提高液體培養枯草芽孢桿菌芽孢產率的研究

王昭懿，張 鯤，周麗媛，程 嬌，溫 凱，于 梅

（山東農業工程學院食品科學與工程學院，山東濟南 250100）

枯草芽孢桿菌是一種典型的革蘭氏陽性好氧菌，具有很強的酶活性，并且對人畜安全，是一種環境友好型菌種且能形成芽孢[1]。芽孢作為一種休眠體，能經受高溫、干燥、紫外線、多種化學物質及電離輻射等逆境[2]，自由存在的芽孢作為一種隱藏的生命，一旦環境條件合適，芽孢便可以萌發成營養細胞。研究表明，枯草芽孢桿菌的芽孢進入動物腸道中，便能迅速萌發成具有新陳代謝作用的營養型細胞，這種營養型細胞能在動物體內分泌多種消化酶、維生素及氨基酸等物質，進而調節腸道菌群平衡，改善動物的健康水平和生產性能[3-6]。因此，添加枯草芽孢桿菌制成益生菌制劑，被廣泛應用于畜禽飼料工業。而飼用益生菌制劑是以有效的活菌數作為重要指標，產品中必須含有相當數量的活菌才能發揮作用。但是，隨著保存時間的延長，活菌數量不斷減少，其有效活菌數降低，影響其使用效果[7]。但枯草芽孢桿菌所特有的芽孢擁有非常驚人的休眠能力，普通條件下可保存幾年至幾十年的活性，可有效延長貯存期。

然而枯草芽孢桿菌飼用益生菌制劑芽孢產率低的問題依舊存在。并且國內枯草芽孢桿菌多采用固體發酵方式[8-10]進行生產，原料成本高、靈活性差，不便于機械化生產，而且菌體存活率和芽孢產率相對較低[11]。相較而言，液體發酵技術所采用的培養基原料來源廣泛、價格低廉，生產效率高，更有利于大規模生產，開發潛力大[12-13]。

通過優化枯草芽孢桿菌液體培養基成分及培養條件，以期獲得較高芽孢產率保證菌體活性，為飼用益生菌制劑生產企業提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種和培養基

菌種：枯草芽孢桿菌，青島農業大學中韓食品研究中心提供。

菌種活化培養基：營養瓊脂（NA） 3.3 g，無水氯化鈣0.005 g，七水硫酸鎂0.01 g，四水氯化錳0.01 g，蒸餾水100 mL。

液體種子培養基：營養肉湯（NB） 1.8 g， 無水氯化鈣0.007 5 g，七水硫酸鎂0.01 g，四水氯化錳0.02 g，蒸餾水100 mL。

1.1.2 儀器和試劑

YXQ-LS-50SII型立式壓力蒸汽滅菌器、HPX-9272MBE型電熱恒溫培養箱、JHT系列凈化工作臺、B203LED型生物顯微鏡、SHA-C型水浴恒溫振蕩器。試驗所用試劑均為國產分析純，所用水均為二次蒸餾水。

1.2 方法

1.2.1 菌種活化

將放置在4℃冰箱內保藏的枯草芽孢桿菌轉接至固體基礎培養基中，在45℃恒溫下培養24 h。

1.2.2 液體培養

沖洗固體平板，將活化后菌種轉接至液體培養基種子培養基中，按照液體基礎培養條件進行培養。

液體基礎培養條件：轉速100 r/min，溫度45℃，初始pH值7，接種量2%，裝液量100 mL/250 mL，培養時間3 d。

1.2.3 鏡檢

固體培養：利用五點取樣法從固體平板中取菌至無菌離心管內，制成菌懸液搖勻待用。

液體培養：吸取200μL菌體至無菌離心管內，制成菌懸液搖勻待用。

蘸取菌懸液至載玻片上，火焰固定，滴適量孔雀石綠，染色5 min，沖洗，待干后滴入適量番紅染液染色5 min，沖洗晾干待用。

在100倍油鏡下記錄細菌數與芽孢數，計算芽孢產率。

芽孢產率計算方法見公式（1）。

式中：A——芽孢產率，%；

a——芽孢個數，106CFU/mL；

b——菌體個數，106CFU/mL。

1.3 設計

1.3.1 培養基配方優化單因素試驗

（1） 不同MnCl2·4H2O用量對芽孢產率的影響。選取 5個 MnCl2·4H2O 用量 0.30，0.35，0.40，0.45，0.50 g，置于100 mL培養基，按照基礎培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（2） 不同MgSO4·7H2O用量對芽孢產率的影響。選取 5 個 MgSO4·7H2O用量 0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 g，置于100 mL培養基，按照基礎培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（3） 不同CaCl2用量對芽孢產率的影響。選取6個不同 CaCl2用量 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 g置于100 mL培養基，按照基礎培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（4） 不同K2HPO4·3H2O用量對芽孢產率的影響。選取 6 個 K2HPO4·3H2O 用量 0，0.10，0.20，0.30，0.40，0.50 g，置于100 mL培養基，按照基礎培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

