γ-氨基丁酸產生菌的分離及發酵條件優化

汪祥燕，徐海燕，辛國芹，汪孟娟，董佩佩，趙影，谷巍

（山東寶來利來生物工程股份有限公司，山東泰安271000）

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添加劑

γ-氨基丁酸產生菌的分離及發酵條件優化

汪祥燕*，徐海燕，辛國芹，汪孟娟，董佩佩，趙影，谷巍

（山東寶來利來生物工程股份有限公司，山東泰安271000）

γ-氨基丁酸（GABA）是哺乳動物體內的一種抑制性神經遞質，具有許多重要的生理功能。利用酸菜、酸奶等食品進行乳酸菌的分離，通過紙層析法篩選得到1株產GABA量較高的菌株Y-3，經16SrDNA鑒定該菌株為短乳桿菌。單因素試驗和正交試驗確定的菌株Y-3最佳發酵條件為：葡萄糖1.5%、酵母膏0.5%、胰蛋白胨1.5%、L-谷氨酸鈉1.0%、丁二酸鈉0.5%，初始pH為6.0，接種量6%，37℃靜置培養48 h，GABA產量達12 g/L以上，比優化前產量提高了近5倍。

γ-氨基丁酸；分離；短乳桿菌；發酵

γ-氨基丁酸（GABA）是一種天然存在的非蛋白氨基酸，屬強神經抑制性氨基酸，具有鎮靜、催眠、抗驚厥、降血壓的作用（Li等，2010）。應用于畜牧生產中能有效地提高動物抗應激能力和抗缺氧能力，改善動物生產性能和動物產品品質（譚良溪等，2012；吳俊鋒和李呂木，2011）。通過減少動物的無意識運動以減少能量消耗，達到促生長的目的（吳凡和譚青松，2015；徐秋良等，2009）。GABA廣泛存在于植物、動物、微生物中，合成制備方法主要有化學合成、植物富集和微生物發酵3種（Dhakal等，2012）。目前GABA的生產主要采用發酵法，而安全性高的乳酸菌可以利用體內的谷氨酸脫羧酶，將L-谷氨酸鈉經α-脫羧后產生GABA，開發前景廣闊。陸小雪等（2009）從泡菜和酸奶中分離出3株產GABA的乳酸菌，分別為乳酸乳球菌乳酸亞種、乳酸乳球菌乳酸亞種和唾液鏈球菌嗜熱亞種，其發酵液中GABA含量分別達到3.680、3.341、2.700 g/L。蔣冬花等（2007）分離出相對高產GABA的植物乳桿菌，在最佳發酵條件下發酵液中GABA含量可達4 g/L。本試驗從泡菜、酸奶等食品中分離高產GABA菌株，對其進行分子生物學鑒定，并優化菌株的發酵條件，為微生物發酵富集GABA的研究及相關產品的開發提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料泡菜、酸菜及各品牌的酸奶（伊利、蒙牛、亞奧特）等。

1.2培養基

1.2.1分離培養基胰蛋白胨10 g/L、酵母膏5 g/L、葡萄糖5 g/L、吐溫-80 1 g/L、K2HPO42 g/L、醋酸鈉5 g/L、檸檬酸二胺2 g/L、MgSO4·7H2O 0.2 g/L、MnSO4·H2O 0.05 g/L、pH 6.5～6.8，37℃培養48 h。

1.2.2種子培養基K2HPO42 g/L，檸檬酸三銨2 g/L，無水乙酸鈉5 g/L，MnSO4·H2O 0.25 g/L，MgSO4·7H2O 0.58 g/L，葡萄糖20 g/L，蛋白胨10 g/L，牛肉膏10 g/L，酵母膏5 g/L。

1.2.3TYG發酵培養基胰蛋白胨5 g/L，酵母膏5 g/L，葡萄糖10 g/L，丁二酸鈉5 g/L，L-谷氨酸鈉10 g/L，pH 6.6～6.8。

1.3試驗方法

1.3.1乳酸菌的分離分別取泡菜汁、酸菜汁及伊利、蒙牛、亞奧特酸奶各1 mL，接種于50 mL分離培養基中富集培養3 d，取富集培養液各1 mL，分別稀釋至10-1、10-2、10-3、10-4、10-5濃度，將所有樣品稀釋液各取0.3 mL，倒入已滅菌的平皿中，然后倒入冷卻至50℃左右的分離培養基混勻，凝固后置30℃培養箱中培養3 d，挑取帶有溶鈣圈的菌落，接種于MRS斜面培養基。

