王麗軍,牟元珍,關 波*,萬麗云,張 艷,胡有貞,倪永清
(石河子大學食品學院,新疆 石河子 832003)
低聚半乳糖(galacto-oligosaccharides,GOS)是一類與人乳寡糖(human milk oligosaccharides,HMOS)結構近似,由數量不等的半乳糖單元,以葡萄糖或半乳糖單元為還原性末端,通過β-(1,4)、β-(1,6)、β-(1,3)等β-糖苷鍵構成的異質性低聚糖[1]。作為一類益生特性顯著的低聚糖,GOS無法被人類腸道消化吸收,能夠選擇性促進乳桿菌(Lactobacillussp.)和雙歧桿菌(Bifidobacteriumsp.)等益生菌的生長[2],從而改善腸道對礦物質的吸收、抑制病原菌并發揮調節機體免疫系統的作用[1,3-4]。GOS還具有良好的熱穩定性和耐酸性,加工性能良好,非常適合作為多種配方食品及飲料的膳食添加劑。20世紀90年代以來,GOS作為膳食補充劑先后在日本和歐洲上市。到2007年,全球GOS的產量已達25 000 t,市值超過1.3億 美元[5]。此外,生產GOS的原料乳清來源豐富且成本低,同時緩解了乳清帶來的環境污染問題。因此,在目前HMOS來源有限且合成困難的背景下[6-7],以GOS為代表的低聚糖在新生兒和嬰兒配方乳品中具有良好的應用前景,國內外市場潛力巨大[8]。
由于GOS具有富含羥基結構的半乳糖單元及葡萄糖單元,且單糖單元間可以由不同糖苷鍵連接,化學結構的復雜性使得作為膳食補充劑的GOS難以通過化學方法合成,因此,GOS的商業化生產主要以乳清中的乳糖為原料,通過微生物酶法催化合成。β-半乳糖苷酶(EC 3.2.1.23),又稱乳糖酶,常用于乳糖水解,可生成半乳糖和葡萄糖,某些微生物來源的β-半乳糖苷酶在水解乳糖分子的同時,還具有轉半乳糖基的活性,能夠以乳糖或葡萄糖分子作為半乳糖基受體合成GOS[1,3,9-11]。目前合成GOS的商業化β-半乳糖苷酶制劑主要來源于米曲霉(Aspergillus oryzae)、乳酸克魯維酵母(Kluyveromyces lactis)和環狀芽孢桿菌(Bacillus circulans)。目前3 種主要商業化菌株來源的β-半乳糖苷酶合成GOS的最適pH值和反應溫度存在明顯差異,GOS得率僅在30%左右,有些β-半乳糖苷酶對乳糖的水解活性顯著強于轉糖基活性,且合成GOS的鍵型主要以β-(1,4)糖苷鍵為主,產品的益生指數偏低[5],因此,迫切需要篩選更適合GOS合成的β-半乳糖苷酶新酶源。
雙歧桿菌、乳桿菌等乳酸菌具有一般公認安全(generally regarded as safe,GRAS)的優勢,使得其所生產的β-半乳糖苷酶可不經精細純化即可應用于GOS合成。有研究發現來源于雙歧桿菌、乳桿菌菌株的β-半乳糖苷酶偏好合成β-(1,6)和β-(1,3)糖苷鍵型的GOS[12],對腸道細菌的生長及代謝活性有更好的選擇性[13-15],因此雙歧桿菌、乳桿菌等乳酸菌來源的β-半乳糖苷酶更適合高益生指數GOS的合成。
基于以上研究背景,本研究從新疆伊犁地區少數民族傳統奶酪樣品中分離篩選產轉糖基活性β-半乳糖苷酶的乳酸菌菌株,進一步對篩選菌株產β-半乳糖苷酶培養條件、以乳糖為底物合成GOS的反應條件及產物成分進行研究,以期為高益生指數GOS的合成提供新的食品級產酶菌株。
奶酪樣品取自新疆伊犁地區牧民家中,為半干型奶酪。樣品置于無菌樣品袋中低溫運回實驗室,4 ℃條件下保存備用。
MRS種子培養基:瓊脂粉20 g/L、蛋白胨10 g/L、牛肉浸粉10 g/L、酵母浸粉5 g/L、葡萄糖20 g/L、K2HPO45 g/L、檸檬酸銨2 g/L、乙酸鈉5 g/L、MgSO4·7H2O 0.58 g/L,吐溫-80 1 mL/L,MnSO40.25 g/L,pH 6.3,121 ℃滅菌20 min。
發酵培養基:K2HPO42 g/L、醋酸鈉5 g/L、檸檬酸二銨2 g/L、MgSO4·7H2O 2 g/L、MnSO4·4H2O 0.05g/L,吐溫-80 1 mL/L,pH 6.3(其他成分在優化培養時注明),121 ℃滅菌20 min。
5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-半乳糖(X-Gal)、異丙基硫代半乳糖苷(isopropyl-D-thiogalactopyranosid,IPTG)、鄰硝基苯-β-D-半乳糖苷(o-nitrophenyl-β-D-galactopyranoside,ONPG) 生工生物工程(上海)股份有限公司;所用生化溶劑均為國產分析純。
Silica gel 60 No.553薄層色譜(thin layer chromatography,TLC)板 德國Merck公司;104G-102型梯度熱循環聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)擴增儀德國SensoQuest公司;X7酶標儀 美國BioTek有限公司;LC-10A高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)(RID-10A視差檢測器) 島津(上海)實驗器材有限公司;Hi-Plex Na Column糖分析柱(300 mm×7.7 mm) 安捷倫科技(中國)有限公司。
1.3.1 樣品處理及菌株的分離及初篩
取保存的奶酪樣品適量,在超凈工作臺內取出,置于已滅菌的50 mL離心管中,以滅菌生理鹽水充分振蕩分散后,無菌生理鹽水梯度稀釋(10-3、10-4、10-5),每個稀釋度吸取100 μL懸液均勻涂布到添加有X-Gal和IPTG的MRS培養基平板上,37 ℃恒溫培養12~16 h,以菌落的藍白色作為初篩依據,挑選藍色菌落分離純化3 次。
1.3.2 粗酶液提取及β-半乳糖苷酶活力測定
