食品科學技術

乳酸菌基因組學研究新進展

張和平，于潔

摘要：乳酸菌在食品和發酵飼料工業中的應用具有悠久的歷史。隨著科學技術的發展，乳酸菌逐漸在發酵、生物、農業、食品以及醫藥等多個領域占據重要的地位。近年來，基于迅猛發展的基因組測序技術，乳酸菌基因組學逐漸成為研究熱點。依據全基因組序列信息，基因組學研究在揭示乳酸菌的多樣性和進化歷程，解析生理和代謝機制，挖掘功能基因等方面的貢獻尤為突出。基因組測序技術共經歷了3代的發展。第1代測序技術是以 Sanger測序法為基礎發展起來逐步克隆法（clone by clone）和全基因組鳥槍法（whole genome shotgun strategy），因其存在成本高、速度慢、通量低等缺點逐步被第2代高通量測序技術所取代。最具有代表性的2代測序技術是Roche公司的454焦磷酸測序技術，Illumina公司的Solexa技術和ABI公司的SOLiD技術。第2代測序技術具有高通量、低成本、大規模測序等優點，成為當前乳酸菌基因組測定的主流技術，然而其測序讀長較短，往往會造成基因組中重復序列區域的錯誤拼接。而以單分子測序技術為標志的第3代測序技術的興起和發展為全基因組測序提供了利器。第3代測序技術以其長讀長、速度快、信息產出高等突出優點迅速地應用于基因組測序、甲基化研究、RNA測序和高GC含量高的基因組測序等研究領域。然而高錯誤率是第3代測序技術的制約因素，目前許多研究學者致力于攻克這一問題，并已取得一定的成果，有效組合光學圖譜技術、二代測序技術和Pac Bio單分子測序等技術，將對乳酸菌基因組學研究產生巨大的推動作用。測序技術的更新和成本的銳減，推動了乳酸菌基因組研究向著大規模的方向發展。研究學者通過大批量測定乳酸菌基因組，對同一屬中不同菌種或同一菌種中不同株進行比較基因組學研究，進而解析乳酸菌的分類地位、遺傳背景和進化歷程以及代謝網絡調控。首先，基于全基因組 DNA序列的基因組學可真實地反映乳酸菌的分類地位和進化關系。近些年，大規模基因組測序已被應用于鏈球菌屬（Streptococcus），乳桿菌屬（Lactobacillus），腸球菌（Enterococcus）和乳球菌屬（Lactococcus）中菌種的分類、遺傳關系和進化歷程的研究中，并獲得了許多研究成果，這對于建立全新的乳酸菌分類體系具有重要的參考意義。其次，基于全基因組序列注釋和生化信息整合的基因組規模代謝網絡模型，可為全面了解和調控乳酸菌的生理代謝功能提供最佳平臺。乳酸菌由于來源、生長環境、進化過程等因素的影響，不同種屬乳酸菌的代謝途徑不同，通過對乳酸菌進行基因組測序可以構建菌體細胞內部的生化反應網絡，反映網絡中所有參與反應的化合物以及各催化反應酶類之間的關系，從而全局性、系統化地解析乳酸菌的代謝途徑，為高效定向調控乳酸菌代謝功能提供重要的遺傳學信息和理論依據。綜上所述，基因組學在乳酸菌的研究中占據重要的地位。如果將基因組與其它組學技術相結合應用于乳酸菌的研究中，勢必會加速乳酸菌理論和應用研究的進程。然而，伴隨著日益龐大的數據量，如何進行有效的數據挖掘是當前面臨的挑戰，這就要求相關交叉學科的不斷發展，全景式地揭示乳酸菌的生命信息，從而使乳酸菌為人類健康事業做出更大的貢獻。

