗(yàn)
1.2.3.1 耐酸能力測(cè)定 用鹽酸制備pH為2.5的MRS液體培養(yǎng)基,取100 μL活化后的菌液接種于10 mL MRS鹽酸培養(yǎng)基中,置于37 ℃培養(yǎng)箱,于0、3 h進(jìn)行活菌平板計(jì)數(shù),平行試驗(yàn)3次。
1.2.3.2 耐膽鹽能力測(cè)定 配制豬膽鹽含量為0.3%的MRS液體培養(yǎng)基,取100 μL活化后的菌液接種于10 mL MRS膽鹽培養(yǎng)基中,置于37 ℃培養(yǎng)箱,于0、3 h進(jìn)行活菌平板計(jì)數(shù),平行試驗(yàn)3次。
1.2.3.3 存活率計(jì)算
式(1)
式中:N1表示3 h測(cè)定的活菌數(shù),lg CFU/mL;N0表示0 h測(cè)定的活菌數(shù),lg CFU/mL。
1.2.4 抗氧化能力試驗(yàn)
1.2.4.1 菌懸液制備 取活化后的菌液于5000 r/min離心15 min,用磷酸緩沖液清洗重懸,重復(fù)2次。用分光光度計(jì)調(diào)整菌體濃度為108CFU/mL(A600=0.5±0.05對(duì)應(yīng)菌體濃度×108CFU/mL),作為菌懸液待用。
1.2.4.2 DPPH自由基清除能力測(cè)定 測(cè)定方法參考Lin等[18],并略有改進(jìn):取2 mL菌懸液,加入2 mL(0.4 mmo1/L)DPPH自由基-無(wú)水乙醇溶液,混勻,室溫下避光反應(yīng)30 min,6000 r/min離心10 min,取上清液于517 nm處測(cè)定吸光度,平行試驗(yàn)3次。DPPH自由基清除率計(jì)算如下:
式(2)
式中:SADPPH表示樣品的DPPH自由基清除率,%;As表示2 mL樣品與2 mL DPPH溶液的吸光度;Ab表示2 mL樣品與2 mL無(wú)水乙醇的吸光度;Ac表示2 mL純水與2 mL DPPH溶液的吸光度。
1.2.4.3 羥基自由基清除能力測(cè)定 測(cè)定方法參考He等[19],并略有改進(jìn):配制9 mmo1/L的FeSO4溶液、9 mmo1/L的水楊酸-乙醇溶液和8.8 mmo1/L的H2O2溶液。取1 mL的菌懸液,依次混勻加入1 mL的FeSO4溶液、水楊酸-乙醇溶液、H2O2溶液,于室溫下反應(yīng)20 min,在510 nm處測(cè)定吸光度,平行試驗(yàn)3次。羥基自由基清除率計(jì)算如下:
式(3)
式中:SAhydroxyl表示樣品的羥基自由基清除率,%;As表示樣品與混合溶液的吸光度;Ab表示以同體積純水代替H2O2溶液的混合體系的吸光度;Ac表示以同體積純水代替樣品的混合體系的吸光度。
實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用MEGA 6.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),SPSS 22.0數(shù)據(jù)軟件和Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖,組間數(shù)據(jù)采用方差比較分析,顯著水平為P<0.05。
2.1.1 形態(tài)觀察 酸湯中分離出的6株菌的菌落形態(tài)見(jiàn)圖1。6株菌菌落為白色或乳白色圓形,表面凸起、光滑有光澤,菌落邊緣齊整,菌落直徑在0.5~2 mm。
圖1 六株分離菌的菌落形態(tài)Fig.1 Colony characteristic morphology of six strains注:a、b、c、d、e、f分別為菌株JMST-1、JMST-2、JMST-5、JMST-7、JMST-8、JMST-9;圖2同。
6株菌革蘭氏染色鏡檢結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,菌株染色結(jié)果均為陽(yáng)性,細(xì)胞形態(tài)為桿狀,無(wú)芽孢,單個(gè)、成對(duì)或成簇排列。菌株的過(guò)氧化氫酶實(shí)驗(yàn)結(jié)果為陰性。
圖2 六株分離菌的細(xì)胞顯微形態(tài)(×10000)Fig.2 Microscopic cell morphology of six strains(×10000)
