发酵酸菜来源乳酸菌的益生特性及其在发酵乳中的应用

赵圣明1,2,赵岩岩1,马汉军1,2,潘润淑1

(1.河南科技学院食品学院,河南 新乡 453003;2.河南省畜禽产品精深加工与质量安全控制工程技术研究中心,河南 新乡 453003)

摘 要: 通过pH值、胆盐耐受性实验从发酵酸菜中筛选性能优良的益生乳酸菌株,经16S rRNA序列分析鉴定得4 株植物乳杆菌A44、B51、B54、C53和2 株戊糖乳杆菌A16、B72。经疏水、黏附、自凝聚和溶血能力实验评价6 株乳酸菌的益生特性,其中植物乳杆菌A44对氯仿和二甲苯的疏水性均大于80%,对Caco-2细胞的黏附率为13.57%,放置5 h的自凝聚率超过60%,与其他菌株相比具有更好的益生特性且无溶血活性。因此选用植物乳杆菌A44进一步研究其在发酵乳中的功能特性,结果表明:植物乳杆菌A44作为辅助发酵剂添加后对4 ℃贮藏7 d期间发酵乳pH值、滴定酸度和持水性均无显著影响(P>0.05),但是可以显著提高发酵乳的活菌数和黏度(P<0.05),活菌数达到8.45(lg(CFU/mL))。本研究筛选得到的植物乳杆菌A44是一株性能优良的益生乳酸菌,具有作为发酵乳益生菌辅助发酵剂的潜在应用前景。

关键词: 发酵酸菜;筛选鉴定;乳酸菌;益生特性;发酵乳

益生菌被定义为“寄生于宿主体内活的微生物,当其生长达到一定数量后能够对宿主的健康有益”的一类微生物。益生菌可通过改善免疫应答,促进有害物质的代谢以及产生抗菌物质和益生物质(如维生素、多糖等)等来发挥其益生作用[1]。目前研究较多的益生菌基本为乳杆菌属和双歧杆菌属,尤其是乳杆菌属作为人体肠道及口腔内部最常见的共生菌群,因是人体小肠内的最主要菌群,能够显著地抑制肠道内有害菌的生长,已被确定为是非常具有应用价值的益生菌[2-3]。使用乳酸菌发酵食物和饮料已经有数千年的历史,表明其是安全的食品级微生物[4-5]。乳酸菌可以通过产生一些抗菌物质(如乳酸和细菌素等)抑制致病菌的生长,这是筛选益生菌的一个主要因素。然而,筛选具有应用前景的益生菌还需要考虑一些其他因素[1]。例如菌株对胃肠道低酸和胆盐等不良环境的耐受性能力也是其在人体内发挥益生作用的前提条件,如果益生菌不能够顺利地进入到小肠内进行定殖,就无法发挥其益生作用。而研究益生菌的体内活性成本高且费时,因此一般采取体外实验对其益生活性进行研究。此外,每一个菌株都必须进行相关特性的体外评价,因为不同的益生菌株之间存在着高度的特异性[6]

发酵食品是获得益生菌的一个良好来源,尤其是中国一些传统的发酵食品如藏灵菇[7]、酸菜[8]等均可以分离获得具有应用潜力的益生菌。卢海强等[8]从东北酸菜中筛选得到具有益生特性的屎肠球菌HS38,具有较好的亚硝酸盐降解能力和抗氧化能力等。Yu Zhihui等[9]从发酵酸菜中筛选到的植物乳杆菌S2-5和S4-1具有较好的体外益生活性,且能有效降低小鼠体内胆固醇含量。陈明等[10]从青藏高原牦牛酸奶中筛选得到对大鼠体内具有较好益生特性的植物乳杆菌XM5,可使衰老性大鼠肝脏中的谷胱甘肽过氧化物酶和血清中的总超氧化物歧化酶的活力显著提高。本研究前期从东北农家酸菜中分离获得49 株对食品中常见的腐败性及致病性芽孢杆菌(枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和嗜热脂肪地芽孢杆菌等)具有较好抑菌作用的乳酸菌菌株,现对分离得到的乳酸菌菌株的益生活性进行研究,分析其体外的耐酸能力、耐胆盐能力、疏水能力、黏附能力等,旨在从中筛选得到具有潜在益生特性的菌株,为其在发酵食品中的应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菌种由河南科技学院食品学院食品微生物实验室保藏。

