桑枝低聚糖促枯草芽孢杆菌增殖工艺优化及其对产短链脂肪酸的作用

李仕培1,2,朱向阳3,邹宇晓2,杨琼2,王弘1 *,黎尔纳2 *

(1.华南农业大学 食品学院,广东 广州 510642;2. 广东省农业科学院 蚕业与农产品加工研究所,农业农村部功能食品重点实验室,广东省农产品加工重点实验室,广东 广州 510610;3. 广西五和博澳药业有限公司,广西 河池 546399)

摘 要: 为确定促进枯草芽孢杆菌增殖的最佳桑枝低聚糖酶解条件,以枯草芽孢杆菌增殖率为指标,利用单因素试验探究酶添加量、酶解温度和酶解时间对增殖率的影响,结合响应面法优化桑枝低聚糖的酶解工艺,并探究桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产短链脂肪酸的影响。结果表明,最佳的桑枝低聚糖酶解工艺条件为酶添加量1 008 U/mL、酶解温度45 ℃、酶解时间4 h,该条件下枯草芽孢杆菌增殖率为(190.17±3.74)%。优于同等质量浓度下桑枝多糖对枯草芽孢杆菌的增殖率,此外桑枝低聚糖可以显著提高枯草芽孢杆菌产乙酸和丙酸的能力。桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌具有良好的促增殖潜力。

关键词: 桑枝低聚糖;枯草芽孢杆菌;增殖作用;工艺优化;短链脂肪酸

桑枝是蚕桑产业中的副产品,也是一种常用的中药,含有多种活性物质[1]。桑枝多糖是其中的重要活性物质,由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、半乳糖醛酸组成[2],具有降血糖、免疫调节等作用[3-4]

多糖的活性与其分子质量相关,小分子糖更容易被吸收利用,活性更强[5]。由于生物酶解法条件温和、特异性好、反应速度快,是降解多糖常用方法。大分子多糖经过酶解后,分子量降低,形成低聚糖,功能活性增强,其中增殖益生菌的功能尤为引人注目。研究表明低聚糖与益生菌具有协同作用[6-8],Hu 等[9]发现与桑叶多糖相比,用半纤维素酶水解桑叶多糖得到的酶解产物对双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌和嗜酸乳杆菌的生长有更强的促进作用,经生物酶解修饰的桑椹多糖和桑枝多糖可以有效提升其对益生菌的增殖效果[10-11]

枯草芽孢杆菌是一种公认安全(generally recognized as safe,GRAS)的益生菌,广泛用于发酵豆制品制作中[12-13],在食品工业与饲料工业等领域中具有较大的发展潜力。枯草芽孢杆菌在发酵过程中会产生多种代谢物质[14],如细菌素、活性肽、短链脂肪酸等,枯草芽孢杆菌还能调节肠道菌群,保护肠道健康[15-16]。研究表明,植物多糖对枯草芽孢杆菌有促增殖效果[17-18],但对其产短链脂肪酸能力的影响鲜有报道。

目前,国内外对桑枝低聚糖益生作用的研究较少,因此本试验以桑枝多糖为原料,利用β-甘露聚糖酶对多糖酶解制备桑枝低聚糖,以枯草芽孢杆菌增殖率为指标利用响应面法优化酶解工艺,最后探究桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产短链脂肪酸的影响,考察桑枝低聚糖的益生活性,以期为桑枝低聚糖在食品工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