1.3.2 培養基配方優化的正交試驗

根據單因素試驗結果以芽孢產率為指標，設計四因素三水平L9（34）正交試驗，確定最適培養基配方。

1.3.3 培養條件優化單因素試驗

（1） 不同初始pH值對芽孢產率的影響。選取4，5，6，7，8，9為初始pH值。使用1.3.2所得最佳培養基配方，按照基礎培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（2）不同裝液量對芽孢產率的影響。選取50，75，100，125，150，250 mL 6種裝液量。使用1.3.2所得最佳培養基配方，按照液體培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（3）不同培養時間對芽孢產率的影響。選取1，2，3，4，5 d 5種培養時間。使用1.3.2所得最佳培養基配方，按照液體培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

（4） 不同接種量對芽孢產率的影響。選取1%，2%，4%，6%，8%，10%6種接種量。使用1.3.2所得最佳培養基配方，按照液體培養方法進行培養，染色鏡檢，記錄芽孢數和菌體數，計算芽孢產率。

1.3.4 培養條件優化正交試驗

根據單因素試驗結果以芽孢產率為指標，設計四因素三水平L9（34）正交試驗，確定最適液體培養條件。

2 結果與分析

2.1 培養基配方優化單因素試驗結果

2.1.1 不同MnCl2·4H2O用量對芽孢產率的影響

錳離子是細胞中許多酶的激活劑，有利于枯草芽孢桿菌芽孢的生成[13]。

不同MnCl2·4H2O用量對芽孢產率的影響見圖1。

由圖1可知，隨著MnCl2·4H2O用量的增加，枯草芽孢桿菌芽孢產率呈現先升高后降低的趨勢。MnCl2·4H2O用量達到0.45 g時，芽孢產率達到48.1%，對枯草芽孢桿菌芽孢的生長顯現促進作用。因此，選取MnCl2·4H2O最佳用量為0.45 g。

圖1 不同MnCl2·4H2O用量對芽孢產率的影響

2.1.2 不同MgSO4·7H2O用量對芽孢產率的影響

鎂離子和硫離子，作為細胞中重要的酶激活劑，隨著添加量的變化會對菌體及芽孢的生長會產生不同的影響，根據結果分析枯草芽孢桿菌產率變化。

不同MgSO4·7H2O用量對芽孢產率的影響見圖2。

圖2 不同MgSO4·7H2O用量對芽孢產率的影響

由圖2可知，當MgSO4·7H2O用量為0.5 g時，芽孢產率達到55.2%，使芽孢產率得到顯著提升。但超過此用量，芽孢產率便開始降低，對芽孢生長產生不利影響。因此，選取MgSO4·7H2O最佳用量為0.5 g。

2.1.3 不同CaCl2用量對芽孢產率的影響

鈣離子是某些胞外酶的穩定劑、蛋白酶等的輔因子，也是細菌形成芽孢和某些真菌形成孢子所需要的重要元素[14]，分析枯草芽孢產率的變化。

不同CaCl2用量對芽孢產率的影響見圖3。

圖3 不同CaCl2用量對芽孢產率的影響

由圖3可知，在一定范圍內，隨著CaCl2用量升高，菌種產芽孢數量越多，芽孢產率也呈現上升趨勢。用量升至0.15g時，芽孢產率高達57.7%，對芽孢生長具有明顯促進作用；當繼續增加用量，該無機鹽對芽孢生長開始出現抑制作用，不利于芽孢產率的提升。因此，CaCl2最佳添加量為0.15 g。

2.1.4 不同K2HPO4·3H2O用量對芽孢產率的影響

不同K2HPO4·3H2O用量對芽孢產率的影響見圖4。

圖4 不同K2HPO4·3H2O用量對芽孢產率的影響

由圖4可知，最適K2HPO4·3H2O用量為0.2 g，此時芽孢產率為59.3%，對芽孢生長起到顯著促進作用，用量過高或過低都不利于芽孢的生長，所以選擇K2HPO4·3H2O最佳用量為0.2 g。

2.2 最適生長培養基確定

根據以上單因素試驗結果，以芽孢產率為指標考查錳離子、鎂離子、鈣離子、鉀離子的不同用量對芽孢產率的影響，設計四因素三水平L9（34）正交試驗，確定最適培養基條件。

L9（34）正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 L（934）正交試驗因素與水平設計/g

L9（34）正交設計及結果見表2，SPSS方差分析結果見表3。

表2 L9（34）正交設計及結果

由表2可知，極差R值的大小為D＞B＞C＞A，即影響枯草芽孢桿菌芽孢產率的主次順序為鉀離子＞鎂離子＞鈣離子＞錳離子；正交試驗方差分析結果（表3） 顯示，各因素各水平差異極顯著（p＜0.01），得出A1B1C2D3為最優水平。