商业酸奶发酵剂 北京川秀国际贸易有限公司;牛胆盐、胰酶 北京索莱宝科技有限公司;改良Eagle培养基(Dulbecco's modification of Eagle's medium,DMEM) 美国Gibco公司;细菌基因组提取试剂盒 美国Omega公司;DNA凝胶回收试剂盒、柱式质粒提取试剂盒 大连TaKaRa生物公司;pMD19-T连接试剂盒、Taq Mix 南京诺唯赞生物公司;DNA标准分子质量Marker 南京金斯瑞公司;乳酸菌培养基(MRS培养基)、哥伦比亚血琼脂培养基 青岛海博生物技术有限公司;其他试剂均为市售分析纯。

1.2 仪器与设备

Sartious电子精密天平 北京赛多利斯天平有限公司;SW-CJ-IBU超净工作台 苏州苏净集团;5418高速离心机 芬兰Eppendorf公司;Orion 3 STAR pH计美国Thermo公司;GXZ-9240 MBE鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;冷冻干燥机 德国Christ公司;Eclipse 80i光学显微镜 日本Nikon公司;HYL-A多功能摇床 太仓强乐实验仪器有限公司;PTC100TM聚合酶链式反应基因扩增(polymerase chain reaction,PCR)仪 美国MJ Research公司;PowPacTM HC164-5052高电流电泳仪 美国Bio-Rad生命医学产品公司;JS-380C全自动数码凝胶成像分析仪 上海培清科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菌株酸耐受性测定

以前期获得的对食品中常见腐败性及致病性芽孢杆菌具有较好抑菌活性的49 株菌进行酸耐受性实验。将供试菌以1%的接种量接种于液体MRS培养基中,37 ℃静置培养16 h,菌浓度约为5.4×108 CFU/mL。然后4 ℃、5 000×g离心10 min后收集菌体,用磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffer saline,PBS)洗涤两次后重悬于PBS中。再用2 mol/L的HCl溶液将乳酸菌菌悬液pH值分别调至2.5。分别在0、1、2、3 h取样吸取1 mL的菌悬液进行梯度稀释,选取合适的稀释度进行平板涂布菌落计数。

1.3.2 菌株胆盐耐受性测定

将供试菌株以1%的接种量接种于液体MRS培养基中,37 ℃静置培养16 h,菌浓度约为6.3×108 CFU/mL。然后4 ℃、5 000×g离心10 min后收集菌体,用PBS洗涤2 次后重悬于PBS中。将乳酸菌菌悬液分别置于含0.3%、0.5%和1%牛胆盐的液体MRS培养基中。分别孵育3 h后取样,吸取1 mL的菌悬液进行梯度稀释,选取合适的稀释度进行平板涂布菌落计数。

1.3.3 菌株的分子生物学鉴定

将目标菌株以1%的接种量接种于MRS培养基中,经37 ℃过夜培养12 h后,取5 mL菌液经9 000×g离心2 min后弃上清液得菌体,采用TE缓冲液离心洗涤2 次,最后采用OMEGA公司的细菌基因组提取试剂盒提取基因组。采用原核生物16S rRNA扩增的通用引物[11](由生工生物工程(上海)股份有限公司合成),正向引物fD1:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′,反向引物rP1:5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′。PCR扩增得到的目的片段经连接到T载体转化到大肠杆菌DH5α中,然后挑取转化子送去南京金斯瑞生物公司测序,将所得到的16S rRNA基因序列,在www.ncbi.nlm.nlh.gov网站中使用BLASTN2.211[MAY-05-2005]在GenBank+EMBL+DDBJ+PDB基因库中进行同源性搜索比对。

