食品与发酵,I4技 Food and Fermentation Technology 第48卷(第1期)Vo1.48,No.J 产^y一氨基丁酸乳酸茵的筛选及发酵条件初步优化 王超凯1,2,3,刘绪 '2, ,张磊1,2,3刘念1,2,3,彭奎1,2,3潘建军1,2,3,黎贤书4 (1.四川省食品发酵工业研究设计院,四川成都611130;2.酿酒生物技术及应用四川省重点实验室, ̄t)ll成都611130; 3.国家固态酿造工程技术研究中心,I ̄Jtl泸州646000;4.伊犁肖尔布拉克酒业有限责任公司,肖尔布拉克835811) 摘 要:以白酒糟醅和黄浆水为分离源,筛选出3株高产 一氨基丁酸的乳酸茵菌株,其中编号为J97的乳酸茵株 一氨 基丁酸产量最高,经鉴定该菌株为乳酸短杆菌。通过对J97号菌株发酵条件的正交实验优化,确定其最佳发酵条件为: 初始pH 6.5,发酵温度32℃,发酵时间60h,接种量5%,在此条件下 一氨基丁酸产量达到11.5g/L。 关键词: 一氨基丁酸;乳酸菌;发酵;筛选 中图分类号:TQ920.6 TQ922 文献标识码:A 文章编号:1674—506X(2012}01—0036—0004 Selection of Lactic Cid Bacteria for v-aminobutyric Acid Production and Optimization of Fermentation Conditions WANG Chao—kai , .一,LIU Xu , , ,ZHANG Lei , 一.LIU Nian , 一,PENG Kui , 一. PAN Jian-jun , 一.LI Xian—shu (J.Sichuan Food Fermentation Industry Research&Design Institute,Chengdu Sichuan 611130,China; 2.Sichuan Provincial Key Lab of Liquor-marking Biotech&Application,Chengdu Sichuan 611130,China; 3.National Engineering Research Center of Solid-Sttea Brewing,Luzhou Sichuan 646000,China; 4.Xiao Er Bu La Ke Co.Ltd,Xiao Er Bu La Ke,Xinjiang,835811,China) Abstract:Take alcoholic fermentative material and huangshui fluid as samples,three high ̄/-aminobutyric acid pro— ducing strains were selected,in which J97 was the highest^y—aminobutyric acid producing strain and identified as Lactobacillus brevi.orthogonal test was used to optimized the fermentation conditions and the optimum fermentation conditions as follows:initial pH 6.5,fermentation temperature 32 ̄C,fermentation time 60h,inoculation quantity 5%. The content of ̄/-aminobutyric acid was 1 1.5g/L in the optimum culture conditions. Key words: 一aminobutyrie acid;lactic acid bacteria;fermentation;selection doi:10.3969/j.issn.1674—506X.2012.O1—009 一氨基丁酸是广泛分布于自然界的一种非蛋 一氨基丁酸含量很低,而微生物发酵合成 一氨基丁 本文首次从黄浆水和糟醅中筛选 一氨基丁酸 白质氨基酸,是目前研究较为深入的一种重要的抑 酸具有很好的开发前景。 高产乳酸菌株,并对其发酵生产^y一氨基丁酸的条件 进行初步优化,为工业化生产 一氨基丁酸奠定一定 的基础 制性神经传递物质,具有降血压、抗惊厥、镇痛和改 善记忆等生理活性 ]。目前, 一氨基丁酸的合成制 备方法主要有三种¨5]:化学合成、植物富集和微生物 发酵。相比而言,化学合成安全性较差,植物富集的 收稿日期:2011-07—29 基金项目:四川省科技厅应用基础项目(2009JY0025) 作者简介:王超凯(1982一),工程师,从事酿酒生物技术及酿酒工程技术研究。 通讯作者:刘绪,工程师,从事酿酒生物技术及酿酒工程技术研究。 第48卷(总第167-W1) 王超凯等:产 一氨基丁酸乳酸菌的筛选及发酵条件初步优化 37 1材料与方法 1.1材料 1.1.1乳酸菌种分离源 白酒糟醅、黄浆水。 1.1.2培养基 改良MC培养基:蛋白胨0.5%、牛肉浸膏 0.5%、酵母浸膏0.5%、葡萄糖2%、乳糖2%、碳酸钙 1%、琼脂1.5%,pH 6.8。 