馬國涵,馬歡歡,呂欣然,劉佳伊,孫 悅,白鳳翎,*,勵建榮
(1.渤海大學食品科學與工程學院,遼寧省食品安全重點實驗室,生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 錦州 121013;2.北京林業大學生物科學與技術學院,北京 100083)
水產類富含豐富的脂肪酸、蛋白質,引起其腐敗變質的微生物主要為細菌[1-3]。Sharma等[4]從腐爛魚鰭和尾巴分離獲得導致魚體外寄生潰瘍綜合征的6 種病原菌,分別為Enterococcus faecalis、Aeromonas hydrophilla、Cellobiosococcus sciuri和Micrococcus luteus。
目前生物保鮮技術已成為控制生鮮食品腐敗變質的主要方法之一[5-6]。而乳酸菌nisin及一些植物提取物抑菌譜較窄,因此,從自然生態環境中尋找具有廣譜拮抗活性的乳酸菌對控制水產品腐敗菌具有重要的研究價值。Rauta等[7]從攀鱸魚腸道分離獲有較強抑菌作用的乳酸菌Lactobacillus casei,研究發現對Proteus vulgaris和Klebsiella pneumoniae均具有較強的抑制作用,抑菌直徑可達15~18 mm。Ghomrassi等[8]從地中海海岸地區捕捉的烏頰魚鯉科魚、叉牙鯛和海鯛等8 種海魚皮膚表面和腸道獲得18 株乳酸菌,經16S rRNA鑒定有15 株E. faecalis和3 株L. lactis,其中E. faecium HTE5抑菌譜較廣,可有效抑制Listeria monocytogenes等魚類病原菌,經實驗分析,細菌素類為其抑菌的有效成分。Gerez等[9]應用96 孔板法從不同源的91 株乳酸菌中獲得1 株產抗菌肽的菌株Lactobacillus fermentum CRL251,其無細胞上清液(cell-free supernatant,CFS)對Aspergillus niger CH101和Fusarium graminearum CH103的抑菌率均大于80%,抗菌肽分子質量小于10 ku。Ullah等[10]從傳統發酵酸菜中分離1 株對革蘭氏陽性菌和陰性菌均具有良好抑菌作用的L. casei,經Sephadex G-25凝膠層析、HiPrep QXL 16/10柱的AKTA蛋白純化系統和反相高效液相色譜(reversed-phase high performance liquid chromatography,RP-HPLC)純化,后經基質輔助激光解吸電離串聯飛行時間(matrix-assisted laser desorption ionisation/time-offl ight/time-of- fl ight,MALDI-TOF/TOF)質譜分析測定其細菌素分子質量為4.89 ku。乳酸菌在自然界分布廣泛,海洋魚類腸道是乳酸菌的重要棲息地。本研究從養殖大菱鲆腸道中分離篩選廣譜抑菌活性物質的乳酸菌,并對其抑菌物質進行分離、提純及鑒定,為一種控制水產品腐敗的新型高效食品級生物防腐劑的研發和應用奠定良好的理論基礎。
大菱鲆購自遼寧省錦州市金凌商場。
金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)CMCC 26003、蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)CMCC 63301 中國醫學微生物菌種保藏管理中心;地衣芽孢桿菌(Bacillus subtilis)ACCC 11091 中國農業微生物菌種保藏中心;單核細胞增生李斯特氏菌(L. monocytogenes)ATCC 19115、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)ATCC 9027、哈維氏弧菌(Vibrio harveyi)ATCC BB-170 美國典型菌種保藏中心;熒光假單胞菌(Pseudomonas fl uorescens)P001、溫和氣單胞菌(Aeromonas sobria)L002分離自大菱鲆體表。
LB肉湯、MRS培養基、LB營養瓊脂 北京奧博星生物技術有限公司;乳酸菌生化鑒定管 杭州天和微生物試劑有限公司;木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶 華藍化學有限公司;α-氰基-4-羥肉桂酸(α-cyano-4-hydoxycinnamic acid,HCCA) 上海恒遠生物科技有限公司;DNA Marker-D、細菌基因組DNA快速抽提試劑盒、Taq聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)Master mix生工生物工程(上海)股份有限公司;乙酸乙酯、石油醚 天津市富宇精細化工有限公司;Sephadex G-25美國Amresco公司。