1.3.4 菌株黏附能力测定

将供试菌株以1%的接种量经MRS液体培养基37 ℃静置培养12 h,经传代活化后培养至对数期,然后4 ℃、5 000×g离心10 min后收集菌体,用PBS洗涤两次后重悬于DMEM培养液中,将菌体的使用浓度调整到约为6.2×108 CFU/mL。将Caco-2细胞采用含有10%热灭活胎牛血清、青霉素100 μg/mL和链霉素100 μg/mL的DMEM培养液置于37 ℃细胞培养箱中培养,每天更换一次培养液。待细胞贴壁生长为单层后,用0.25%的胰蛋白酶消化后重悬于DMEM培养液中,将细胞浓度调整约为4.5×105 个/mL。将制备好的细胞悬液置于24 孔的细胞培养板中培养长成单层细胞。然后将100 μL 5×108 CFU/mL的乳酸菌菌悬液和900 μL的DMEN培养液加进入细胞培养孔内,37 ℃细胞培养箱中培养90 min后,采用PBS清洗细胞数次,除去未黏附于细胞表面的菌体。然后加入1 mL Triton 100(体积分数1%)使黏附的菌体与细胞分离,将培养液经适当稀释后涂布于MRS平板上进行菌落计数。每组实验做3 个平行,通过式(1)计算乳酸菌对细胞的黏附率:

1.3.5 菌株疏水性测定

将供试菌株培养到稳定期后经5 000×g离心10 min后收集菌体,用PBS洗涤两次后重悬于0.1mol/L的KNO3(pH 6.2)溶液中,将菌体的使用浓度调整到5.6×108 CFU/mL,在600 nm波长下测定菌悬液的吸光度(A0)。然后分别取1 mL的二甲苯、乙酸乙酯和氯仿与3 mL的菌悬液混合后室温放置10 min混匀,再静止放置20 min后于600 nm波长处测定吸光度(A1)。通过式(2)计算乳酸菌黏附有机溶剂的百分比,以计算结果表示乳酸菌的疏水性:

1.3.6 菌株自凝聚测定

将供试菌株菌悬液的浓度调整为在600 nm波长处OD值约为1.0,分别取4 mL置于10 mL的试管中,在室温条件下静止放置待其分层,分别静置1、3、5 h后吸取1 mL上层悬液测OD600 nm值,分别记作OD1、OD3、OD5,每个实验做3 个平行。细菌自凝聚率按式(3)计算:

式中:OD0和ODt分别代表自凝聚前、后上层悬液在600 nm波长处测量所得的OD值。

1.3.7 菌株溶血活性测定

将供试菌株以1%的接种量经MRS液体培养基37 ℃静置培养12 h后,穿刺接种于哥伦比亚血琼脂培养基中,37 ℃静置培养16 h后观察是否有溶血圈出现,判断供试菌株是否具有溶血活性。

1.3.8 菌株在发酵乳中产酸能力测定

将待测菌株以3%的添加量接种于脱脂乳中,经42 ℃培养6 h后测定发酵乳的pH值。

1.3.9 发酵乳中乳酸菌活菌数的测定

将商业发酵剂和待测菌株分别以0.1%和5%的添加量对灭菌牛奶进行发酵,待其发酵pH值降低到4.5时停止发酵,放入4 ℃冰箱冷藏。分别在发酵乳发酵后的第0、1、3、5、7天时,采用平板计数法对发酵乳中的乳酸菌活菌数进行检测。

1.3.10 发酵乳pH值和滴定酸度的测定

采用数显pH计测定发酵乳的pH值。滴定酸度的测定:取发酵乳样品10 g,加入20 mL蒸馏水混合均匀后,放入0.5 mL 0.5%酚酞作为指示剂,采用0.1 mol/L的NaOH溶液进行滴定。消耗0.1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液相当于1 °T。

1.3.11 发酵乳持水性的测定

持水性测定:30 mL发酵乳置于50 mL离心管中,4 ℃、4 500×g条件下离心18 min,每个样品平行做3 次。以式(4)用于计算发酵液的持水性:

式中:M1为离心之后乳清的质量/g;M2为所有发酵乳的质量/g。

1.3.12 发酵乳黏度的测定

将发酵乳置于室温(25 ℃)一段时间后,采用数显黏度测定仪测定发酵乳的黏度,参数设定为25 ℃,0#转子进行测定,其中转子转速15 r/min、扭矩10%~100%、测定时间30 s,每个样品平行做3 次。