細胞的破碎及粗酶液提取參考Zhang Hongzhi等[16]的方法,稍有修改。藍色單菌落于MRS液體培養基中培養12 h,8 000×g冷凍離心10 min收集細胞,用等體積50 mmol/L磷酸緩沖液(pH 6.5)洗滌3 次,用上述緩沖液配制的1 mg/mL溶菌酶緩沖液37 ℃孵育處理2 h,冰浴條件下超聲破碎(工作3 s停8 s、功率125 W、時間15 min),8 000×g冷凍離心10 min,取上清液即為粗酶液。取50 μL粗酶液與50 μL 50 mmol/L磷酸緩沖液(pH 6.5)配制的ONPG溶液,于一定溫度下反應10 min,反應結束后加入200 μL 0.5 mol/L的碳酸鈉溶液終止反應,靜置5 min后,肉眼可見顯黃色,于420 nm波長處測定吸光度,計算酶活大小。酶活單位定義為:在一定的條件下,1 min水解ONPG生成1 μmol鄰硝基苯酚的酶量為1 個酶活單位(U)。
1.3.3 菌株的形態學觀察和生理生化實驗
目的菌株接種于營養瓊脂培養基37 ℃培養24 h,觀察菌落形狀、色澤、透明度、致密度等培養特征。挑取一環菌體涂于載玻片進行革蘭氏染色,鏡檢。通過過氧化氫酶實驗、糖發酵實驗、淀粉水解實驗、明膠液化實驗和硫化氫實驗測定其生理生化特性,參照文獻[17]中相關描述進行鑒定。
1.3.4 16S rRNA基因的克隆及其序列分析
提取基因組DNA進行16S rRNA基因擴增,擴增產物使用試劑盒進行純化回收,純化的目的產物與pMD19-T Cloning Vector進行連接,從轉化成功的平板培養基上任意挑取白斑單菌落于LB液體培養基中,37 ℃培養箱中過夜培養,吸取1 μL菌液擴增菌液PCR,菌液PCR產物用瓊脂糖凝膠電泳進行鑒定,進而得到陽性克隆。提取得到的質粒使用M13 Forward Primer、M13 Reverse Primer引物進行序列分析。將測序結果提交于GenBank數據庫,BLAST進行在線序列同源性分析,從數據庫獲得相關種屬的16S rRNA序列,建立系統發育樹,進化距離的計算采用Neighbor-Joining法,在MEGA 6.0軟件中用p-distances和Kimura-2 parameter雙參數法進行系統發育樹的構建,選用Bootstrap法評價進化樹分支聚類的穩定性,重復1 000 次,初步確定產酶菌株的種屬分類地位。
1.3.5 菌株產酶條件優化
1.3.5.1 碳源
在發酵培養基中分別加入不同的碳源組合:20 mg/mL葡萄糖、20 mg/mL乳糖、20 mg/mL蔗糖、20 mg/mL半乳糖、10 mg/mL葡萄糖+10 mg/mL半乳糖及10 mg/mL葡萄糖+10 mg/mL乳糖,37 ℃搖床培養12 h,分別測定發酵液中的酶活。
1.3.5.2 乳糖質量濃度
在發酵培養基中分別加入不同質量濃度的乳糖(5、10、20、30 mg/mL),37 ℃搖床培養12 h,分別測定發酵液中的酶活。
1.3.6 生長曲線和產酶曲線的測定
將菌種接種到5 mL優化過的發酵培養基中,30 ℃過夜培養后,以2 %接種量轉接到新鮮的10 mL MRS培養基中,30 ℃培養,每間隔4 h取樣,測定菌體濃度(OD600nm)和發酵液中的β-半乳糖苷酶酶活。
1.3.7 β-半乳糖苷酶轉糖基活性的測定及反應條件的優化
取超聲破碎獲得的粗酶液50 μL(50 mg濕菌體),與300 μL 300 mg/mL的乳糖溶液反應,50 ℃反應12 h,于100 ℃處理10 min終止反應,反應液以無水乙醇稀釋至糖質量濃度10 mg/mL,然后TLC分析反應產物測定β-半乳糖苷酶的轉糖基活性。
轉糖基反應條件的優化,取超聲破碎獲得的粗酶液50 μL(50 mg濕菌體),與300 μL乳糖溶液反應,分別在不同pH值(以pH 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸鈉緩沖液配制乳糖溶液)、初始乳糖質量濃度(以pH 6.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸鈉緩沖液配制100、200、300、400 mg/mL的乳糖溶液)、反應溫度(45、50、55、60 ℃)及反應時間(2、4、6、12、24 h)的條件下進行酶催化轉糖基反應,TLC分析轉糖基產物,確定酶催化反應的最佳條件。
1.3.8 TLC分析
參考盧麗麗等的方法[18]。取活化過的硅膠鋁板一塊,毛細管點樣后以正丁醇-乙醇-水(5∶3∶2,V/V)為展層劑上行展層,層析至距離頂端1 cm處,取出用吹風機吹干,然后以顯色劑(苯胺-二苯胺-磷酸)噴霧,于120 ℃烘箱中烘10 min,各種糖即顯出不同顏色的斑點,將薄板掃描后,通過軟件ImageJ 1.40對樣品中轉糖基反應產物的斑點進行定量分析。1.3.9 HPLC分析
參考盧麗麗等的方法[18]。轉糖基產物以三蒸水稀釋為50 mg/mL的糖溶液,0.22 μm濾膜過濾后HPLC進樣分析。色譜柱為Hi-Plex Na低聚糖分析柱,流動相為三蒸水,流速0.3 mL/min,柱溫80 ℃,進樣量20 μL。
酶活測定數據為3 次平行測定結果;TLC分析采用軟件ImageJ 1.40對糖斑點進行掃描定量,確定糖組分的含量;HPLC分析采用島津LabSolutions色譜數據處理系統進行峰面積積分,確定糖組分的含量,所有數據統計采用Excel軟件,圖表采用Origin Pro 8軟件繪制。
2.1.1 轉糖基活性β-半乳糖苷酶產生菌的篩選
分離純化得到的可培養物在含有X-gal的MRS平板上劃線分離,得到32 株菌落為藍色的菌株,表明這32 株菌具有β-半乳糖苷酶活性。收集初篩菌株的菌體細胞,破碎得到粗酶液,以乳糖為底物進行轉糖基反應進行復篩,產物采用TLC分析,結果如圖1所示,獲得具有轉糖基活性的菌株6 株,其中菌株YLBGNL-S7的轉糖基活性最強,因此對該菌株開展進一步的研究。

