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黑龙江八一农垦大学张丽媛教授等|植物乳杆菌ST3.5的分离鉴定及其对霉菌的抑制作用

黑龙江八一农垦大学张丽媛教授等|植物乳杆菌ST3.5的分离鉴定及其对霉菌的抑制作用 食品工业科技编辑部
2023-10-19
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植物乳杆菌ST3.5的分离鉴定及其对霉菌的抑制作用

图片来源于图司机

黑龙江八一农垦大学张丽媛教授等拟从泡菜中筛选出一株植物乳杆菌并研究其生物特性,探究该菌株对从玉米中分离的产黄青霉和杂色曲霉的抑制作用,分析其抑制霉菌的主要物质,为乳酸菌作为生物抑菌剂在谷物等食品的储藏及运输过程中的应用提供理论依据,以减少因食物霉变造成的经济损失和对消费者健康的潜在危害。


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分离菌株抑制霉菌活性的分析

从泡菜中分离获得34株分离菌株。分别以产黄青霉和杂色曲霉作为测试菌,通过琼脂覆盖法测定34株分离菌株对产黄青霉和杂色曲霉的抑制作用。如表1所示,菌株ST3.5的抑制效果最好。由图1可知,与对照组相比较,接种的乳酸菌条带具有显著的抑制作用,其抑菌圈覆盖面积超过50%,表明菌株ST3.5对产黄青霉和杂色曲霉均具有较强的抑菌效果。

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抑制霉菌活性菌株的鉴定

如图2显示,分离菌株ST3.5单菌落直径较小,呈规则圆形且表面光滑湿润;大部分为白色或乳白色,少数为半透明;挑取时具有一定黏性。革兰氏染色镜检结果显示(图3),菌株为革兰氏阳性菌,菌体呈杆状较短。从图4可以看出,该菌株的16S rRNA基因序列与植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)具有97%以上的同源性,因此,该菌株为一种植物乳杆菌(L. plantarum)。

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植物乳杆菌ST3.5的生物特性分析
3.1  生长曲线和pH变化曲线分析

L. plantarum ST3.5的生长曲线和pH变化曲线如图5,由图可见,该菌株在测定时间内OD值先迅速增加后趋于平稳。在2 h左右,因为有充足营养物质,所以乳酸菌迅速进入对数生长期,开始大量繁殖,同时OD600 nm值增加,在16 h左右,随着乳酸菌的生长和繁殖,产生了大量的代谢产物,大量的营养物质被消耗殆尽,随后停止了对数生长,进入了稳定期,并且在16~24 h期间OD值均保持稳定。由于乳酸菌生长会产生酸性物质,所以L. plantarum ST3.5前16 h的pH从6.25迅速下降到4.51,在16~24 h期间乳酸菌停止生长和繁殖,所以pH无显著变化(P>0.05),趋于稳定。

3.2  耐酸耐胆盐能力分析

正常健康人体的空腹胃液pH约为1.3~2.0,进食半小时后约为3.0~5.0。益生菌要在肠道中发挥作用的前提是须在pH3.0左右的条件下存活1.5~2 h。另外,人体小肠内胆盐浓度在0.3~3.0 g/L 之间。高浓度的胆盐会改变菌体细胞膜的通透性,分解膜蛋白,使细胞破裂死亡,从而拮抗益生菌的生长。L. plantarum ST3.5对酸和胆盐的耐受性如表2所示,从表中可知在不同pH的培养基中培养3 h后,随着pH的降低,ST3.5活菌数越来越少,当pH为3时,活菌数为(9.33±0.21)log CFU/mL,当pH为2时,活菌数为(4.48±0.00)log CFU/mL。在不同胆盐浓度的培养基中培养时,随着胆盐浓度的升高,ST3.5的活菌数逐渐下降,在0.1%浓度中活菌数为(9.31±0.05)log CFU/mL,0.2%中为(6.09±0.98)log CFU/mL,而浓度升高到0.3%时,未检测到活菌。说明ST3.5有较好的耐酸性,但对胆盐的耐受效果一般,以上结果与肖俊等的研究相似。而郑越等的研究表示不同植物乳杆菌菌株的耐酸耐胆盐能力有一定差异,可能是因为不同菌株之间生物酶、脂肪酸等代谢物的种类和含量不同,影响代谢途径,导致菌株间耐酸、耐胆盐能力的差异。