GI54DS立式高壓蒸汽滅菌鍋 致微(廈門)儀器有限公司;DL-CJ-2N型超級潔凈工作臺 東聯哈爾(北京)儀器制造有限公司;賽福智能生化培養箱寧波海曙賽福實驗儀器廠;5804R冷凍高速離心機德國Eppendorf公司;PCR儀 德國艾本德股份有限公司;DYY-8C電泳儀 北京市六一儀器廠;Cheimdox XRS凝膠成像儀 美國Bio-Rad公司;LabconcoFreeZone 2.5臺式真空冷凍干燥機 美國Labconco公司;Labscale TFF System小型切向流超濾系統 上海密理博貿易有限公司;1260 HPLC儀 美國Agilent公司;MALDI-TOF/TOF質譜儀 美國AB SCIEX公司。
1.3.1 大菱鲆腸道中乳酸菌的分離
稱取大菱鲆的腸道10.0 g,切成約2.0 cm長的片段,轉移至裝有90 mL無菌水的錐形瓶中,經充分振蕩后靜置10 min。吸取100 μL液體涂布于加入1% CaCO3的MRS瓊脂平板,放入37 ℃培養箱中培養48 h,取白色且有明顯溶鈣圈的菌落進行純化。純化培養后,選取單菌落進行革蘭氏染色和過氧化氫酶實驗進行初篩。
1.3.2 廣譜性抑菌作用乳酸菌的篩選
1.3.2.1 乳酸菌CFS的制備
取10 mL初篩菌株培養24 h的發酵液,經4 ℃、8 000 r/min離心10 min,取上清液經0.45 μm濾器過濾獲得CFS,4 ℃冰箱保存備用。
1.3.2.2 指示菌的制備
將保藏于-80 ℃的銅綠假單胞菌、單核細胞增生李斯特氏菌、金黃色葡萄球菌、地衣芽孢桿菌、溫和氣單胞菌、蠟樣芽孢桿菌、熒光假單胞菌和哈維氏弧菌分別接種LB液體培養基,30 ℃培養12 h,經2 代活化后,用滅菌生理鹽水制備成106CFU/mL的指示菌菌懸液。
1.3.2.3 廣譜性菌株的篩選
以菌株LP1-作為目標菌,銅綠假單胞菌、熒光假單胞菌、溫和氣單胞菌和哈維氏弧菌4 株革蘭氏陰性菌,單核細胞增生李斯特氏菌、金黃色葡萄球菌、地衣芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌4 株革蘭氏陽性菌為指示菌,參照文獻[11]應用牛津杯瓊脂擴散法對菌株LP1-4 CFS進行抑菌實驗。
1.3.3 乳酸菌菌株鑒定
1.3.3.1 生理生化鑒定
參照《乳酸細菌分類鑒定及實驗方法》和《伯杰氏細菌鑒定手冊》(8版)中乳酸菌的鑒定方法進行生理生化實驗[12-14]。
1.3.3.2 16S rRNA鑒定
在1.5 m L E P管中加入1.0 m L乳酸菌培養12 h發酵液,12 000 r/min離心5 min收集菌體,使用16S rRNA通用引物對DNA快速抽提試劑盒提取的菌株DNA進行PCR擴增。正向引物為27f(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′),反向引物為1492r(5′-TACGGYTACCTTTGTTACGACTT-3′),引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。PCR擴增體系為上游引物1.0 μL、下游引物1.0 μL、DNA模板1.0 μL、ddH2O 9.5 μL、Taq PCR Master mix 12.5 μL,總體積25 μL。PCR擴增步驟:94 ℃預變性2 min,94 ℃變性1 min,60 ℃退火1 min,72 ℃延伸90 s,72 ℃保持10 min,循環30 次,4 ℃保溫。
PCR產物經1%瓊脂糖凝膠電泳,觀察凝膠成像系統的擴增效果并照相。將擴增成功的PCR產物送至生工生物工程(上海)股份有限公司進行測序。測序結果經校對后與NCBI上GenBank數據庫中的已有序列進行BLAST比對分析,運用MEGA 5.0軟件構建菌株系統發育進化樹。
1.3.4 乳酸菌生長與拮抗活性曲線
在10 mL MRS液體培養基中接種200 μL乳酸菌發酵液,37 ℃靜置培養。利用來源和應用的相似相容原則,以分離自大菱鲆的熒光假單胞菌和溫和氣單胞菌為指示菌進行實驗,參照文獻[11]每隔4 h測定菌株CFS的抑菌活性,并測定菌懸液pH值和OD600nm值。
1.3.5 影響乳酸菌CFS拮抗活性因素分析
酶敏感性實驗:將乳酸菌CFS分別用1.0 mol/L NaOH溶液和1.0 mol/L HCl溶液調至酶的最佳pH值(中性蛋白酶pH 7.0、木瓜蛋白酶pH 7.0、胰蛋白酶pH 7.5、胃蛋白酶pH 2.0和堿性蛋白酶pH 10.0),在乳酸菌CFS中添加終質量濃度為1.0 mg/mL的蛋白酶,37 ℃水浴中孵育2 h后,將pH值調至初始值,同時以乳酸菌CFS作對照,參照文獻[11]進行抑菌實驗。