1.4 数据处理

实验数据处理采用SPSS 20.0软件进行分析,所有实验重复3 次,实验结果以 ±s表示,显著性分析采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 供试乳酸菌菌株酸耐受性筛选结果

益生乳酸菌进入体内能否通过胃酸的消化作用进入肠道是其发挥益生作用的重要影响因素。在pH 3.0环境中消化1.5~3 h后菌株的存活被认为是衡量菌株耐酸性的标准之一[12-13]。胃的排空时间一般也在3 h以内,因此本实验为能更好模拟真实的胃酸情况,选取略低的pH 2.5对菌株进行耐酸性实验,结果见表1。测试的49 株乳酸菌均可以在pH 2.5的条件下存活。但是不同菌株经过不同时间处理后的活菌数差别较大。在pH 2.5条件下处理1 h后38 株菌的活菌数基本保持不变,活菌数仍可以维持在约7~8(lg(CFU/mL)),11 株菌的活菌数发生下降,活菌数约为6~7(lg(CFU/mL))。在pH 2.5的条件下经过2 h的处理后,16 株菌的活菌数降到5(lg(CFU/mL))以下,20 株菌的活菌数降低到约6~7(lg(CFU/mL)),4 株菌的活菌数降低到5~6(lg(CFU/mL)),有9 株菌的活菌数基本保持不变。在pH 2.5的条件下经过3 h处理后,24 株菌的活菌数降低到5(lg(CFU/mL))以下,13 株菌的活菌数降低到5~6(lg(CFU/mL)),9 株菌的活菌数降低到6~7(lg(CFU/mL)),3 株菌的活菌数基本保持不变。

表1 不同的乳酸菌株对低酸和胆盐的耐受性结果
Table 1 Tolerance to low acid and bile salt of different strains of lactic acid bacteria

注:a:+++.活菌数范围在7~8(lg(CFU/mL));++.活菌数范围在6~7(lg(CFU/mL));+.活菌数范围在5~6(lg(CFU/mL));-.活菌数范围在5(lg(CFU/mL))以下。b:***.活菌数范围在7~8(lg(CFU/mL));**.活菌数范围在6~7(lg(CFU/mL));*.活菌数范围5(lg(CFU/mL))以下;-.活菌数为0。

菌株 pH 2.5a 胆盐b 1 h 2 h 3 h 0.3%0.5% 1%A2A11A20B23B27B31B45B48C49+++ - - * - -A8A12B7B10B39B58C55 ++ - - - - -A37B6B42C38C41C56C63C69 +++ ++ - ** - -A9A37B62C48C59 +++ ++ + *** * -A5A9B49 +++ ++ ++ ** * -A44C53 +++++++++ ****** *A52A66B2C61 ++ + + ** - -B21B65C45 ++++++ ++ *** ** -B25B53C47C77 +++ ++ + ** * *A16B51B72 ++++++ ++ *** ** *B54 +++++++++ ***** **

2.2 供试乳酸菌菌株胆盐耐受性筛选结果

如表1所示,测试的49 株乳酸菌中,在0.3%胆盐处理3 h的条件下7 株菌完全不能存活,14 株菌的活菌数基本保持不变,活菌数仍可以维持在7~8(lg(CFU/mL)),9 株菌的活菌数明显下降,活菌数降低到5(lg(CFU/mL))以下。经过0.5%胆盐处理3 h后,28 株菌完全不能存活,2 株菌的活菌数基本保持不变,活菌数仍可以维持在7~8(lg(CFU/mL)),7 株菌的活菌数降低到6~7(lg(CFU/mL)),12 株菌的活菌数降低到5(lg(CFU/mL))以下。经过1%胆盐处理3 h后,39 株菌完全不能存活,1 株菌的活菌数降低到6~7(lg(CFU/mL)),9 株菌的活菌数降低到5(lg(CFU/mL))以下。