3.3  抗病原菌活性

为了探讨L. plantarum ST3.5对致病菌的抑制效果,本研究选择4种病原菌作为指示菌,进行抑菌作用分析。由表3可知,ST3.5对致病菌有明显的抑菌效果,其中对金黄葡萄球菌的抑菌效果最强,抑菌圈直径达到(25.00±0.00)mm,其次是对单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌的抑制作用,分别为(21.00±1.73)mm和(20.00±0.00)mm,相比较而言,对铜绿假单胞菌的抑制效果最弱,仅为(18.33±0.58)mm。综上所述,L. plantarum ST3.5对代表性的革兰氏阳性和阴性致病菌均具有较强的抑菌作用,加之其对霉菌的抑制效果,说明其抑菌谱较广。

3.4  抗生素敏感性

抗生素敏感性是选择益生菌菌株的前提之一,乳酸菌具有广谱的天然和获得性抗生素抗性,并且不同菌株对抗生素的耐药性不同。如表4结果可知,L. plantarum ST3.5对阿米卡星、红霉素、头孢呋辛、多西环素、氨苄西林、氯霉素、利福平等抗生素敏感,对庆大霉素、头孢噻肟、四环素、青霉素、环丙沙星等具有耐药性。所以,为了降低对有益菌的影响,使用时应该尽可能地避免使用敏感性的药物。王楠等的研究表明植物乳杆菌Y190430对氨苄西林、多西环素、氯霉素、红霉素等抗生素类药物敏感。研究发现乳酸菌对青霉素和头孢噻肟耐药是因为乳酸菌产生的β-内酰胺酶抑制青霉素与头孢菌素结合蛋白造成的;对卡那霉素、链霉素、庆大霉素有天然耐药性,是由缺乏细胞色素介导的电子传递而引起的。有研究表明,存在肠道菌群之间的耐药基因会发生转移现象,一些对常见抗生素耐药的乳酸菌,会将耐药基因经由食物链传播到其它肠道和呼吸道的病原体,使致病菌产生耐药性,对机体造成危害。

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L. plantarum ST3.5-CFS抑霉菌成分的分析
大量研究表明,乳酸菌的主要抑菌物质有有机酸、乙醇、过氧化氢、胞外多糖以及细菌素等,如图6(A)所示,L. plantarum ST3.5-CFS经过蛋白酶K、胃蛋白酶、胰蛋白酶、过氧化氢酶处理,抑菌效果无显著性差异(P>0.05),说明L. plantarum ST3.5-CFS中抑菌活性物质对蛋白酶不敏感。因此推测L. plantarum ST3.5-CFS中可能不存在对蛋白酶K、胃蛋白酶、胰蛋白酶敏感的多肽类物质和对过氧化氢酶敏感的过氧化氢。图6(B)所示为热处理后CFS对霉菌的抑菌效果。将CFS经过60、80、100、121 ℃ 处理,测定经过热处理后霉菌抑制效果的变化。由图可知,将CFS经60、80和100 ℃处理后抑菌效果无显著变化(P>0.05),但经121 ℃处理后,对产黄青霉(P<0.01)和杂色曲霉(P<0.05)的抑菌活性有显著下降,但对两株霉菌仍有抑菌效果,说明发酵液中的抑真菌物质的热稳定性较好。如图6(C)酸处理后CFS对霉菌的抑菌效果所示,因为CFS的初始pH为4.4,从图中可以看出,pH为3、4时,处理过的CFS抑菌效果与未处理的差异不显著(P>0.05),随着pH增加,抑菌效果显著下降(P<0.001),当pH>5时抑菌效果不明显。因此,L. plantarum ST3.5-CFS对产黄青霉和杂色曲霉孢子的抑制活性受pH的影响较大。综上可以初步判断,L. plantarum ST3.5的主要抑菌物质可能为酸性物质。

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 L. plantarum ST3.5-CFS中有机酸含量分析