來源出版物：中國食品學報, 2016, 16(2): 1-8

入選年份：2016

TEMPO氧化魔芋葡甘露聚糖微球的制備及其在運載食品活性因子中的應用

陳鈺瑩，陳小冬，史夢璇，等

摘要：目的：采用新型壁材——氧化魔芋葡甘露聚糖為原料、Fe3+為交聯劑，借助雙重乳液法制備粒徑均一、包載效果好、具有腸靶向 pH值響應的智能微球。能夠共裝載脂溶性功能因子 β-胡蘿卜素和水溶性因子花色苷，實現多種抗氧化劑的協同增效，提高活性因子的腸道靶向釋放和吸收。方法：以 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl，TEMPO）為助氧化劑，次氯酸鈉為主氧化劑，對魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）進行氧化，制備出氧化度為 80%的氧化魔芋葡甘露聚糖（oxidized konjac glucomannan，OKGM）。以OKGM為原料、Fe3+為交聯劑借助雙重乳液法制備微球。首先將FeSO4·7H2O溶解于OKGM溶液中，加入吐溫20制成水相，然后在多糖水相中加入溶有β-胡蘿卜素的玉米油，形成OI/W內乳液。再以此為水相，加入到溶有司盤80的液體石蠟中，最終形成 OI/W/OII的復乳。向上述兩種乳液中通入空氣，使Fe2+氧化為Fe3+，此刻Fe3+與氧化魔芋上的羧基配位交聯形成多糖三維網絡，制得含有β-胡蘿卜素內油相的氧化魔芋微球。將含有β-胡蘿卜素的微球洗滌、離心，干燥后溶解在 pH 3的鹽酸溶液中，繼續吸附花色苷。采用紅外光譜儀對OKGM的化學結構進行表征，用細胞毒性實驗驗證 OKGM 的細胞兼容性，然后研究了利用通氧乳液聚合法制備的氧化魔芋微球的最佳條件，包括油水比、鐵與羧基的質量比、反應時間和反應溫度等。用馬爾文激光粒度儀測定微球的粒徑分布。用掃描電鏡和原子力顯微鏡觀察微球大小和形貌。在共聚焦激光掃描電鏡下觀察微球復合結構，用疏水熒光染料尼羅紅和親水染料 SUPER-green I驗證共裝載的可行性。結果：紅外光譜結果證明魔芋葡甘露聚糖上羥基成功氧化為羧基；當OKGM質量濃度從0.01 mg/mL增加到1 mg/mL時，細胞存活率80%以上。由此可見，OKGM具有良好細胞兼容性。采用單因素實驗，確定制備微球的最佳工藝條件是：OKGM質量分數10%、FeSO4·7H2O與 OKGM 的質量比為 1∶5、交聯時間30 min、反應溫度35℃，形成的微球水分散性好、球形規則、穩定性強；通過動態光散射法發現微球粒徑分布在20～40 μm之間，平均粒徑為26.8 μm；通過掃描電子顯微鏡觀察，微球呈光滑球形，大小在幾微米到幾十微米之間，與粒徑分布結果相符。原子力顯微鏡顯示微球表面褶皺的平均厚度約3 nm；共聚焦激光掃描顯微鏡結果：微球中紅色的內油相和綠色的水相表明微球可以成功地包埋和吸附疏水性和親水性分子，預示該微球可以同時吸附β-胡蘿卜素和花色苷。結論：以TEMPO氧化魔芋多糖為原料，鐵離子為交聯劑，通過物理交聯的方式制得了氧化魔芋微球。通過雙重乳液交聯法制得含有內油相的氧化魔芋微球，可實現β-胡蘿卜素和花色苷共裝載。本研究提供了一種以氧化魔芋葡甘聚糖為新材料制備微球實現活性因子穩態化的新策略，該微球可提高難溶性和敏感活性因子的分散性和穩定性，并同時裝載多種活性因子，實現脂溶性與水溶性食品活性因子的共裝載與協同增效。

來源出版物：食品科學, 2016, 37(2): 1-6

入選年份：2016