根据对49 株乳酸菌菌株的低酸和胆盐耐受性筛选,本研究最终筛选获得6 株(A16、A44、B51、B54、B72和C53)进一步分析其益生特性。

2.3 乳酸菌菌株的分子生物学鉴定结果

经16S rRNA测序的方法获得6 株乳酸菌的16S rRNA基因,分别为A16(1 522 bp)、A44(1 482 bp)、B51(1 578 bp)、B54(1 566 bp)、B72(1 494 bp)、C53(1 547 bp)。选取GenBank中相似性较高菌株的16S rDNA基因序列进行系统发育树分析。最终确定菌株A16和B72为戊糖乳杆菌,A44、B51、B54和C53为植物乳杆菌。

2.4 菌株疏水性

图1 乳酸菌菌株的疏水性
Fig. 1 Hydrophobicity of different strains of lactic acid bacteria

字母不同表示不同菌株测定指标差异显著(P<0.05),下同。

疏水性较高的菌株,可能会对小肠组织具有较高的黏附能力,本实验测定了6 株乳酸菌对二甲苯、乙酸乙酯和氯仿的疏水能力。由图1可以看出,所有菌株均表现出一定的疏水性,不同菌株的疏水性差异较大。二甲苯是一种非极性溶剂,除了菌株B72,其余5 株菌均表现出对二甲苯较高的疏水性(>50%),说明这些菌株都具有疏水的细胞表面。氯仿是酸性溶剂,属于电子受体,而乙酸乙酯是单碱性溶剂,属于电子供体。供试的6 株乳酸菌对氯仿的疏水性都明显高于对乙酸乙酯的疏水性,尤其是菌株A16和A44对氯仿的疏水性均大于80%,说明这几株菌都是电子供体。

2.5 菌株黏附能力

益生菌对肠道细胞的黏附能力是筛选益生菌的一个重要参考因素。Caco-2细胞系是分离自人结肠癌细胞的一株细胞,以表皮吸附的方式生长,在适当的培养条件下,可以表现出成熟肠道所具有的特征。本实验应用Caco-2细胞系作为体外实验模型研究6 株菌对肠上皮细胞的黏附特性,结果见图2。6 株菌的黏附能力存在比较明显的菌株特异性(P<0.05)。其中菌株A44有13.57%的菌体可以黏附到细胞上,黏附能力最强。菌株A16和B54的黏附率分别为11.24%和10.84%。菌株B51、B72和C53黏附能力相对较差,黏附率分别为5.76%、7.62%和9.32%。

图2 乳酸菌对Caco-2细胞的黏附率
Fig. 2 Adhesion of different strains of lactic acid bacteria to Caco-2 cells

2.6 菌株自凝聚能力

图3 乳酸菌菌株的自凝聚率
Fig. 3 Auto-aggregation ability of different strains of lactic acid bacteria

如图3所示,菌株悬液的自凝聚率随着静置时间的延长而逐渐增大,且不同的菌株间自凝聚率具有明显的差异。其中菌株A44和B54在静置3 h后较其他菌株表现出更好的自凝聚能力,5 h后菌株A44和B54的自凝聚率超过了60%,而A16和C53也表现出较好的自凝聚率,自凝聚率均超过40%。

2.7 菌株溶血活性

溶血活性是筛选益生菌的重要因素,不具有溶血活性才能将其认为是安全的益生菌。图4结果表明,6 株供试菌株在哥伦比亚血平板上生长均未形成溶血圈。说明这6 株乳酸菌均不具有溶血活性。

2.8 植物乳杆菌A44产酸能力测定结果

综合以上功能特性的研究结果表明植物乳杆菌A44具有最好的功能活性,因此本实验选取菌株植物乳杆菌A44用于下一步发酵乳的研究。脱脂乳经植物乳杆菌A44发酵6 h后测得发酵pH值为5.97,表明植物乳杆菌A44在乳中的产酸能力较差,不适合单独作为发酵剂制作发酵乳,但是可以作为辅助发酵剂与商业发酵剂进行复配使用提高发酵乳的益生功能。