对L. plantarum ST3.5-CFS进行高效液相色谱分析,结果显示(图7),CFS中含有多种有机酸,其中乳酸、柠檬酸、乙酸的含量超过1 g/L,乳酸的含量最高(22.02±0.23)g/L,其次是柠檬酸(4.99±0.04)g/L和乙酸(3.67±0.06)g/L,其他有机酸的含量较低。乳酸可以防止霉菌和好氧细菌的生长,高含量的乳酸可以提升谷物、果蔬等食品储存期间的质量和稳定性。这与Chen等研究相似,其检测到Lactiplantibacillus kefiri M4上清液中乳酸含量最高9.776 g/L,Pediococcus acidilactici MRS-7中乙酸含量最高12.343 g/L。与单一的有机酸的抑制率相比,相同浓度的多种有机酸混合后的溶液对黄曲霉孢子的抑制效果更好,这说明有机酸可能通过协同或相加效应抑制霉菌生长。与上述研究相比,本研究检测到的有机酸种类较多,含量较高,推测抑菌效果可能更好。

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 L. plantarum ST3.5-CFS对霉菌细胞结构的影响

图8为产黄青霉(图8A)和杂色曲霉(图8B)经ST3.5-CFS处理前后菌丝形态的变化。未经过L. plantarum ST3.5-CFS处理的产黄青霉菌丝体表面光滑饱满,菌丝挺直发达(图8A-a-2),菌丝尖端生长良好呈锥形(图8A-a-3),相比之下经过处理后的产黄青霉菌丝体大多表面呈轻微塌陷,少量菌丝崩解,菌丝轻度皱缩(图8A-b-2),菌丝尖端严重变形呈畸形生长(图8A-b-3)。而经过处理的杂色曲霉菌丝体与对照组(图8B-a)相比,菌体表面有大量皱缩、不光滑,部分呈扭曲状态(图8B-b-2),菌丝尖端生长异常,有不同程度的膨大畸变,尖端呈现较小的分支(图8B-b-3)。这与赵雅茹等研究的植物乳杆菌对黄曲霉的破坏结果相似,说明L. plantarum ST3.5对产黄青霉和杂色曲霉的生长具有抑制作用。这一作用可能是因为L. plantarum ST3.5的主要抑菌物质是有机酸,其以未解离的形式通过微生物膜扩散,在细胞内解离,降低了pH,破坏霉菌的膜结构,增加膜的渗透性,造成细胞内的物质和重要的离子丢失,从而起到抑制霉菌的作用。

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玉米腐败的生物防治

图9是经过ST3.5-CFS处理后的玉米粒接种霉菌培养7d后的生物防治效果图。从图中可以看出,经过L. plantarum ST3.5-CFS处理的玉米粒对两株霉菌都有较强的抑制作用,在28 ℃中培养7d后,对照组均长出霉菌,而实验组无霉菌的生长。说明L. plantarum ST3.5对玉米的霉菌污染有生物防治作用,推测其对多种谷物和食物中的霉菌也有相似作用,可进一步进行深入研究。


本研究从泡菜中筛选出一株抑制霉菌效果良好的菌株,经菌落形态观察、革兰氏染色镜检和16S rRNA鉴定为植物乳杆菌。进一步证明其良好的耐酸性特性,可以抑制致病菌的生长,且对部分抗生素耐药,说明该菌株具有良好的生物特性。通过热处理、酸处理和酶处理排除实验,推测出L. plantarum ST3.5-CFS中的主要抑制霉菌物质是有机酸,通过HPLC测定发现乳酸、柠檬酸、乙酸的含量较高,而其他有机酸的含量低。经过扫描电镜观察发现霉菌被抑制后菌丝被破坏、褶皱、弯曲变形,并用玉米生物防治实验验证了L. plantarum ST3.5可以抑制玉米中霉菌的生长。未来需要对L. plantarum ST3.5进一步研究,以测试其抑制霉菌生物合成的作用和机制,并探究其在生物控制其他真菌污染物和延长谷物与其他食品保质期方面的应用,为农产品及食品的储藏保鲜提供理论依据和技术支持。

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