1.3.2乳酸菌的篩選將初篩得到的菌株轉接于液體MRS種子培養基中，37℃靜置培養12～15 h，然后以2%的接種量接入到含1%L-谷氨酸鈉的TYG發酵培養基中，37℃靜置培養24 h。將發酵液離心后進行檢測分析。

1.3.3分析方法

1.3.3.1γ-氨基丁酸含量的測定GABA含量的測定采用紙層析-比色法。（1）展開：采用新華3號濾紙，每個樣品點樣4 μL，在室溫下用不飽和法展開，展開劑用（苯酚∶水=4∶1）上行法展開；（2）定量：配制0.5%的GABA標準品，點樣4 μL；菌株發酵液經離心后，取上清液點樣4 μL，放入層析缸中展開；（3）顯色：展開結束后自然晾干，用0.5%的茚三酮無水乙醇溶液噴淋，在65℃顯色30 min；（4）比色測定：剪下GABA顯色條帶，用5 mL硫酸銅乙醇溶液（0.1%硫酸銅溶液∶75%乙醇=2∶38）浸泡30 min，然后測定520 nm波長下的吸光值（A）。根據標準品的A值和樣品的A值即可計算出樣品的GABA含量。

1.3.3.2菌株生長量的測定發酵培養過程中，在一定時間取培養液，以空白培養基作對照，于600 nm波長下測定吸光值（OD600）。

1.3.3.3pH的測定采用PHS-3C型精密pH計測定。

1.3.4發酵條件優化采用單因素試驗和正交試驗優化發酵條件。

1.3.5菌株的鑒定

1.3.5.116SrDNA擴增與序列分析目的菌株接種于新鮮的種子培養基中培養12 h，采用天根公司的試劑盒提取菌體DNA，并對其進行16S rDNA序列擴增。所用引物為通用引物：1492r 5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3'27f 5'-AGAGTTG ATCCTGGCTCAG-3'；PCR反應體系（50 μL）為：Mixture 25 μL（含Taq DNA聚合酶及dNTP等，天根生化科技有限公司），上下游引物各1 μL，模板DNA 2 μL，超純水21 μL。PCR擴增程序為94℃預變性5 min，94℃變性1 min，52℃退火1 min，72℃延伸2 min，30個循環，72℃延伸10 min。PCR產物送北京博尚生物技術有限公司進行序列測定。

1.3.5.2系統發育分析登錄GenBank（http：// www.ncbi.nlm.nih.gov），利用Blast對菌株16SrDNA測序結果進行檢索，并下載相關屬種的16SrDNA序列，采用DNAMAN、DNAclub、MEGA5.2等軟件進行同源性分析，并構建系統進化樹。

2　結果與分析

2.1菌株篩選樣品經處理后，利用乳酸菌選擇培養基從各分離源中共分離純化出113株乳酸菌，并編號保存。采用紙層析-比色法初篩，得到8株能夠利用L-谷氨酸鈉轉化生成γ-氨基丁酸的菌株。

由表1可知，不同菌株產γ-氨基丁酸的能力有一定差別，僅2株菌的GABA產量高于1 g/L，其中Y-3在未經培養優化的條件下，可產生GABA 2.21 g/L。將Y-3菌株傳接10代，分別測定Y-3菌株1～10代發酵后GABA產量，發現其GABA產量穩定，為（2.36±0.22）g/L，后續對菌株Y-3進行發酵條件優化。

表1　菌株篩選結果

2.2菌株Y-3發酵條件的優化

2.2.1接種量對發酵生產γ-氨基丁酸的影響由圖1看出，接種量對Y-3菌株發酵生產GABA有較大的影響。接種量為2%～4%時，GABA產量在2.20 g/L左右；接種量增大至6%后，GABA產量明顯提高，達4.46 g/L，提高2倍；接種量大于6%后，GABA產量降低，反而不利于菌株生產GA-BA。所以，菌株Y-3最優接種量確定為6%。

