高效代謝低聚木糖乳酸菌的選育及益生特性探究

杜詠怡，譚才鄧，卓雨菡，姜紅營，劉永英，董雪瑜，王玉珠，陳曉嘉，陳姍姍，黃 強

（廣東輕工職業技術學院，廣東廣州 510300）

乳酸菌是一類公認安全的益生菌，常見的有乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、嗜熱鏈球菌屬等，在腸道中共同維護著菌群生態平衡，起到抑制有害微生物群落、調節機體免疫力等作用[1-4]，對人體健康有重大意義，目前在乳制品、飲料、微生態制劑等領域展開應用[1-3]。低 聚 木 糖（Xylooligosaccharides，XOS）是一種寡聚糖，其甜度是蔗糖的30%～40%，具有性能穩定、耐酸耐高溫等特點。低聚木糖不能被人體直接代謝利用，但對機體可以起到降血糖、降血壓、改善脂質代謝、防便秘、護肝等作用[1，5-7]。此外，能被腸道中的益生菌利用，特別是對雙歧桿菌、乳桿菌等的增殖有積極影響[4-6]，是一種功能性寡糖類益生元。低聚木糖主要是當作益生元應用于醫藥、保健品行業，也作為添加劑應用于養殖飼料行業[6-7]，但在食品行業中的應用并不廣泛，目前多見應用于烘焙食品及乳制品中。由于低聚木糖具有發酵困難的特性，擬篩選出能高效代謝低聚木糖的乳酸菌，以期為低聚木糖應用于乳酸菌發酵產品的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 篩選原料

自然發酵牛乳、自然發酵羊乳、泡菜。

1.1.2 培養基

（1）平板篩選培養基。低聚木糖質量濃度20 g/L，蛋白胨質量濃度5 g/L，酵母粉質量濃度5 g/L，吐溫-80 含量1 mL/L，磷酸氫二鉀質量濃度2 g/L，乙酸鈉質量濃度5 g/L，檸檬酸三銨質量濃度2 g/L，七水硫酸鎂質量濃度0.2 g/L，四水硫酸錳質量濃度0.05 g/L，碳酸鈣質量濃度10 g/L，瓊脂粉質量濃度18 g/L，pH 值6.2。

（2）液態發酵培養基。低聚木糖質量濃度20 g/L，蛋白胨質量濃度5 g/L，酵母粉質量濃度5 g/L，磷酸氫二鉀質量濃度2 g/L，乙酸鈉質量濃度5 g/L，檸檬酸三銨質量濃度2 g/L，七水硫酸鎂質量濃度0.2 g/L，四水硫酸錳質量濃度0.05 g/L，pH 值6.2。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌株分離篩選

將篩選材料置于適量無菌水中，并進行梯度稀釋，選擇適宜梯度的稀釋樣液涂布于平板篩選培養基上，于37 ℃下培養3 d，分別測量菌落周圍透明圈直徑（H）與菌落直徑（C）的大小，挑取H/C 值大的菌落進行后續試驗。

1.2.2 菌株代謝木糖產乳酸性能試驗

將待測菌株分別接種于50 mL 液態發酵培養基中，于37 ℃的搖床中以轉速180 r/min 振蕩培養24 h制備成種子液。以10%的接種量將種子液轉接于新鮮的液態發酵培養基（低聚木糖質量濃度80 g/L）中，于37 ℃的搖床中以轉速150 r/min 振蕩培養5 d。每1 d 取適量發酵液，離心后取上清液，采用EDTA 定鈣法[8-9]進行乳酸含量的測定。

1.2.3 菌種分子鑒定

待測菌株用Ezup 柱式細菌基因組DNA 抽提試劑盒提取基因組DNA，用作模板用于PCR 反應擴增16S rDNA 基因片段。

PCR 擴增反應采用Takara 高保真PCR 聚合酶（PrimeSTAR HS DNA Polymerase）按說明書進行，反應程序為96 ℃預變性4 min；96 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸1.5 min，32 個循環；72 ℃終延伸5 min。

PCR 產物經瓊脂糖凝膠電泳檢測后，送至上海生工生物工程股份有限公司進行測序。將序列在NCBI 網站中進行同源性檢索，利用MEGA 6.0 軟件以Neighbor-Joining 法構建菌株系統發育樹。

1.2.4 菌株耐酸試驗

將菌株種子液以10%的接種量分別接種于空白對照、pH 值1.0～4.0 的液態發酵培養基中，于37 ℃的培養箱中靜置4 h，間隔1 h 取樣測定活菌數，計算存活率。