2.9 发酵乳中乳酸菌活菌数的测定结果

表2 冷藏期间活菌数变化
Table 2 Change in viable bacterial count during storage

注:同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

组别 活菌数(lg(CFU/mL))0 d 1 d 3 d 5 d 7 d对照 7.28±0.16a7.86±0.21a7.14±0.18a7.54±0.22a7.67±0.17a处理 8.15±0.09b8.43±0.12b8.36±0.17b8.28±0.16b8.45±0.19b

如表2所示,经4 ℃冷藏7 d后,添加植物乳杆菌A44混合发酵的样品活菌数显著高于对照组(P<0.05),表明植物乳杆菌A44对商业发酵剂中的菌株生长无影响,并能提高发酵乳的活菌数。发酵乳冷藏的7 d内,活菌数没有发生明显的变化,说明植物乳杆菌A44在冷藏过程中可以保持较好的存活能力,因此具有作为辅助发酵剂生产益生发酵乳的潜力。

2.10 发酵乳pH值和滴定酸度测定结果

图5 发酵乳冷藏期间pH值和滴定酸度变化情况
Fig. 5 Changes in pH and titrable acidity of yogurts during storage

由图5可知,在4 ℃冷藏7 d期间,两个发酵乳样品的pH值均随着时间的延长呈缓慢下降趋势,而滴定酸度随着时间的延长呈上升趋势。添加植物乳杆菌A44与商业发酵剂复合发酵的处理组pH值和滴定酸度与单独用商业发酵剂发酵的对照组相比无显著差异(P>0.05),这可能是因为植物乳杆菌A44在乳中生长的产酸能力较差,表明将植物乳杆菌A44以辅助发酵剂添加到发酵乳中对产品冷藏期间pH值和滴定酸度基本不产生影响。

2.11 发酵乳持水性测定结果

发酵乳的持水性越好,发酵乳的凝胶结构中束缚的水分越多,使发酵乳能够保持较好的口感[14]。由图6可知,在4 ℃冷藏7 d期间,2 个发酵乳样品随着时间的延长都保持着较好的持水能力,且将植物乳杆菌A44以辅助发酵剂添加到发酵乳中对产品冷藏期间持水性无显著影响(P>0.05)。

图6 发酵乳冷藏期间持水性变化情况
Fig. 6 Changes in water-holding capacity of yogurts during storage

2.12 发酵乳黏度测定结果

图7 发酵乳冷藏期间黏度变化情况
Fig. 7 Changes in viscosity of yogurts during storage

由图7可知,4 ℃冷藏7 d期间,随着时间的延长两组发酵乳的黏度都呈上升趋势,主要是因为冷藏过程中,部分游离的凝乳微粒重新聚集到凝乳微粒的网状结构中,从而提高发酵乳的黏度。本实验中,在冷藏7 d内复合发酵处理组的黏度都高于对照组的黏度,这可能是由于植物乳杆菌A44在发酵过程中可以产生胞外多糖从而提高了发酵乳的黏度[15]

3 讨 论

益生菌经摄食进入人体后,可以通过改善肠道菌群[16]、提高人体免疫活性[17]以及降低胆固醇[18]等对人体的健康起到有效的促进作用。因此,目前关于功能性益生菌的研究受到了越来越多的关注,尤其是从传统的发酵食品中筛选安全的功能益生菌已经成为一个研究热点。本研究前期从东北传统发酵酸菜中分离得到49 株对食品中常见的腐败性及致病性芽孢杆菌具有较好抑菌活性的乳酸菌菌株,本实验采用体外筛选的方法从这49 株中筛选得到6 株对酸及胆盐具有较好耐受性的乳酸菌,体外研究其益生活性,期望其在功能性乳品中得到开发和应用。