pH值實驗:用1.0 mol/L HCl溶液和1.0 mol/L NaOH溶液將乳酸菌CFS pH值分別調至2.5、3.5、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5,參照文獻[11]方法進行抑菌實驗,以所對應的相同pH值MRS作空白對照。
熱穩定性實驗:分別經50、100、121 ℃對乳酸菌CFS處理30 min,參照文獻[11]方法進行抑菌實驗,同時以乳酸菌CFS作對照。
1.3.6 細菌素初級純化
1.3.6.1 有機溶劑萃取
利用乙酸乙酯和石油醚分別對菌株LP1-4 CFS進行萃取。取菌株LP1-4 CFS 100 mL置于500 mL分液漏斗中,然后取有機溶劑100 mL,分5 次加入分液漏斗中,并沿同一方向緩慢振蕩,靜置5 min左右至液體出現明顯的分層現象,收集下層溶液于滅菌錐形瓶,上層乳化液置于旋轉蒸發瓶。將萃取5 次獲得乳化液統一收集,真空條件下100 r/min、45 ℃旋轉蒸發至液體顏色澄清收集萃取液,水相作為陰性對照,乳酸菌CFS為陽性對照,按
1.3.2.3 節方法進行抑菌活性測定。
1.3.6.2 乳酸菌抗菌活性物質的分離純化
參照邢德明等[15]方法并稍作修改。取上述乙酸乙酯萃取后獲得乳酸菌粗提物經LabscaleTMTFF System分級純化,按分子質量(m)大小分成的4 個組分樣品:組I(10 ku<m<30 ku)、組II(5 ku<m<10 ku)、組III(1 ku<m<5 ku)、組IV(m<1 ku),菌株LP1-4粗提物為對照組,參照1.3.2.3節方法進行抑菌活性測定,后置于4 ℃保存備用。
1.3.7 細菌素的層析
參照Muhialdin等[16]方法并稍作修改,利用Sephadex G-25凝膠層析對超濾液體進一步純化。稱取5.0 g干燥Sephadex G-25 medium粉末于50 mL蒸餾水中浸泡過夜,沸水煮沸30 min,抽真空排氣2 h。用0.02 mol/L pH 6.0磷酸緩沖鹽溶液裝柱平衡過夜,控制流速為0.5 mL/min。上樣量2.0 mL,收集洗脫液按1.3.2.3節方法進行抑菌實驗。并將具有抑菌活性的洗脫液于250 mL滅菌燒杯中-40 ℃真空冷凍干燥4 d,取出后于-80 ℃冰箱保存備用。
1.3.8 HPLC純化
參照An Junying等[17]方法并稍作修改。取上述凍干物加入1 mL滅菌超純水,經0.45 μm濾膜過濾。HPLC檢測條件:流動相:A為0.1%三氟乙酸水溶液,B為0.1%三氟乙酸甲醇溶液;洗脫條件:流動相B,0%~0%平衡4 min,0%~100%梯度洗脫21 min,100%~100%平衡6 min,100%~0%梯度洗脫3 min,0%~0%平衡6 min;色譜柱:Agilent TC-C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);熒光檢測器波長280 nm;柱溫30 ℃;流速0.8 mL/min;進樣100 μL。收集單峰洗脫液,參照1.3.2.3節方法進行抑菌實驗,并收集具有抑菌活性洗脫液于10 mL滅菌離心管,4 ℃保存備用。
1.3.9 質譜分析
經HPLC純化后的液體取1.0 μL點在樣品靶上,待干燥后,同樣點1.0 μL的HCCA基質溶液,全部干燥后上機分析。樣品靶放入MALDI-TOF/TOF質譜儀,啟動控制軟件,進行數據采集。質譜采集參數:正離子反射模式,一級質譜分子質量范圍為0.7~3.5 ku,二級質譜分子質量范圍為0.04~1.05 ku。搜庫鑒定:1)合并一級質譜和二級質譜數據,產生 peaklist文件;2)利用 MASCOT搜索引擎進行蛋白質檢索。檢索數據庫為NCBI nr數據庫,搜庫參數:酶:Rrypsin;最大允許錯切位點1;固定修飾:脲甲基;可變修飾:氧化;一級質譜容差:1.5×10-4;二級質譜容差:0.6 Da;P≤0.05。
均重復3 次實驗進行測定,數據采用 ±s形式,應用Origin 8.0軟件進行繪圖,并采用SPSS 18.0軟件進行統計學分析。
從大菱鲆腸道中篩選出15 株革蘭氏染色陽性、過氧化氫酶陰性且具有明顯溶鈣圈的乳酸菌,按分離順序和中文首字母進行命名。進一步應用牛津杯瓊脂擴散法篩選出5 株對指示菌具有較強抑制作用的乳酸菌,分別為LP1-6、LP1-4、LP4-3、LP2-3和LP3-2。從表1可以看出,5 株乳酸菌CFS對8 株指示菌均存在不同程度的抑制作用。菌株LP1-4對8 株指示菌的抑菌效果最強,抑菌譜較廣,菌株LP1-6和LP2-3次之,菌株LP4-3和LP3-2僅對特定指示菌具有良好的抑制作用。結果表明,菌株LP1-4生長過程中產生了具有廣譜性抑菌活性物質。因此,選取菌株LP1-4作為下一步的實驗菌株。