桑枝多糖:北京五和博澳药业有限公司;枯草芽孢杆菌(BNCC188062):河南省工业微生物菌种工程技术研究中心;LB 液体培养基:广东环凯微生物科技有限公司;β-葡聚糖酶(50 U/mg)、木聚糖酶(6 000 U/mg)、β-淀粉酶(50 U/mg)、糖化酶(100 U/mg)、纤维素酶(400 U/mg)、β-甘露聚糖酶(50 U/mg):上海瑞永生物科技有限公司;低聚果糖(fructooligosaccharides,FOS)、低聚异麦芽糖(isomaltooligosaccharides,IMO)、低聚半乳糖(galactooligosaccharides,GOS):上海源叶生物科技有限公司;乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸标准品(均为色谱纯):上海易恩化学技术有限公司。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-2FD 型洁净工作台:苏州安泰空气技术有限公司;ALC-210.4 型分析天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;Biofuge Stratos Sorvall 型高速冷冻离心机:美国Thermo Fisher 公司;THZ-C-1 型台式冷冻恒温振荡器:江苏省太仓市华美生化仪器厂;HWS26型电热恒温水浴锅、DHP-9082 型电热恒温培养箱:上海一恒科学仪器有限公司;GC-2010Plus 气相色谱仪:日本岛津公司。

1.3 试验方法

1.3.1 枯草芽孢杆菌菌悬液的制备

取-80 ℃保存的枯草芽孢杆菌(BNCC188062)接种于LB 液体培养基中,置于37 ℃、180 r/min 电热恒温培养箱中恒温培养24 h,取少量菌液,接种到新鲜的LB 液体培养基中,置于37 ℃、180 r/min 电热恒温培养箱中培养18 h,得到已活化的枯草芽孢杆菌菌悬液。

1.3.2 活菌总数及增殖率的测定

枯草芽孢杆菌活菌总数参考GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》中的菌落计数法测定。以普通LB 培养基作空白对照组,并将其活菌总数设置为100%,枯草芽孢杆菌增殖率计算公式如下。

式中:X 为枯草芽孢杆菌增殖率,%;T1 为多糖与枯草芽孢杆菌共培养后活菌总数,CFU/mL;T0 为空白对照活菌总数,CFU/mL。

1.3.3 不同质量浓度的桑枝多糖对枯草芽孢杆菌增殖率的影响

以LB 培养基作为基础培养基,分别加入不同质量的桑枝多糖,使桑枝多糖质量终浓度分别达到2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mg/mL。枯草芽孢杆菌菌悬液与培养基按2% 接种,置于37 ℃、180 r/min 培养箱中培养18 h,采用稀释涂布平板法,按1.3.2 中方法测定活菌总数。

1.3.4 桑枝低聚糖液体培养基的制备

预试验对比利用β-葡聚糖酶、木聚糖酶、β-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶和β-甘露聚糖酶制备的桑枝低聚糖,其中β-甘露聚糖酶制备的低聚糖对枯草芽孢杆菌增殖率最高。添加β-甘露聚糖酶到桑枝多糖溶液,调节至酶添加量为1 000 U/mL,50 ℃水浴加热4 h,沸水浴10 min 灭酶,冷却后离心(25 ℃、4 000 r/min、10 min)后取上清液即为桑枝低聚糖样品,加入适量的LB 培养基,溶解,制成桑枝低聚糖液体培养基,灭菌后备用。

1.4 桑枝低聚糖酶法制备单因素条件优化

以桑枝多糖质量浓度10 mg/mL、β-甘露聚糖酶添加量1 000 U/mL、酶解温度50 ℃、酶解时间4 h 作为基础条件,控制其他条件的水平,以枯草芽孢杆菌增殖率为指标,分别探究酶添加量(500、750、1 000、1 250、1 500 U/mL)、酶解温度(40、50、60、70 ℃)、酶解时间(2、3、4、5、6 h)对桑枝低聚糖促枯草芽孢杆菌增殖率的影响。

1.5 响应面法优化桑枝低聚糖酶解工艺

综合单因素试验的试验结果,以酶解温度(A)、酶解时间(B)、酶添加量(C)为自变量,以枯草芽孢杆菌增殖率为响应值,采用Box-Behnken 响应面设计法对酶解条件在三因素三水平上进行工艺参数的优化。响应面试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface experiment