1.2.5 菌株耐膽鹽試驗

將菌株種子液按照10%的接種量分別接種于空白對照和牛膽鹽質量濃度3 g/L 的液態發酵培養基中，于37 ℃的培養箱中靜置8 h，間隔1 h 取樣測定活菌數，計算存活率。

1.2.6 模擬人工胃液試驗

配制pH 值2.0 和pH 值3.0 的胃蛋白酶液（膜過濾除菌）以模擬空腹和飽腹2 種狀態下的人工胃液。取5 mL 菌懸液，于4 ℃下以轉速4 000 r/min 離心10 min，用無菌生理鹽水清洗2 次后重懸于5 mL人工胃液中，于37 ℃條件下以轉速150 r/min 振蕩處理2 h，取樣測定活菌數，計算存活率。

1.2.7 活菌數測定及存活率計算

乳酸菌活菌數測定按國家標準“GB 4789.35—2016 食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 乳酸菌檢驗”進行。

乳酸菌存活率按以下公式計算：

式中：X——存活率，%；

N1——試驗各條件培養反應后測得的活菌數，CFU/mL；

N0——空白對照試驗測得的活菌數，CFU/mL。

2 結果與分析

2.1 菌株分離篩選

經過碳酸鈣平板分離篩選，以溶解圈直徑大小（H）與菌落直徑（C）之比為指標，篩選出H/C 值大的前12 株菌（見圖1）。其中，有5 株菌的H/C 值大于3.5，由高到低分別為6#（4.26）、5#（4.02）、1#（3.93）、11#（3.91）和2#（3.82），其他菌株的H/C 值均小于3.5。以這5 株菌進行后續試驗進行代謝木糖產乳酸性能試驗，以獲得最優菌株。

圖1 菌株分離篩選

菌株分離篩選見圖1。

2.2 菌株代謝木糖產乳酸性能試驗

菌株發酵液乳酸質量濃度測定見圖2。

圖2 菌株發酵液乳酸質量濃度測定

以獲得的5 株菌為研究對象，考查其發酵木糖產乳酸的性能。5#菌株和6#菌株均在2 d 的時候達到產酸峰值，之后呈微下降趨勢；1#、2#和11#菌株均在3 d 的時候達到產酸峰值，之后呈微下降趨勢，可見，5#和6#菌株代謝利用木糖的速率快于其他3 株菌。從發酵液中乳酸質量濃度峰值來看，其大小順序為6# ＞5# ＞1# ＞11# ＞2#，與初篩時菌株H/C 值的大小順序相符。綜上，6#菌株代謝木糖的速率快，產乳酸的量最高（達25.92 g/L）。因此，以6# 菌株為出發菌進一步進行研究，并將其命名為T-XOS-6。

2.3 菌株T-XOS-6 分子生物學鑒定

對菌株菌株T-XOS-6 進行分子生物學鑒定，通過PCR 反應獲得其16S rDNA 基因片段，經測序，其大小為1 528 bp。在NCBI 網站上進行BLAST 序列比對分析，選取同源性98%以上的菌株的16S rDNA 序列利用Mega 6.0 軟件以Neighbor-Joining 法構建系統發育樹，菌株T-XOS-6 與Lacticaseibacillus paracasei CD-M-1（OP 491976.1）位于同一分支中，屬于副干酪乳桿菌。

菌株T-XOS-6 基于16S rDNA 基因序列的系統發育樹見圖3。

圖3 菌株T-XOS-6 基于16S rDNA 基因序列的系統發育樹

2.4 菌株T-XOS-6 耐酸能力試驗

益生菌需要定植于動物腸道中才能發揮其益生作用，在攝入過程中需要抵御胃酸的作用，因此具有強耐酸能力是益生菌的一個重要指標。人體胃部的pH 值一般為2.0～4.0，試驗設置了pH 值1.0，2.0，3.0，4.0 這4 個梯度來探究菌株T-XOS-6 的耐酸能力。