表1 乳酸菌對8 株指示菌的抑菌結果Table 1 Antibacterial results of lactic acid bacteria against eight indicator bacteria
2.2.1 生理生化反應
依照文獻[14]對菌株LP1-4的生理生化鑒定結果(表2)進行分析,可初步判定菌株LP1-4為植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)。

表2 菌株LP1-4的生理生化鑒定結果Table 2 Physiological and biochemical identi fi cation results of strain LP1-4
2.2.2 16S rRNA鑒定
應用1%瓊脂糖凝膠電泳對菌株LP1-4 PCR產物的分離結果見圖1,Marker內含子分子質量為100、250、500、750、1 000 bp和2 000 bp,菌株LP1-4在1 500 bp左右出現熒光條帶。對菌株LP1-4 PCR產物進行測序分析后發現其16S rRNA基因序列長度為1 448 bp。

圖1 菌株LP1-4的16S rRNA基因擴增電泳圖Fig. 1 Electropherogram of PCR-amplified 16S rRNA gene of LP1-4
圖2是將菌株LP1-4的測序結果使用MEGA 5.0軟件與GenBank數據庫中標準菌株基因序列進行比對的結果,菌株LP1-4與1株標準菌株L. plantarumSMN1-5的同源性達到99%,可確定菌株LP1-4為L. plantarum。