水平-1 01因素A 酶解温度/℃40 50 60 B 酶解时间/h 345 C 酶添加量/(U/mL)750 1 000 1 250

1.6 短链脂肪酸的测定

将已活化的枯草芽孢杆菌接种至桑枝低聚糖发酵培 养 基 中,37 ℃培 养18 h,4 ℃、4 000 r/min 离 心10 min 取上层清液,用0.22 μm 孔径过滤器收集样品,使用气相色谱法分析短链脂肪酸浓度。

用外标法测定样品中短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)含量,用乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸作标准曲线。检测器为氢火焰检测器,气相色谱测定条件:DB-FFAP(30 m×0.25 mm×0.25 μm)色谱柱;升温程序70 ℃保 持10 min,以10 ℃/min 升 温 至220 ℃保 持5 min,以10 ℃/min 升温至240 ℃保持5 min;汽化室温度240 ℃,检测器温度240 ℃;以N2 作为载气,载气流速为1.92 mL/min,分流比为1∶5,样品进样量为1 mL。

1.7 数据分析

试验数据通过3 次平行重复获得平均值,利用Excel 和SPSS 进行数据处理与分析,数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 桑枝多糖质量浓度对枯草芽孢杆菌增殖率的影响

桑枝多糖的质量浓度对枯草芽孢杆菌增殖率的影响如图1 所示。

图1 桑枝多糖质量浓度对枯草芽孢杆菌增殖率的影响
Fig.1 Effect of polysaccharide concentration of R. mori on the proliferation rate of B. subtilis

由图1 可知,桑枝多糖对枯草芽孢杆菌的生长影响表现出低浓度促进,高浓度抑制。桑枝多糖的质量浓度为2.5~10.0 mg/mL 时,枯草芽孢杆菌的增殖率随桑枝多糖的质量浓度增加而增加,并且在10.0 mg/mL时,枯草芽孢杆菌的增殖率达到最高值为(153.70±1.89)%。结果与邵丽玮等[19]和白海等[20]的研究结果一致,可能由于碳源浓度增加,导致渗透压上升,引起枯草芽孢杆菌发生细胞皱缩,影响其生长,其次,桑枝多糖黏度随着多糖浓度增加而上升[21],不利于枯草芽孢杆菌利用,从而导致增殖率下降。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 酶添加量对枯草芽孢杆菌增殖率的影响

酶添加量对桑枝低聚糖粗增殖效果的影响如图2所示。

图2 酶添加量对枯草芽孢杆菌增殖率的影响
Fig.2 Effect of enzyme addition on the proliferation rate of B. subtilis

由图2 可知,随着酶添加量的增加,酶解制得的桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌增殖率呈现先上升后下降的趋势,酶添加量为1 000 U/mL 时,枯草芽孢杆菌增殖率达到最高,为(185.3±1.90)%。酶添加量大于1 000 U/mL时,桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌增殖率降低。

益生菌对多糖的利用取决于相对分子质量、糖苷键等[5],多糖通过生物酶降解后,生物活性得到增强,小分子糖更容易被益生菌利用,促进其增殖[9]。酶添加量大于1 000 U/mL 时,随着酶添加量的增加,桑枝低聚糖的分子量进一步降低,可被益生菌利用的糖苷键被破坏,使得低聚糖的益生活性降低[22]。因此,选择酶添加量为750、1 000、1 250 U/mL 进行后续响应面试验。

2.2.2 酶解温度对枯草芽孢杆菌增殖率的影响

酶解温度对桑枝低聚糖促增殖效果影响如图3所示。

图3 酶解温度对枯草芽孢杆菌增殖率的影响
Fig.3 Effect of enzyme digestion temperature on the proliferation rate of B. subtilis

由图3 可知,酶解温度为50 ℃时,桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌的增殖作用最强,枯草芽孢杆菌增殖率为(183.81±1.60)%,酶解温度超过50 ℃时,枯草芽孢杆菌增殖率下降。温度是影响生物酶解的重要因素,在最适酶解温度下,酶解效果最佳。但随着酶解温度的升高,容易导致酶发生蛋白质变性,使得酶活力下降[23]。因此,选择酶解温度为40、50、60 ℃进行后续响应面试验。