圖1 TLC分析復篩菌株的轉糖基反應產物Fig. 1 TLC analysis of the transglycosylation reaction products produced by selected strains
2.1.2 形態學及生理生化特征
形態學觀察顯示,菌株YLBGNL-S7在MRS培養基上形成圓形菌落,邊緣整齊,表面光滑,呈乳白色;菌體桿狀,革蘭氏染色陽性。
菌株YLBGNL-S7的生理生化特征見表1,該菌株能發酵葡萄糖、乳糖,不能發酵阿拉伯糖、鼠李糖、木糖,且淀粉水解實驗、明膠水解實驗、硫化氫產生實驗結果均為陰性。這些特征與乳酸桿菌的特征極為相似,初步斷定該株菌為乳桿菌。

表1 菌株YLBGNL-S7的生理生化特性Table 1 Physiological and biochemical characteristics of strain YLBGNL-S7
2.1.3 16S rRNA基因的克隆及其序列分析
對菌株YLBGNL-S7的16S rRNA基因序列進行擴增,獲得大小約為1 500 bp的擴增片段(GenBank登錄號為MH917109)。將擴增所得基因序列與GenBank數據庫中的序列進行同源性比對,比對結果顯示,菌株YLBGNL-S7的16S rRNA基因序列與多株L. plantarum的16S rRNA基因序列相似性均達到99%。系統進化分析(圖2)顯示YLBGNL-S7與L. plantarumJCM 13899(LC311069.1)、L. plantarumDJ-04(KF929420.1)、L. plantarumA16(MG754631.1)及L. plantarumNi344(AB601168.1)等菌株以100%的支持率聚成一簇。結合生理生化實驗,將菌株YLBGNL-S7鑒定為L. plantarumYLBGNL-S7。