圖2 菌株LP1-4的16S rDNA系統發育樹Fig. 2 Phylogenetic tree based on 16S rDNA sequences of LP1-4
乳酸菌代謝過程中可產生細菌素、羅伊菌素、乳酸等拮抗性產物,可有效抑制細菌、霉菌等生長繁殖[15]。以溫和氣單胞菌和熒光假單胞菌為例,由圖3可看出,菌株LP1-4的細胞生長量和抑菌活性之間呈同步增長。乳酸菌生長16 h進入穩定期,此時抑菌活性仍處于上升的趨勢;培養24 h時菌株LP1-4抑菌直徑達到峰值,對溫和氣單胞菌和熒光假單胞菌抑菌直徑分別為20.87 mm和19.96 mm;后隨著培養時間持續延長,抑菌活性與24 h相比差異不顯著(P>0.05)。因此,選擇培養24 h的CFS作為抑菌活性物質產生的最佳時間。

圖3 菌株LP1-4的生長及拮抗活性曲線Fig. 3 Growth and antagonistic activity curves of LP1-4
2.4.1 酶敏感性實驗
蛋白酶敏感性測定可確定抑菌活性物質是否具有蛋白特性[18]。從圖4可看出,經不同蛋白酶處理后菌株LP1-4 CFS抑菌活性呈不同程度的喪失,與對照組相比差異性顯著(P<0.05)。而經堿性蛋白酶處理后菌株LP1-4 CFS對溫和氣單胞菌和熒光假單胞菌的抑菌活性分別降低了40.33%和32.04%,呈極顯著性差異(P<0.01),表明抑菌活性物質對堿性蛋白酶極敏感。初步判斷株菌LP1-4 CFS抑菌活性物質可能還具有蛋白特性的細菌素類。任士菊等[19]發現冷水魚腸道源乳酸菌抑菌物質對胰蛋白酶比較敏感,并證實類細菌素或細菌素存在于抑菌組分中。

圖4 酶處理對菌株CFS抑菌活性的影響Fig. 4 Effects of enzyme treatment on the antibacterial activity of CFS
2.4.2 pH值實驗
從表3可看出,菌株LP1-4 CFS抑菌直徑隨著pH值升高呈下降的趨勢。當pH 4.5時,菌株LP1-4 CFS對溫和氣單胞菌和熒光假單胞菌的抑菌直徑均呈顯著性降低(P<0.05),分別為16.23 mm和15.43 mm,而MRS組抑菌活性完全喪失。pH 5.0時,CFS仍具有較弱的抑菌活性;當pH值升到5.5后CFS抗菌活性完全喪失(pH 5.5~6.5,表中均未給出)。結果表明,菌株LP1-4 CFS的抑菌活物質在酸性條件下比較穩定,且抑菌活性物質pH值適應范圍2.5~5.0。

表3 pH值對菌株LP1-4 CFS抑菌活性的影響Table 3 Effects of pH on the antibacterial activity of LP1-4 CFS
2.4.3 熱處理實驗
從圖5可看出,不同溫度處理后菌株LP1-4 CFS的抑菌直徑變化差異性不顯著(P>0.05),且121 ℃處理后的CFS仍均有較強的抗菌作用。結果表明,菌株LP1-4 CFS中抑菌物質具有較好的熱穩定性。相似研究已有報道,劉國榮等[20]從母乳嬰兒糞便中獲得產廣譜細菌素的乳酸菌Lactobacillus rhamnosus,121 ℃處理后細菌素活性仍然保持穩定。

圖5 熱處理對菌株LP1-4 CFS抑菌活性的影響Fig. 5 Effects of thermal treatment on the antibacterial activity of LP1-4 CFS
小分子多肽或蛋白類的細菌素通常采用有機溶劑萃取法[21]。從表4可看出,菌株LP1-4 CFS經乙酸乙酯萃取后,萃取液的有機相抑菌直徑與CFS相比差異顯著(P<0.05),抑菌直徑為25.42 mm,水相抑菌效果較小。經石油醚萃取后,萃取液的有機相和水相與CFS相比對溫和氣單胞菌抑菌直徑不具有顯著性差異(P>0.05)。分析表明,與石油醚相比應用乙酸乙酯作為萃取劑可較大程度上提取菌株LP1-4 CFS中的細菌素。因此,選擇乙酸乙酯作為萃取劑進行下一步實驗。