2.2.3 酶解时间对桑枝低聚糖促增殖作用的影响

酶解时间对枯草芽孢杆菌的影响如图4 所示。

图4 酶解时间对桑枝低聚糖促增殖效果的影响
Fig.4 Effect of enzymolysis time on the proliferation rate of R. mori oligosaccharides

由图4 可知,随着酶解时间的延长,桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌的增殖作用先升高后降低。酶解时间为4 h 时,枯草芽孢杆菌增殖率最高,为(186.27±1.25)%。在2~4 h 内,随着酶解反应的进行,桑枝多糖的分子量降低,容易被微生物利用,利于枯草芽孢杆菌生长[22]。当酶解时间延长至4 h 后,具有益生作用的酶解片段可能被破坏,桑枝低聚糖的益生作用降低,枯草芽孢杆菌增殖率下降。因此,选择酶解时间为3、4、5 h 进行后续响应面试验。

2.3 响应面试验结果

基于单因素的试验结果,选择酶添加量、酶解温度、酶解时间进行三因素三水平的Box-Behnken 试验,并对模型结果进行方差分析。试验结果见表2,回归模型方差分析见表3。三元二次多项回归方程为Y=187.92+2.42A+0.598 8B+0.773 8C-0.012 5AB-0.592 5AC+0.605 0BC-21.03A2-12.74B2-11.76C2

表2 Box-Behnken 试验设计及响应值
Table 2 Box-Behnken test design and response values

试验编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 A 酶解温度/℃40 50 60 50 60 40 60 50 60 50 50 40 50 50 50 40 50 B 酶解时间/h 4 5 4 4 3 5 4 4 5 5 3 4 4 4 4 3 3 C 酶添加量/(U/mL)750 1 250 750 1 000 1 000 1 000 1 250 1 000 1 000 750 1 250 1 250 1 000 1 000 1 000 1 000 750枯草芽孢杆菌增殖率/%150.50±0.95 165.74±0.84 155.84±1.45 192.73±1.96 157.86±1.40 150.47±1.60 158.57±1.02 184.30±2.01 155.98±0.95 165.35±2.56 160.28±2.03 155.60±2.01 186.75±2.01 190.25±2.01 185.55±2.56 152.30±1.01 162.31±1.51

表3 回归模型方差分析
Table 3 ANOVA of regression model

注:*表示影响显著(P<0.05);**表示影响极显著(P<0.01)。

来源模型ABCA B AC BC A²B²C²残差失拟项纯误差总和平方和3 515.82 46.95 2.87 4.79 0.000 6 1.4 1.46 1 861.8 682.92 582.36 79.45 30.8 48.66 3 595.28自由度91 111111117341 6均方390.65 46.95 2.87 4.79 0.000 6 1.4 1.46 1861.8 682.92 582.36 11.35 10.27 12.16 F 值34.42 4.14 0.2527 0.422 0.0001 0.1237 0.129 164.03 60.17 51.31 0.844 P 值<0.000 1 0.081 5 0.630 6 0.536 7 0.994 3 0.735 4 0.730 1<0.000 1 0.000 1 0.000 2 0.537显著性********

由表3 可知,模型P 值<0.000 1,表示模型极显著,可信度高;模型R2=0.977 9,校正R2=0.949 5,变异系数为2.02%,说明模型拟合度较好[24],可以较好地模拟试验结果并预测试验值。因此可以利用此模型对桑枝低聚糖的益生作用进行分析。

各酶解条件交互作用对桑枝低聚糖促增殖作用影响的响应面结果见图5~图7。

图5 酶解温度与酶解时间的交互作用
Fig.5 Interaction between enzymolysis temperature and enzymolysis time