表3 SPSS方差分析結果

對最優水平A1B1C2D3與試驗結果最優A2B1C2D3進行驗證對比試驗，A1B1C2D3的芽孢產率為64.8%，A2B1C2D3的芽孢產率為64.59%，表明A1B1C2D3的液體培養基更佳，最佳培養基組合為每100 mL培養基中錳離子0.4 g，鎂離子0.4 g，鈣離子0.15 g，鉀離子0.3 g。

2.3 培養條件優化單因素試驗結果

2.3.1 不同初始pH值對芽孢產率的影響

不同初始pH值對芽孢產率的影響見圖5。

圖5 不同初始pH值對芽孢產率的影響

由圖5可知，隨著培養基初始pH值的增加，產孢率呈現先上升后下降的趨勢，pH值為7時芽孢產率最大達64%，pH值過高或過低培養條件下芽孢產率均偏低，得出液體培養最優pH值為7。

2.3.2 不同裝液量對芽孢產率的影響

不同裝液量對芽孢產率的影響見圖6。

圖6 不同裝液量對芽孢產率的影響

由圖6可知，隨著裝液量的增加，產孢率呈現先上升后下降的趨勢；最適液體培養枯草芽孢桿菌芽孢生長的裝液量為100 mL/250 mL，此時枯草芽孢桿菌芽孢產率最大，為65%。

2.3.3 不同培養時間對芽孢產率的影響

不同培養時間對芽孢產率的影響見圖7。

圖7 不同培養時間對芽孢產率的影響

由圖7可知，隨著培養時間的增加，產孢率呈現先上升后下降的趨勢，最適液體培養枯草芽孢桿菌芽孢生長的培養時間為3 d，此時枯草芽孢桿菌芽孢產率最大，為67.7%。

2.3.4 不同接種量對芽孢產率的影響

不同接種量對芽孢產率的影響見圖8。

圖8 不同接種量對芽孢產率的影響

由圖8可知，隨著接種量的增加，產孢產率出現2個峰值，即接種量為2%時芽孢產率為68.6%，接種量為8%時芽孢產率為66.7%，考慮節省成本，選取2%為最佳接種量。

2.4 最適培養條件確定

設計四因素三水平L9（34）正交試驗，確定最適培養條件。

L9（34）正交試驗因素與水平設計見表4。

表1 L9（34）正交試驗因素與水平設計

L9（34）正交試驗設計及結果見表5，SPSS方差分析結果見表6。

由表 5 可知，極差 R'值大小為 B'＞D'＞C'＞A'，即影響枯草芽孢桿菌芽孢產率的主次順序為接種量＞培養時間＞初始pH值＞裝液量；正交試驗方差分析結果顯示，除裝液量外，各因素各水平差異極顯著（p＜0.01），得出 A'3B'3C'2D'2為最優水平。

表5 L9（34）正交試驗設計及結果

表6 SPSS方差分析結果

對最優水平A'3B'3C'2D'2與試驗結果最優A'3B'3C'2D'1進行驗證對比試驗，A'3B'3C'2D'2的芽孢產率為72.10%，A'3B'3C'2D'1的芽孢產率為70.50%，表明A'3B'3C'2D'2的液體培養條件更佳，即最優培養條件組合為裝液量125 mL/250 mL，接種量4%，初始pH值7，培養時間3 d。

3 結論

枯草芽孢桿菌芽孢生長的培養基配方為營養肉湯1.8 g，無水氯化鈣0.15 g，七水硫酸鎂0.40 g，四水氯化錳0.40 g，硫酸氫二鉀0.30 g每100 mL培養基；最佳產孢培養條件為初始pH值7，裝液量125 mL/250 mL，培養時間3 d，接種量4%，使液體培養枯草芽孢桿菌芽孢產率最終能達到72.1%。

結果表明，在培養基優化方面鉀元素對芽孢產率影響最為顯著，添加適當的K2HPO4·3H2O有助于維持和調節細胞滲透壓的，對于芽孢的生長可能產生不同程度的促進作用，在培養條件方面接種量對芽孢產率影響最為顯著，接種量會直接影響發酵情況，過大會引起溶氧不足，最佳接種量會有利促進芽孢產率的提升。

數據可作為工業生產的參考，部分培養基配方與培養條件還可進行進一步的探索研究，若應用于生產中，將會為飼料生產企業節約成本，增加收益。