圖1　接種量對Y-3菌株GABA產量的影響

2.2.2pH對發酵生產γ-氨基丁酸的影響將發酵培養基起始pH分別調為4.0、5.0、6.0和自然pH（6.70左右），研究發酵培養基起始pH對Y-3菌株生長、pH及GABA產量的影響，結果見圖2。隨著發酵培養基起始pH增大，Y-3菌株的菌體量和發酵液pH逐漸增大。發酵培養基起始pH為4.0時，發酵結束時菌體密度僅有1.084；而在起始pH為6.0時，發酵結束時菌體密度為2.109，兩者相比，菌體密度增大了1倍。隨著發酵培養基起始pH升高，GABA產量為先升高后降低，在pH=6.0時達最大，為3.10 g/L。在pH=6.0時菌體密度也較大，菌體量大代表有更多菌體參與GABA生產，因而GABA產量才會提高。雖然自然pH時（6.70左右）菌體生長量大于pH為6.0時，但是此時的發酵液pH較低，降低了谷氨酸脫羧酶的活性，GABA產量反而沒有pH=6.0時高。綜合分析，發酵培養基起始pH確定為6.0。

圖2　發酵培養基起始pH對Y-3菌株生長、pH及GABA產量的影響

2.2.3發酵時間對發酵生產γ-氨基丁酸的影響發酵時間對于菌株Y-3和PS-9生產GABA有很大的影響，結果見圖3。隨著發酵時間延長，菌株Y-3的菌體密度逐漸增大，24 h達到最大，為2.109，之后處于基本穩定狀態。發酵液pH在 24 h時最低，僅為2.94，然后升高，之后處于基本穩定。分析原因可能是：24 h前菌株增殖速度快，處于菌體積累階段，菌株會迅速消耗葡萄糖，將其分解為小分子酸，使得發酵液pH降低，之后菌株Y-3會利用H+，在谷氨酸脫羧酶作用下將L-谷氨酸鈉轉化為GABA，又提高了發酵液的pH。且在一定范圍內，GABA產量是隨著發酵時間延長逐漸增大的，在48 h時達到最大，為3.57 g/L。此后，GABA產量有下降但不明顯。從培養周期和成本等工業擴大生產因素考慮，培養時間不宜過長，確定菌株Y-3最佳發酵時間為48 h。

圖3　發酵時間對Y-3菌株生長、pH及GABA產量的影響

2.3菌株Y-3發酵培養基的優化

2.3.1碳源對發酵生產γ-氨基丁酸的影響以TYG發酵培養基為基礎，分別選取葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、可溶性淀粉及丁二酸鈉為唯一碳源，添加量為10 g/L，發酵培養48 h后檢測發酵液的GABA含量，結果見圖4。結果顯示，對于菌株Y-3，葡萄糖作為發酵培養基的碳源最為適合，麥芽糖、可溶性淀粉和丁二酸鈉次之，蔗糖最差。葡萄糖作為可快速利用的碳源為菌株Y-3的生長和GABA生產提供能量來源，故以其作碳源，無論是菌株生長，還是GABA產量都優于其他碳源。

圖4　碳源對Y-3菌株生長和GABA產量的影響

2.3.2氮源對發酵生產γ-氨基丁酸的影響以TYG發酵培養基為基礎，分別選取胰蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、玉米漿、硫酸銨及硝酸鈉為唯一氮源，添加量為10 g/L，發酵培養48 h檢測發酵液的GABA含量。由圖5可知，對于菌株Y-3，有機氮效果比無機氮效果好。硫酸銨、硝酸鈉兩種無機氮源發酵效果最差，紙層析圖上基本看不出條帶。酵母膏作為單一氮源發酵效果最好，GABA最高為5.95 g/L，其次是牛肉膏、蛋白胨和胰蛋白胨，玉米漿的效果較差。酵母膏中含有多種成分，相對于其他氮源，酵母膏的營養成分可能更有利于乳酸菌的生長，且其可能含有刺激谷氨酸脫羧酶活性的因子，因此GABA產量較高。

圖5　氮源對Y-3菌株生長和GABA產量的影響

進一步，以TYG發酵培養基為基礎，在以酵母膏作氮源的基礎上分別復合蛋白胨、牛肉膏和胰蛋白胨為復合氮源，發酵培養48 h，以紙層析-比色法測定上清中GABA含量。由圖6可知，對于菌株Y-3，以酵母膏和胰蛋白胨復合時發酵效果最好，GABA的產量達6.26 g/L，比酵母膏作唯一氮源時產量提高5%。所以，菌株發酵產GABA試驗選擇酵母膏復合胰蛋白胨作氮源。