2.1.2 分子生物學(xué)鑒定 6株待測(cè)菌的16S rDNA片段PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的凝膠電泳圖見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),1500 bp左右處出現(xiàn)熒光帶,且無(wú)明顯拖尾現(xiàn)象,可知PCR擴(kuò)增成功。
圖3 六株分離乳酸菌PCR擴(kuò)增產(chǎn)物電泳圖Fig.3 Electrophoresis of amplified PCR from six strains注:M:1 kb DNA Marker;1~6分別為菌株JMST-1、JMST-2、JMST-5、JMST-7、JMST-8、JMST-9。
將6株菌的 DNA送檢測(cè)序,結(jié)果在 NCBI 中GenBank進(jìn)行 BLAST 分析,同時(shí)將此序列提交到 EzBioCloud數(shù)據(jù)庫(kù),選取參考菌株進(jìn)行同源性比對(duì),各菌株與參考菌株的同源性均達(dá)到99%以上(表1)。選取適宜的參考菌株序列,使用MEGA 6.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)以顯示菌株間親緣關(guān)系(圖4)。
表1 6株分離乳酸菌16S rDNA 基因序列分析結(jié)果Table 1 Homologous alignment analysis results of 16S rDNA gene sequences from six isolates
圖4 基于16S rDNA序列的6株分離菌的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.4 Phylogenetic tree based on 16S rDNA sequences of six isolates
如圖4所示,6株菌與植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)的菌株有較近親緣關(guān)系,且與參考菌株LactobacillusplantarumATCC 14917(ACGZ01000098) 的同源性達(dá)到99.7%以上,說(shuō)明6株菌均為植物乳桿菌(L.plantarum)。植物乳桿菌是乳酸桿菌的一種,乳酸桿菌是酸湯發(fā)酵最主要的功能菌,與醋酸桿菌、明串珠菌和酵母菌等構(gòu)成酸湯特有的微生物區(qū)系[3]。在酸湯發(fā)酵后期,植物乳桿菌通常繁殖成為優(yōu)勢(shì)菌種,通過(guò)大量產(chǎn)酸縮短發(fā)酵時(shí)間,并降低酸湯中亞硝酸鹽的含量,完成乳酸發(fā)酵的終止階段[20-21]。
2.2.1 耐酸能力測(cè)定 植物乳桿菌的生長(zhǎng)在pH小于 4.0的環(huán)境下會(huì)受到明顯抑制[22],但酸湯中的乳酸菌需要耐受發(fā)酵過(guò)程中pH在3.0~4.0之間的波動(dòng)[4]。人體胃液中胃酸的主要成分為鹽酸,其pH通常為3.0左右,在空腹情況下可達(dá)2.5,比酸湯發(fā)酵的酸度更低[23]。因此,只有少數(shù)具有良好耐酸能力的乳酸菌可以通過(guò)胃酸屏障,以活菌形式到達(dá)胃腸道并發(fā)揮作用。由于一般食物通過(guò)胃的時(shí)間低于3 h,液體通過(guò)的時(shí)間更短,本實(shí)驗(yàn)用鹽酸對(duì)6株植物乳桿菌的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié),觀察其在pH2.5的環(huán)境下存活3 h的情況,結(jié)果如表2所示。
表2 乳酸菌對(duì)酸的耐受性(n=3)Table 2 Acid-tolerant of lactic acid bacteria(n=3)