菌株T-XOS-6 耐酸能力見圖4。

圖4 菌株T-XOS-6 耐酸能力

菌株T-XOS-6 在pH 值4.0 和pH 值3.0 的條件下維持非常高的存活率，第4 h 的存活率分別為98.62%和94.85%。菌株T-XOS-6 在pH 值2.0 的條件下維持較高存活率，第2 h 和第4 h 的存活率分別為88.76%和80.66%。pH 值1.0 的強酸性條件下，雖然菌株的耐受能力整體表現明顯下降（第2 小時和第4 小時的存活率分別為65.43%和48.29%），但第1 小時的存活率仍然有72.39%，說明其有明顯的抵抗強酸性的能力。綜上所述，菌株T-XOS-6 在pH 值2.0～4.0 范圍耐受能力強，具備抵抗人體大多數情況下胃部酸性環境能力。

2.5 菌株T-XOS-6 耐膽鹽能力試驗

益生菌定殖于腸道，需要耐受膽鹽的脅迫。膽鹽具有降低表面張力，使細菌的細胞膜損壞或菌體裂解，從而具有抑菌功能。人體腸道內的膽鹽質量濃度一般為0.3～3.0 g/L，食物通過一般在4 h 內完成，本研究將菌株T-XOS-6 的細胞置于牛膽鹽質量濃度3 g/L 的環境中處理8 h，以探究其耐受膽鹽脅迫的能力。

菌株T-XOS-6 耐膽鹽能力見圖5。

圖5 菌株T-XOS-6 耐膽鹽能力

菌株T-XOS-6 在3.0 g/L 膽鹽質量濃度的環境中，前4 h 的存活率均在95%以上（第4 小時為95.15%），表明其耐受膽鹽脅迫能力優秀；第5 小時的存活率在90%以上，6～8 h 的存活率在80%以上，說明此菌株能長時間耐受高濃度膽鹽脅迫。

2.6 菌株T-XOS-6 人工胃液耐受試驗

能否順利通過胃的消化而留存高的存活率是衡量益生菌有效性的一個重要指標，為了考查菌株T-XOS-6 耐受胃液處理的能力，試驗在體外進行模擬空腹和飽腹2 種狀態的試驗。

菌株T-XOS-6 耐受人工胃液能力見圖6。

圖6 菌株T-XOS-6 耐受人工胃液能力

由圖6 可知，隨著作用時間的延長，菌株存活率呈下降趨勢，飽腹狀態的下降趨勢明顯低于空腹狀態的下降趨勢，且同等的處理時間下飽腹狀態下的活菌數均高于空腹狀態；在飽腹狀態下，人工胃液處理1 h 時菌株的存活率為98.95%，2 h 時的存活率為95.19%；在空腹狀態下，處理1 h 時菌株的存活率為91.25%，2 h 時的存活率為84.02%。一般而言，食物通過胃部的時間是在2 h 內。因此，菌株T-XOS-6 耐受胃液的能力良好，符合微生態制劑的要求。

3 結論

利用低聚木糖作為培養基唯一碳源進行乳酸菌選育，獲得一株高效代謝低聚木糖的乳酸菌T-XOS-6，經分子生物學鑒定其為副干酪乳桿菌，與Lacticaseibacillus paracasei CD-M-1（OP 491976.1）位于同一分支。經初步研究，菌株T-XOS-6 代謝低聚木糖產生乳酸的速率高，在溫度37 ℃，轉速150 r/min的條件下發酵2 d 可使乳酸產量達到峰值。對菌株T-XOS-6 的耐酸、耐膽鹽、耐胃液等益生特性展開研究。結果表明，①菌株T-XOS-6 的耐酸能力強，在pH 值2.0 的條件下第2 小時和第4 小時的存活率分別為88.76%和80.66%，在強酸性（pH 值1.0）條件下處理1 h 的存活率仍然有72.39%；②菌株T-XOS-6 的耐膽鹽能力強，在高膽鹽（3 g/L）的條件下處理4 h，菌株存活率在95%以上；③菌株T-XOS-6 的耐胃液能力良好，模擬胞腹狀態下處理2 h 時菌株的存活率為95.19%，模擬空腹狀態下處理2 h 時菌株的存活率為84.02%。

低聚木糖是一種功能性寡糖類益生元，已在醫藥行業、保健品行業、養殖飼料行業中展開應用，目前也逐漸在食品行業中進行開發應用。隨著人們生活水平的提高，消費呈現多元化，消費者對產品質量、功能食品在生命健康方面的要求越來越高，把低聚木糖應用于乳酸菌發酵食品，將是功能性健康食品開發的一個方向，具有巨大的經濟效益與應用價值。因此，選育出的乳酸菌T-XOS-6 可為低聚木糖在功能性健康食品開發中提供益生菌菌種資源，具有良好的開發前景。