益生乳酸菌经口服进入人体后,必须能够抵抗胃酸和肠道的高胆盐环境,以及具有良好的肠道黏附性能才能够最终定殖于肠道发挥其益生作用。因此益生乳酸菌的筛选必须要具有耐低酸及高胆盐环境的能力,这样才能保证其在人体内发挥益生作用。Caggia等[1]研究了一些分离自奶酪中的乳杆菌对低pH值和高胆盐具有极好的耐受能力。陈明等[10]报道从牦牛酸奶中筛选得到的植物乳杆菌XM5具有较强的耐酸和耐胆盐能力。Karasu等[19]也发现分离自发酵蔬菜中植物乳杆菌能够耐受低酸和高胆盐环境。本研究从49 株具有对芽孢杆菌具有较好抑菌活性菌株的耐酸及耐胆盐活性进行筛选,结果有6 株菌能够耐受pH 2.5的酸度及1%胆盐添加量,说明这几株菌具有较强的低酸及高胆盐耐受性。目前已经有研究报道称乳酸菌在代谢过程中产生细菌素可能会提高菌株对胆盐和酸的耐受性,因为细菌素对菌株在肠道内定殖及与肠道内其他菌株竞争有优势[20-21],且Bove等[22]也在基因表达的研究方面进一步证实了这种说法。Yu Zhihui等[23]从中国东北的发酵酸菜中分离获得了具有较好耐低酸和高胆盐的植物乳杆菌菌株,本研究结果与其相一致,说明发酵酸菜中可以分离获得对低酸和高胆盐耐受性好的乳酸菌菌株。

疏水性是细菌与肠道表皮细胞相互吸附的重要指标之一,有研究表明,乳酸杆菌对宿主肠道细胞的黏附能力是呈正相关的。因此,本研究应用乙酸乙酯研究了乳酸菌菌株表面的对电子的接受能力以及应用氯仿研究菌株表面的电子供给能力。结果表明所有待测菌株都具有较强的电子供给能力,说明菌株都具有较强的疏水能力。通常研究认为疏水性高的菌株对细胞的黏附性也高,一般可以通过细菌表面疏水性测定来初步筛选高黏附活性的菌株,Caggia[1]和Xu[24]等关于乳酸菌益生活性的研究都证实了这一结果。但也有报道称1 株疏水性仅为2%的嗜酸乳杆菌对HT29MTX细胞的黏附率为40%[25]。因此,疏水性可能会对黏附作用具有促进作用,但是疏水性好不能一定保证其对细胞具有强的黏附能力。

对肠上皮细胞的黏附能力被认为是评价益生菌的一个重要因素,已经有很多研究表明不同分离来源的乳杆菌都对肠上皮具有较强的黏附能力,如L. rhamnosus GG、L. casei ssp. shirota和L. casei ssp. imunitass[26-27]。本研究结果表明不同的乳酸菌菌株对Caco-2细胞的黏附能力表现出明显的差异,其中植物乳杆菌A44的活性最好,黏附率为13.57%,与文献报道的高黏附性菌株相比,其黏附率不是特别好,例如具有优良益生活性的鼠李糖乳杆菌LGG的黏附率最高可以达到30%。但是体外黏附率高也不能完全代表菌株在人体内的黏附能力,有很多具有良好益生特性并已经成功应用于商业化的乳酸菌的体外黏附率也不高,例如干酪乳杆菌Shirota和嗜酸乳杆菌NCFB1748等[28-29]。Laprra等[30]研究表明采用Caco-2单层细胞测定黏附能力更接近体内实验结果。研究认为,菌株体外实验对细胞黏附率高,可能在体内黏附能力也会更好,但是体外对Caco-2细胞黏附能力不能完全用来评价菌株在体内的黏附特性,还要综合更多的因素进行考虑。

本研究发现疏水率高、自凝聚率高的菌株对细胞黏附能力就越强,实验结果表明菌株与细胞的黏附能力和其对有机溶剂的疏水性和自凝聚率呈正相关,这和以前Pithva等[31]的研究结果相一致。同时前人的研究也证明自凝聚力较强的菌株能够在肠道细胞表面形成一层天然的屏障防止食源性致病菌定殖于肠道表面[32]。溶血活性是体外测定益生菌安全性的一个重要指标之一,具有溶血活性的细菌对人具有较强的致病能力。目前的研究发现,大部分乳酸菌均不具有溶血活性。也有研究报道称部分乳酸菌菌株具有溶血活性,Argyri等[33]对73 株乳杆菌的溶血实验研究发现其中4 株菌具有溶血活性,而具有溶血活性的乳杆菌较为罕见。本实验的5 株益生菌均没有溶血活性,说明其可以安全地应用于食品加工中。