如表2所示,在pH2.5條件下,3 h后6株植物乳桿菌的存活率范圍在88.17%~94.48%之間,活菌數(shù)保持在107CFU/mL以上。研究顯示,乳酸菌發(fā)揮益生作用的最低活菌數(shù)目為106CFU/mL[24]。本實(shí)驗(yàn)6株菌在pH2.5環(huán)境下3 h后活菌數(shù)高于發(fā)揮益生作用的最低值,說(shuō)明6株菌均具有良好的耐酸性。Guesh等[25]自56株益生菌中篩選出4株耐受pH2.5的乳酸菌,其存活率最低為77%,最高為91%,略低于本實(shí)驗(yàn)中6株菌的存活率但相差不大,其他研究[26-28]也得到了類(lèi)似結(jié)果。國(guó)內(nèi)學(xué)者溫賀等[29]自酸菜中分離的1株植物乳桿菌在pH3.0的條件下存活率為55%,可見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)6株菌具有更強(qiáng)的耐酸能力,其良好的耐酸能力可能與菌體內(nèi)多種生物酶參與的代謝途徑有關(guān)[30],具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
2.2.2 耐膽鹽能力測(cè)定 食物在經(jīng)過(guò)胃液的消化后會(huì)進(jìn)入十二指腸與具有抑菌作用的膽鹽接觸。膽鹽能改變細(xì)胞膜的通透性,通過(guò)破壞細(xì)胞膜的完整度造成細(xì)胞死亡[31]。因此,乳酸菌對(duì)人體胃腸道中高濃度膽鹽的耐受能力是衡量其潛在益生特性的重要指標(biāo)。研究表明[32-33],小腸內(nèi)膽鹽的含量范圍在 0.3%左右,一般食物通過(guò)需要1~4 h,因此本實(shí)驗(yàn)選取0.3% 的膽鹽濃度對(duì)6株植物乳桿菌進(jìn)行3 h培養(yǎng),存活情況見(jiàn)表3。
如表3所示,在0.3% 膽鹽濃度下,3 h后6株菌的存活率在87.37%~92.65%之間,活菌數(shù)均維持在107CFU/mL以上,說(shuō)明6株菌具有良好的膽鹽耐受性。其中JMST-1、JMST-7和JMST-9對(duì)膽鹽的耐受性較高,活菌數(shù)的對(duì)數(shù)值均保持在8以上,存活率大于91%,與Sakandar等[28]對(duì)L.plantarumATCC 14917的研究結(jié)果一致。其他學(xué)者也在相同的膽鹽濃度下對(duì)發(fā)酵蔬菜源乳酸菌進(jìn)行了研究,胡斌等[31]對(duì)8 株植物乳桿菌培養(yǎng)2 h,菌株存活率在24.1%~91.1%之間,僅有2株菌的活菌數(shù)達(dá)到107CFU/mL;Azat等[34]的研究中,6株乳酸菌3 h后的活菌數(shù)下降到106CFU/mL。可以看出,本實(shí)驗(yàn)中6株菌對(duì)膽鹽的耐受性更強(qiáng),可能與6株植物乳桿菌菌體中脂肪酸的構(gòu)成[31]和膽鹽水解酶的數(shù)量[35]有關(guān)。
表3 乳酸菌對(duì)膽鹽的耐受性(n=3)Table 3 Bile-tolerant of lactic acid bacteria(n=3)
2.3.1 DPPH自由基清除能力測(cè)定 DPPH自由基清除試驗(yàn)是目前乳酸菌的抗氧化研究中最常用的方法,一般使用分光光度計(jì)進(jìn)行評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)以清除DPPH自由基為指標(biāo)對(duì)6株菌進(jìn)行抗氧化能力測(cè)定,結(jié)果如圖5所示。
圖5 乳酸菌對(duì)DPPH自由基的清除能力(n=3)Fig.5 DPPH radical scavenging activity of lactic acid bacteria(n=3)
由圖5可知,6株植物乳桿菌具有一定的DPPH自由基清除能力,清除率范圍在23.25%~34.91%之間。 其中JMST-2、JMST-7的清除率最高,分別為32.20%和34.91%。國(guó)內(nèi)學(xué)者張香美等[36]對(duì)8株乳酸菌進(jìn)行了同樣的測(cè)定,其結(jié)果為15%~34%;劉少敏等[37]的實(shí)驗(yàn)中3株菌的清除結(jié)果在5%~17%之間。相較而言,本實(shí)驗(yàn)中6株菌對(duì)DPPH自由基的清除能力更強(qiáng)。此外,一些學(xué)者的研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)相近,例如,陸婧婧等[38]得到了2株清除結(jié)果為28%和33%的乳酸菌;Das等[39]的研究中3株菌的清除結(jié)果在25%~40%之間。