图6 酶解温度与酶添加量的交互作用
Fig.6 Interaction between enzymolysis temperature and enzyme additions

图7 酶解时间与酶添加量的交互作用
Fig.7 Interaction between enzymolysis time and enzyme additions

响应面三维模型中,曲面的陡峭程度可以反映不同因子之间对枯草芽孢杆菌增殖率的影响程度。曲面的坡度越陡,表示因子间的交互作用对枯草芽孢杆菌增殖率的影响越显著。

经过响应面优化后的酶解条件理论值为酶解温度45.283 ℃、酶解时间4.024 h、酶添加量1 008.131 U/mL,理论增殖率为188.005%。根据实际情况对优化条件进行调整,将酶解条件修改为酶解温度45 ℃、酶解时间为4 h,酶添加量为1 008 U/mL,经过试验验证得到枯草芽孢杆菌增殖率为(190.17±3.74)%,与预测值相符,并且明显高于同质量浓度下桑枝多糖对枯草芽孢杆菌的增殖率(151.97±3.75)%。

2.4 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产短链脂肪酸的影响

2.4.1 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产乙酸和丙酸的影响

桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产乙酸的影响如图8所示。

图8 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产乙酸的影响
Fig.8 Effect of R. mori oligosaccharides on acetic acid production by B. subtilis

由图8 可知,枯草芽孢杆菌可以产生乙酸,桑枝低聚糖促枯草芽孢杆菌产乙酸的能力显著高于阴性对照组(P<0.05),桑枝低聚糖组为(0.834±0.31) mg/mL,是阴性组(0.291±0.004 )mg/mL 的2.866 倍。

桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产丙酸的影响如图9所示。

图9 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产丙酸的影响
Fig.9 Effect of R. mori oligosaccharides on propanoic acid production by B. subtilis

由图9 可知,与阴性组相比,桑枝多糖和桑枝低聚糖可以显著提高枯草芽孢杆菌产丙酸能力(P<0.05),而桑枝低聚糖的促进作用最明显,丙酸含量提高4.681倍,达到(2.659±0.497)mg/mL,在同质量浓度下高于其他商品化低聚糖。

低聚糖被益生菌所分解利用后,产生多种代谢产物,其中主要的代谢产物是短链脂肪酸,它由1~6 个碳链组成,在调节机体代谢能力中发挥重要作用[13]。乙酸作为肠道主要的短链脂肪酸,它可以被结肠上皮细胞吸收,参与肌肉、心脏和脑内等器官的代谢,并作为它们的能源物质[25]。丙酸作为糖异生的前体底物,可以调节机体的糖脂代谢,降低血糖和胆固醇含量[26-27]。在本试验中,枯草芽孢杆菌发酵主要产生乙酸、丙酸,并且桑枝低聚糖可以提高枯草芽孢杆菌产乙酸和丙酸的能力,这与徐静静等[28]和徐海岩[6]的研究一致,低聚糖可以促进益生菌增殖,并且提高益生菌产酸能力,这可能与产乙酸和丙酸的基因表达上调有关[13]

2.4.2 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产丁酸和戊酸的影响

枯草芽孢杆菌发酵产丁酸和戊酸的结果如图10和图11 所示。

图10 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产丁酸的影响
Fig.10 Effect of R. mori oligosaccharides on butyric acid production by B. subtilis

图11 桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产戊酸的影响
Fig.11 Effect of R. mori oligosaccharides on valeric acid production by B. subtilis

由图10 和图11 可知,桑枝多糖显著促进枯草芽孢杆菌产戊酸(P<0.05),桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产戊酸和丁酸影响不显著(P>0.05)。

丁酸是结肠细胞的能源物质,可以调节多种肠道功能,如免疫调节、细胞分化、减少炎症等[29-30],戊酸的作用与丁酸相似[31]。本试验中,桑枝低聚糖对枯草芽孢杆菌产丁酸和戊酸的影响不显著,这可能与细菌产酸特性有关,如菜籽多糖与其酶解片段对嗜酸乳杆菌产丁酸能力影响不显著,但对青春双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和两歧双歧杆菌等产丁酸能力显著提高[8]