4 结 论

本研究从分离自东北酸菜具有抑制食品中常见腐败性及致病性芽孢杆菌活性的49 株乳酸菌中,筛选出6 株具有低酸和高胆盐耐受性的菌株,通过16S rRNA分子生物学鉴定确定6 株乳酸菌中A16和B72为戊糖乳杆菌,A44、B51、B54和C53为植物乳杆菌。益生实验结果表明植物乳杆菌A44具有较好的疏水性、黏附性及自聚率。研究确定本实验筛选得到的益生菌株对Caco-2细胞的黏附能力与其对有机溶剂的疏水性和自聚率呈一定的相关性。在4 ℃冷藏7 d期间,植物乳杆菌A44作为辅助发酵剂添加后对商业发酵剂发酵酸乳的pH值、滴定酸度和持水性等无显著影响,但是可显著提高发酵乳的活菌数和黏度(P<0.05)。本研究结果为植物乳杆菌A44作为益生性发酵菌株的开发应用提供理论参考。

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Probiotic Properties of Lactic Acid Bacteria from Pickled Chinese Cabbage and Its Application in Fermented Milk

ZHAO Shengming1,2, ZHAO Yanyan1, MA Hanjun1,2, PAN Runshu1
(1. School of Food Science and Technology, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China;2. Henan Province Engineering Technology Research Center of Animal Products Intensive Processing and Quality Safety Control,Xinxiang 453003, China)

Abstract: A total of 49 strains of lactic acid bacteria isolated from pickled Chinese cabbage were screened for their probiotic properties by acid and bile salt tolerance tests. Four strains of Lactobacillus plantarum, A44, B51, B54 and C53, and two strains of Lactobacillus pentosus, A16 and B72, were selected as identified by 16S rRNA sequence analysis. The probiotic properties of the six strains were evaluated with respect to hydrophobicity, adhesiveness, auto-aggregation and hemolytic activity. The hydrophobicity of L. plantarum A44 against chloroform and xylene was more than 80%, the adhesion rate to Caco-2 cells was 13.57%, and the auto-aggregation rate was more than 60% after standing for 5 h. Our fi ndings indicated that L. plantarum A44 had better prebiotic characteristics without hemolytic activity than other strains. Therefore, the functional characteristics of L. plantarum A44 in fermented milk were further studied. The results indicated that there were no statistically significant differences (P > 0.05) in pH, titrable acidity or water-holding capacity of fermented milk produced with a commercial starter culture with the addition of L. plantarum A44 as auxiliary starter. However,total viable count of fermented milk was significantly increased to 8.45 (lg (CFU/mL)) (P < 0.05) and viscosity was also significantly increased. Thus, L. plantarum A44 has great potential for application as an auxiliary probiotic starter due to its excellent probiotic properties.

Keywords: pickled Chinese cabbage; identification; lactic acid bacteria; probiotic properties; fermented milk

收稿日期:2018-03-05

基金项目:河南省重大科技专项(161100110600);河南省科技攻关计划项目(182102310684);河南省高等学校重点科研项目(18B550003);河南科技学院高层次人才科研启动项目(2016018)

第一作者简介:赵圣明(1985—)(ORCID: 0000-0002-4576-9871),男,讲师,博士,研究方向为食品微生物。E-mail: zhaoshengming2008@126.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180305-050

中图分类号:TS252.54

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2019)06-0187-08

引文格式:赵圣明, 赵岩岩, 马汉军, 等. 发酵酸菜来源乳酸菌的益生特性及其在发酵乳中的应用[J]. 食品科学, 2019, 40(6):187-194. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180305-050. http://www.spkx.net.cn

ZHAO Shengming, ZHAO Yanyan, MA Hanjun, et al. Probiotic properties of lactic acid bacteria from pickled Chinese cabbage and its application in fermented milk[J]. Food Science, 2019, 40(6): 187-194. (in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180305-050. http://www.spkx.net.cn