圖2 菌株YLBGNL-S7的系統進化分析Fig. 2 Phylogenetic tree of strain YLBGNL-S7
2.2.1 碳源對產酶的影響
為確定L. plantarumYLBGNL-S7產酶的最佳碳源,分別以不同的碳源組合的發酵培養基,37 ℃搖床培養12 h,測定菌株的生物量OD600nm及產β-半乳糖苷酶酶活,結果如圖3所示,不同碳源條件下菌株的生物量無明顯差異,但以乳糖為單一碳源時YLBGNL-S7菌株產β-半乳糖苷酶的酶活最高,可達(84.5±2.9)U/mL,顯著高于其他碳源(組合),表明該菌株所產β-半乳糖苷酶為誘導酶。

圖3 碳源對產β-半乳糖苷酶的影響Fig. 3 Effect of carbon source on the production of β-galactosidases
2.2.2 乳糖質量濃度對產酶的影響
進一步對不同乳糖質量濃度條件下YLBGNL-S7菌株產β-半乳糖苷酶的水平進行測定,結果表明(圖4),乳糖質量濃度為10 mg/mL時,最適合該菌株發酵產β-半乳糖苷酶。

圖4 乳糖質量濃度對產β-半乳糖苷酶的影響Fig. 4 Effect of lactose concentration on the production of β-galactosidases
2.2.3 菌株的產酶曲線與生長曲線
在以上單因素試驗優化的基礎上,將L. plantarum YLBGNL-S7菌株接種于改良的MRS培養基中,37 ℃搖床培養至24 h,產酶曲線顯示該菌株在培養18 h左右時產酶水平最高,可達(157.1±7.9) U/mL(圖5)。

圖5 YLBGNL-S7菌株產β-半乳糖苷酶曲線及生長曲線Fig. 5 β-Galactosidase production curve and growth curve of strain YLBGNL-S7
2.3.1 pH值對GOS合成的影響
分別以pH 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸鈉緩沖液配制乳糖溶液,55 ℃進行轉糖基反應,TLC分析不同反應pH值條件的產物(圖6)。結果表明,pH 6.0為轉糖基反應的最適pH值。