3 结论

本研究以枯草芽孢杆菌增殖率为指标,通过单因素试验确定酶添加量、酶解温度和酶解时间的参数,并利用Box-Bohnken 响应面设计法,对桑枝低聚糖的酶解工艺进行优化,获得最优的酶解工艺条件:β-甘露聚糖酶添加量1 008 U/mL、酶解温度45 ℃、酶解时间4 h,枯草芽孢杆菌的增殖率达到(190.17±3.74)%,与响应面预测结果相符,并高于相同质量浓度下桑枝多糖的增殖率。在此制备工艺下的桑枝低聚糖,可以促进枯草芽孢杆菌产乙酸和丙酸,进一步说明了工艺优化后的桑枝低聚糖具有促枯草芽孢杆菌增殖益生的作用。

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Optimization of the Proliferation Process of Bacillus subtilis Promoted by Ramulus mori Oligosaccharides and Its Effect on the Production of Short-Chain Fatty Acids

LI Shipei1,2,ZHU Xiangyang3,ZOU Yuxiao2,YANG Qiong2,WANG Hong1 *,LI Erna2 *
(1. College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China;2. Sericultural & Agri-Food Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Functional Foods,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing,Guangzhou 510610,Guangdong,China;3. Guangxi Wehandbio Pharmaceutical Co.,Ltd.,Hechi 546399,Guangxi,China)

Abstract: To determine the optimal enzymatic conditions of Ramulus mori oligosaccharides promoting the proliferation of Bacillus subtilis,the proliferation rate of B. subtilis was used as the response value. A single-factor test was employed to investigate the effect of enzyme addition,enzymolysis temperature,and enzymolysis time on the proliferation rate. The response surface method was combined to explore the effect of R. mori oligosaccharides on the production of short-chain fatty acids by B. subtilis. The results showed that B. subtilis proliferation was best promoted by R. mori oligosaccharides enzymolysis technology when the enzyme addition was 1 008 U/mL,with the enzymolysis temperature of 45 ℃ and the enzymolysis time of 4 hours. The proliferation rate of B. subtilis was (190.17±3.74)% with these conditions,superior to that promoted by R. mori polysaccharide with the same concentration. In addition,R. mori oligosaccharides can significantly improve the ability of B. subtilis to produce acetic acid and propionic acid. R. mori oligosaccharides owned a good potential to promote B. subtilis proliferation.

Key words: Ramulus mori oligosaccharide;Bacillus subtilis;proliferative effect;process optimization;shortchain fatty acid

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2024.16.014

基金项目:广西科技计划项目(桂科AB21196040);广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金(2023KJ124、2023KJ117);广东省农业科学院农业优势产业学科团队建设项目(202119TD);国家蚕桑产业技术体系建设专项(CARS-18-ZJ0503);广东省农业科学院水产协同创新中心项目(XT202304、XT202234、202138)

作者简介:李仕培(1998—),男(汉),硕士研究生,研究方向:食品加工与营养。

*通信作者:王弘(1973—),女,教授,博士,研究方向:食品营养;黎尔纳(1988—),男,副研究员,博士,研究方向:食品微生物。

引文格式:

李仕培,朱向阳,邹宇晓,等. 桑枝低聚糖促枯草芽孢杆菌增殖工艺优化及其对产短链脂肪酸的作用[J]. 食品研究与开发,2024,45(16):105-112.

LI Shipei,ZHU Xiangyang,ZOU Yuxiao,et al. Optimization of the Proliferation Process of Bacillus subtilis Promoted by Ramulus mori Oligosaccharides and Its Effect on the Production of Short-Chain Fatty Acids[J]. Food Research and Development,2024,45(16):105-112.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2023-08-31