圖6　復合氮源對Y-3菌株生長和GABA產量的影響

2.3.3正交試驗設計優化發酵培養基以葡萄糖為碳源，酵母膏和胰蛋白胨為復合氮源，添加L-谷氨酸鈉，進行L9（34）正交試驗設計。正交試驗設計及結果分析見表2。

表2　L9（34）正交試驗設計及結果分析

由表2可知，葡萄糖添加量對于GABA的產量影響最大。各成分對GABA產量的影響順序為：葡萄糖＞胰蛋白胨＞酵母膏＞L-谷氨酸鈉，極差分析的最優組合為A3B2C3D1。試驗中最優組合為A3B1C3D2，GABA產量為12.67 g/L。由于最佳的培養基組成在試驗中沒有進行，所以根據正交試驗給出的最佳培養基成分進行發酵，產量與7號試驗相比沒有明顯提高。考慮成本等因素，確定菌株Y-3發酵配方為：葡萄糖1.5%、酵母膏0.5%、胰蛋白胨1.5%、L-谷氨酸鈉1.0%、丁二酸鈉0.5%，pH 6.0。

2.4發酵液處理及凍干粉γ-氨基丁酸含量測定按照優化結果發酵培養菌株Y-3，在發酵結束后將發酵液凍干處理，計算100 mL發酵液的凍干粉比例，并以紙層析-比色法測定凍干粉中GABA的含量。結果顯示，100 mL發酵液凍干后可得到3.72 g凍干粉，凍干粉中GABA含量為4.6%左右。

2.5菌株Y-3的鑒定

2.5.1菌落及菌體形態該菌株在分離培養基上培養24 h，其菌落形態扁平，白色不透明，邊緣光滑，表面濕潤，顯微鏡下觀察菌體為短桿狀，大多成對出現，革蘭氏染色陽性。

2.5.216SrDNA序列和系統發育分析該菌株的PCR產物電泳圖見圖7，條帶在1000～2000 bp處，約為1500 bp，與預期結果一致。

圖7　菌株Y-3擴增產物瓊脂凝膠電泳圖

將菌株Y-3的16SrDNA序列在NCBI中進行BLAST比對分析，結果顯示菌株Y-3與Lactobacillus brevis的序列同源性達到100%。鑒定該菌株屬于短乳桿菌（Lactobacillus brevis）。

從Genebank中調取并下載與菌株Y-3同源性較高的該屬內其他相關菌株的16S rDNA，利用MEGA5.2軟件的Neighboring-joining方法，構建系統進化樹（圖8）。

圖8　菌株Y-3與相關菌株的系統進化關系

3　小結

從泡菜、酸菜及不同品牌酸奶等分離源中分離純化得到113株乳酸菌，并以TYG培養基為基礎發酵，篩選到8株能產GABA的菌株。通過單因素試驗和正交試驗對培養基和發酵條件進行優化，確定菌株Y-3最佳培養基組合和發酵條件為：葡萄糖1.5%、酵母膏0.5%、胰蛋白胨1.5%、L-谷氨酸鈉1.0%、丁二酸鈉0.5%，初始pH為6.0，接種量6%，37℃靜置培養48 h，此時發酵液中GABA含量達12 g/L以上，比優化前產量增加了近5倍。對發酵液進行凍干處理，Y-3菌株100 mL發酵液凍干后可得4 g左右凍干粉，凍干粉中GABA含量為4.6%左右。通過16S rDNA鑒定，菌株Y-3為一株短乳桿菌。

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γ-amino butyric acid（GABA）as a putative inhibitory in the vertebrate nervous system，has many important physiological functions.Using filter paper chromatography method，a lacto-bacteria Y-3 highly yielding GABA was isolated from different foods such as pickled vegetable and yoghourt.Y-3 was identified as Lactobacillus brevis by its cultural characteristics，morphological characteristics and 16S rDNA sequence.The optimal fermentation medium composition by single factor and orthogonal test showed as follows：glucose 1.5%，yeast extract 0.5%，tryptone 1.5%，L-sodium glutamate 1.0%，sodium succinate 0.5%.The better fermentation conditions were as follows：initial pH 6.0，inoculation amount 6%，temperature 37℃，fermentation 48 h.Using this optimization conditions，the GABA yield was over 12 g/L，which increased nearly 5 times than that before optimization.

γ-amino butyric acid；isolation；Lactobacillus brevis；fermentation

S816.7

A

1004-3314（2016）04-0027-05

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20160407