針對(duì)植物乳桿菌種的相關(guān)研究中,劉少敏等[37]測(cè)得L.plantarumATCC 14917的DPPH自由基清除率為16.55%,低于本實(shí)驗(yàn)6株菌的清除結(jié)果;Hashemi等[40]的實(shí)驗(yàn)中植物乳桿菌LS5表現(xiàn)出49.6%的DPPH自由基清除率,Xu等[15]的研究中清除率最大值在52%左右,均高于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯?即使同一種屬的植物乳桿菌對(duì)DPPH自由基的清除能力也不同,這或許由于菌株個(gè)體的抗氧化活性物質(zhì)的含量和分布等存在差異。
2.3.2 羥基自由基清除能力測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)對(duì)6株菌體濃度為108CFU/mL的植物乳桿菌進(jìn)行了羥基自由基清除能力測(cè)定,其結(jié)果如圖6所示。
圖6 乳酸菌對(duì)羥基自由基的清除能力(n=3)Fig.6 Hydroxyl radical scavenging activity of lactic acid bacteria(n=3)
由圖6可知,6株植物乳桿菌對(duì)羥基自由基有一定的清除能力。JMST-8對(duì)羥基自由基的清除能力最低,其余5株菌對(duì)羥基自由基的清除率在9%~16%之間,其中JMST-1、JMST-2的清除能力最好,分別為15.44%和14.67%。侯保朝等[41]從酸菜中篩選出3株益生特性良好的乳酸桿菌,在菌體濃度為109CFU/mL時(shí)測(cè)定其羥基自由基清除率小于5%,低于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在對(duì)乳酸菌的抗氧化能力測(cè)定中,本實(shí)驗(yàn)6株菌的羥基自由基清除能力低于DPPH自由基清除能力,這與Das等[39]、Tang等[42]及Arasu等[43]的研究結(jié)果一致,與劉少敏等[37]和陸婧婧等[38]的研究結(jié)果不同。原因可能是不同乳酸菌中抗氧化物質(zhì)存在差異,且不同物質(zhì)對(duì)兩種自由基的清除效果不同。有報(bào)道顯示,乳酸菌對(duì)羥基自由基的清除機(jī)制可能與胞外多糖[44]以及發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的乳蛋白肽[45]等有關(guān)。
從貴州酸湯中篩選出的6株發(fā)酵性能優(yōu)良的乳酸菌,通過(guò)菌落形態(tài)觀察和16S rDNA序列相似性分析,鑒定為植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)。6株植物乳桿菌的耐酸、耐膽鹽能力良好,在pH2.5或0.3% 膽鹽的環(huán)境下存活率高于87%,活菌數(shù)達(dá)到107CFU/mL以上。其中JMST-1、JMST-7、JMST-9的耐受能力較好,在耐酸和耐膽鹽試驗(yàn)中存活率均在90%以上,活菌數(shù)達(dá)到108CFU/mL。體外抗氧化試驗(yàn)結(jié)果顯示6株菌的自由基清除能力因菌株個(gè)體差異較大。當(dāng)菌體濃度為108CFU/mL時(shí),6株菌對(duì)DPPH自由基的清除率在23%~35%之間,對(duì)羥基自由基的清除率為6%~16%。比較發(fā)現(xiàn),JMST-1耐低酸和高濃度膽鹽的能力較好,且具有一定抗氧化能力,在耐酸和耐膽鹽試驗(yàn)中存活率分別達(dá)到94.48%和91.09%;對(duì)DPPH和羥基自由基的清除結(jié)果分別為28.60%和15.44%。
研究結(jié)果反映了6株酸湯源植物乳桿菌的耐酸、耐膽鹽和抗氧化能力,6株菌均具有良好的耐低酸和高濃度膽鹽的能力,可以作為潛在的益生菌進(jìn)行深入研究。其中JMST-1具有較好的耐酸、耐膽鹽、清除DPPH自由基和羥基自由基的能力,可作為酸湯源乳酸菌功能性食品開(kāi)發(fā)的備選菌株,其潛在的益生特性和抗氧化能力有待進(jìn)一步研究。