圖6 TLC分析pH值對GOS合成的影響Fig. 6 Effect of pH on GOS synthesis
2.3.2 初始乳糖質量濃度對GOS合成的影響
隨著初始乳糖質量濃度的增加,轉糖基反應產物中GOS的量逐漸增加(圖7),當初始乳糖質量濃度為300 mg/mL時,轉糖基反應生成GOS的得率最高。

圖7 TLC分析初始乳糖質量濃度對GOS合成的影響Fig. 7 Effect of initial lactose concentration on GOS synthesis
2.3.3 反應溫度對GOS合成的影響
用pH 6.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸鈉緩沖液配制300 mg/mL的乳糖溶液,分別在45、50、55、60 ℃進行轉糖基反應,TLC分析其產物。結果顯示(圖8)轉糖基反應的最適溫度為50 ℃。

圖8 TLC分析反應溫度對GOS合成的影響Fig. 8 Effect of reaction temperature on GOS synthesis
2.3.4 反應時間對GOS合成的影響
隨著反應的進行,反應液中乳糖含量不斷降低,反應4 h轉糖基反應生成的GOS含量最高,繼續反應,轉糖基反應產物中的GOS含量逐漸降低(圖9),因此確定該β-半乳糖苷酶以乳糖為底物合成GOS的最佳反應時間為4 h。

圖9 TLC分析反應時間對GOS合成的影響Fig. 9 Effect of reaction time on GOS synthesis
基于TLC分析的實驗結果,取pH 6.0,初始乳糖質量濃度為300 mg/mL,50 ℃條件下轉糖基反應4 h的GOS產物進行HPLC分析,結果見圖10。其中保留時間為34.375 min的峰為半乳糖,保留時間為32.022 min為葡萄糖,26.740 min為二糖(乳糖和轉移二糖未分離),22.522 min為低聚半乳三糖,6.758~19.485 min之間的峰為三糖以上的低聚半乳糖成分。
根據峰面積計算,最適反應條件下轉糖基產物中葡萄糖質量分數為29.84%,半乳糖質量分數為15.28%,二糖(包括乳糖和轉移二糖)質量分數為29.77%,轉移三糖質量分數為12.95%,轉移三糖以上的GOS質量分數為12.17%。結合TLC分析中乳糖與轉移二糖斑點的掃描結果,確定乳糖質量分數為11.48%,轉移二糖質量分數為18.29%。因此,可確定以L. plantarum YLBGNL-S7所產β-半乳糖苷酶催化乳糖合成GOS的得率為43.40%,GOS成分以轉移二糖和轉移三糖為主,分別為18.29%和12.95%,殘余乳糖質量分數僅為11.48%。