表4 菌株LP1-4 CFS的粗提取結果Table 4 Diameters of inhibition zone of A. sobria when exposed to different solvent extracts of LP1-4 CFS mm
菌株LP1-4萃取液采用Labscale TFF System小型切向流超濾系統分級純化后,發現組I、II、III和IV的收集液對溫和氣單胞菌抑菌直徑與對照組相比不具有顯著性(P>0.05,數據均未給出)。表明菌株LP1-4 CFS中細菌素分子質量可能小于1.0 ku。
根據分子大小凝膠層析能對蛋白質混合物進行有效分離[22-23]。圖6是菌株LP1-4細菌素經G-25凝膠層析,不同時間點洗脫液對溫和氣單胞菌的抑菌結果,120 min的洗脫液對溫和氣單胞菌具有抑制作用,抑菌直徑為15.88 mm,低于對照組,原因是由于抑菌物質回收后被稀釋。結果表明,菌株LP1-4 CFS中抑菌活性物質存在于120 min收集管洗脫液,收集并進行下一步實驗。

圖6 菌株LP1-4 CFS經G-25交聯葡聚糖柱層析后拮抗作用效果(中間孔中為洗脫液)Fig. 6 Antagonistic effects of substances separated by SephadexG-25 column chromatography from LP1-4 CFS
HPLC是純化細菌素有效方法之一[24-25],從圖7可看出,經Agilent TC-C18色譜柱檢測分別得到3、5、11 min三個峰。對其洗脫液進行抑菌作用研究,發現保留時間5 min峰洗脫液對溫和氣單胞菌的抑菌直徑為15.86 mm,其余2 峰洗脫液均無抑菌作用。結果表明,抑菌物質在液相分離條件下的目標峰保留時間為5 min。

圖7 菌株LP1-4細菌素的HPLC圖Fig. 7 HPLC profile of bacteriocin produced by LP1-4
應用質譜法分析菌株LP1-4細菌素分子質量及氨基酸排列順序[26-28],從圖8可看出,該細菌素分子質量為0.854 ku,與分級純化結果相輔相成。Casaburi等[29]分離自傳統意大利發酵香腸中Lactobacillus curvatus54M16對L. monocytogenes、Bacillus cereus和Brochotrix thermosphacta當具有較強的抑制作用,抑菌活性物質經反相HPLC純化后經MALDI-TOF/TOF質譜鑒定發現其分子為2.5 ku。經搜庫鑒定分析得出,菌株LP1-4細菌素由5 種氨基酸組成的8 個氨基酸序列,肽鏈中氨基酸的排列順序為“谷氨酸-天冬酰胺-賴氨酸-脯氨酸-丙氨酸-丙氨酸-脯氨酸-賴氨酸(ENKPAAPK)”。經NCBI nr數據庫對比分析,發現菌株LP1-4細菌素氨基酸序列與數據庫中肽鏈相似最高分值僅為27.8,表明菌株LP1-4細菌素肽鏈屬于新型肽段[30]。

圖8 菌株LP1-4細菌素質譜圖Fig. 8 Mass spectrum of bacteriocin produced by strain LP1-4
本研究廣譜拮抗活性乳酸菌菌株分離、篩選自大菱鲆腸道中,經生理生化反應和16S rRNA鑒定菌株LP1-4為植物乳桿菌(L. plantarum)。菌株LP1-4抑菌活性物對蛋白類敏感,對酸性環境具有一定耐受性,且具有良好的熱穩定性。經分離純化和質譜分析表明其細菌素分子質量為0.854 ku,由5 種氨基酸組成的8 個氨基酸序列,肽鏈中氨基酸的排列順序為“谷氨酸-天冬酰胺-賴氨酸-脯氨酸-丙氨酸-丙氨酸-脯氨酸-賴氨酸(ENKPAAPK)”。本研究從海水養殖大菱鲆腸道中篩選具有廣譜抑菌活性的乳酸菌菌株,利用該菌株資源研發一種生物防腐劑控制水產食品腐敗變質具有一定的應用價值。