圖10 轉糖基反應產物的HPLC分析Fig. 10 HPLC analysis of transglycosylation reaction productions
β-半乳糖苷酶以乳糖為底物既能分解生成半乳糖和葡萄糖,也能在一定條件下通過轉半乳糖基反應合成GOS。以乳糖為底物反應合成GOS的得率主要取決于β-半乳糖苷酶本身的特性及乳糖質量濃度、水活度、溫度、pH值等反應條件[5,19]。不同來源的β-半乳糖苷酶其乳糖水解活性與轉糖基活性相對比例差異較大[20]。近期分離的產轉糖基活性較高的β-半乳糖苷酶菌株主要有成團腸桿菌[18]、枯草芽孢桿菌[21]、嗜熱脂肪地芽孢桿菌[22]、巴倫葛茲類芽孢桿菌[23]、馬克思克魯維酵母[24-25]、曲霉[26]、青霉[27]以及部分古生菌[28-29]。
與A. oryzae等菌株可分泌表達β-半乳糖苷酶不同,乳酸菌來源的β-半乳糖苷酶通常為胞內酶。但乳酸菌作為GRAS的微生物類群,賦予其生產的酶在食品加工中不經特別純化即可應用的優勢。因此,本研究選擇新疆伊犁地區少數民族傳統奶酪樣品進行分離篩選,并成功獲得產轉糖基活性較高的β-半乳糖苷酶乳酸菌6 株。對其中轉糖基活性最高的YLBGNL-S7菌株進行生理生化和16S rRNA基因序列比對分析,確定該菌株為植物乳桿菌(L. plantarum)。近年來,除兩歧雙歧桿菌[13]和植物乳桿菌[30-31]外,國內外研究者還相繼從羅伊氏乳桿菌[14]、戊糖乳桿菌[32]、米酒乳桿菌[33]、馬乳酒樣乳桿菌[34]、嗜熱鏈球菌[35]等乳酸菌菌株中分離獲得具有轉糖基活性的β-半乳糖苷酶。
此外,已有來源于人唾液L. plantarum WCFS1及來源于傳統泡菜L. plantarum 70810的β-半乳糖苷酶合成GOS的報道[16,30],但來源于奶酪的乳源L. plantarum β-半乳糖苷酶合成GOS的研究鮮見報道。對比不同來源L. plantarum產β-半乳糖苷酶水平可以發現,本研究分離篩選的乳源L. plantarum YLBGNL-S7和泡菜來源L. plantarum 70810在乳糖為碳源的MRS培養基中產β-半乳糖苷酶水平相差約30 倍((157.1±7.9)U/mL和5~6 U/mL),表明乳源L. plantarum產β-半乳糖苷酶及分解利用乳糖能力顯著強于泡菜來源L. plantarum?;谌闂U菌屬菌株基因組學的研究也證明,不同環境來源的相同種屬乳桿菌的代謝特點與其生活環境密切相關,特別是一些碳水化合物代謝相關酶的基因在乳桿菌屬不同種菌株之間會存在較大的差異[36]。
研究表明,A. oryzae來源β-半乳糖苷酶的最適轉糖基反應pH 4.5,B. circulans的最適pH 6.0,而K. lactis的最適pH 7.0[1]。本研究中L. plantarum YLBGNL-S7所產β-半乳糖苷酶以乳糖為底物合成GOS的最適pH 6.0,表明其較為適合于牛乳和乳清中乳糖的水解。YLBGNL-S7所產β-半乳糖苷酶在初始乳糖質量濃度為100~400 mg/mL及45~60 ℃的溫度范圍內均可有效合成GOS,表明該β-半乳糖苷酶能夠在較寬的乳糖質量濃度及溫度范圍內催化合成GOS。
本研究中從奶酪樣品中篩選的L. plantarum YLBGNL-S7所產β-半乳糖苷酶在初始乳糖質量濃度為300 mg/mL、pH 6.0、50 ℃的條件下反應4 h,GOS的得率最高達到43.40%,高于人唾液來源L. plantarum WCFS1的41%[30],略低于泡菜來源L. plantarum 70810的44.3%[16],但高于商業化菌株B. circulans來源的β-半乳糖苷酶合成GOS的得率40%[5]。與K. lactis來源β-半乳糖苷酶以乳糖為底物的轉糖基反應產物主要為轉移二糖不同[19],YLBGNL-S7合成GOS產物中轉移二糖和轉移三糖質量分數分別為18.29%和12.95%,殘余乳糖質量分數僅為11.48%,與L. plantarum WCFS1來源β-半乳糖苷酶合成GOS中轉移二糖質量分數為19%、轉移三糖質量分數為21%、轉移四糖質量分數1.3%,殘余乳糖質量分數為15%較為接近[30]。然而,不同來源L. plantarum所產β-半乳糖苷酶合成GOS的糖苷鍵類型是否存偏好性的差異,還有待進一步研究。
本研究從新疆伊犁地區少數民族傳統奶酪中篩選獲得的一株產轉糖基活性β-半乳糖苷酶的新菌株,形態學、生理生化及分子生物學鑒定為L. plantarum YLBGNL-S7。該菌株在以乳糖為碳源的MRS培養基中發酵產β-半乳糖苷酶水平可達(157.1±7.9)U/mL,其所產β-半乳糖苷酶在50 ℃、pH 6.0、乳糖質量濃度300 mg/mL反應4 h,反應產物GOS得率可達43.40%,該菌株為酶法合成GOS提供了新的食品級酶源。