MRS固体培养基:酪蛋白胨l%、牛肉膏1%、酵 母膏0.5%、柠檬酸氢二铵0.2%、葡萄糖2%、吐温一 80 1%、乙酸钠0.2%、磷酸二氢钾0.2%、硫酸镁 0.058%、硫酸锰0.025%、琼脂1.8%,pH 6.8。 GYP种子培养基:葡萄糖1%、酵母膏1%、蛋白 胨O.5%、乙酸钠0.2%、硫酸镁0.02%、硫酸锰 O.01%、硫酸亚铁0.01%、氯化钠O.O1%。 GYP发酵培养基:在GYP种子培养基中添加 1%L一谷氨酸。 1.1.3仪器与设备 SPX一250B—D型恒温培养箱、YXQ—LS一30一S II 型立式压力蒸汽灭菌器、SW—CJ一2FD型双人单面洁 净工作台、Agilent 1 100高效液相色谱仪、DT一500A 型电子天平、lOOx2OOmm层析缸。 1.2 方法 1.2.1乳酸菌的分离 称取5g糟醅于三角瓶中,加入50mL无菌水, 混匀制成菌悬液。吸取lmL菌悬液或lmL黄浆水以 10倍法稀释至10 、1O{、10 。吸取稀释液各0.5mL 于已灭菌的平皿中,然后倒人冷却至50℃左右的改 良MC培养基混匀,凝固后置30cI=厌氧培养48h,挑 取平皿中有溶钙圈的菌落,以划线法在MRS培养基 上分离纯化。 1.2.2产^y一氨基丁酸乳酸菌的筛选 150mL三角瓶中装入100mL GYP种子培养 基,接人2—3环分离得到的乳酸菌种,30℃静置厌氧 培养24h,然后以3%的接种量接人含100mL GYP 发酵培养基的150mL三角瓶中,静置厌氧培养48h。 取发酵液进行 一氨基丁酸含量检测。 1.2.3 一氨基丁酸的检测 定性检测:薄层层析法,展开剂为苯酚(V):甲酸 (V):水(V)=18:2:1,显色剂为0.4%茚三酮溶液,90℃ 显色10min。以^y一氨基丁酸标准品为参比,将发酵 液离心(8000r/min,15min)后,取上清液进行薄层层 析,点样量为51a,L。 定量检测:高效液相色谱法 。 1.2.4高产 一氨基丁酸乳酸菌的鉴定 ①形态学鉴定:观察、记录分离培养基平板上菌 落形态。 ②生理生化特性鉴定:革兰氏染色反应、接触酶 反应、糖类发酵试验。 1.2.5 一氨基丁酸的发酵培养 150mL三角瓶中装入100mL GYP种子培养 基,接入2—3环分离得到的高产 一氨基丁酸乳酸菌 种,30 ̄C静置厌氧培养24h,然后以3%的接种量接 入含100mL GYP发酵培养基的150mL三角瓶中, 静置厌氧培养48h。取发酵液进行 一氨基丁酸含量 检测。 2结果与分析 2.1 产 一氨基丁酸乳酸菌的分离、筛选 共分离出118株乳酸菌菌株。通过发酵培养和 一氨基丁酸的检测,发现有46株乳酸菌能将L一谷 氨酸转化为 一氨基丁酸,但绝大部分菌株的转化能 力处于较低水平。只有编号为:H14、H56和J97的3 株乳酸菌产 一氨基丁酸的能力相对较强,分别达 到:6.2g/L、6.7g/L和7.1g/L。J97号菌株 一氨基丁酸 产生量高于其它两株乳酸菌,因此将它作为后续实 验的出发菌株,并对其进行鉴定。^y一氨基丁酸的定 性检测和具体筛选结果见图1和表1。 H14 H56 J97 L一谷氨酸 图1 y一氨基丁酸的薄层层析定性检测 Fig-1 Qualitative detection of,y-aminobu ̄ric acid by TLC 表1菌株筛选结果 Tab.1 Results of bacterial strain screening 一氨基丁酸浓度/g,L O-1.5 1.5-3 3-4.5 4.5—6 6-7.5 菌株数41 1 0 1 3 ’ 占总菌株数的百分IL1%89.1 2.2 0 2.2 6.5 38 食品与发酵,PI-技 2012年第1期 2.2 高产 一氨基丁酸乳酸菌的鉴定 ①形态学鉴定:J97号乳酸菌菌落颜色为乳白 色,表面湿润,边缘光滑,菌体呈短杆状,无芽孢,不 能游动。 ②生理生化特性鉴定:革兰氏染色呈阳性:过氧 化氢酶反应不产气体,阴性反应;精氨酸水解不产 氨;糖类发酵实验结果见表2。 表2糖类消化实验 Tab.2 Fermentation of different kinds of saccharides by the selected stain 碳水化合物葡萄糖木糖蔗糖麦芽糖乳糖半乳糖核糖 反应结果 + 一 十 + + + 一 根据对J97号乳酸菌的形态学和生理生化特性 鉴定结果,初步判断J97号乳酸菌为乳酸短杆菌。 2_3发酵条件优化 2.3.1 初始pH对 一氨基丁酸产量的影响 用lmol/L NaOH溶液将GYP发酵培养基pH 调至5.O、5.5、6.0、6.5、7.0和7.咖知《∞《o 9 5,于121℃条件下灭 一]/b】8 7 6 5 4 3 菌15min。冷却后按3%接种量接人种子培养液, 30℃静置厌氧培养48h,经过滤、离心后,测上清液 中 一氨基丁酸含量。由图2可知,当发酵培养基的 pH在5.0—6.5的范围内,乳酸菌发酵产生^v一氨基丁 酸的量随着pH的升高而增加。当pH为6.5时, 一 氨基丁酸的产量最高。达到7.Tg/L。这可能是因为在 此pH值时.最适合乳酸菌菌体的生长及谷氨酸脱 羧酶的产生,进而催化L一谷氨酸转化为^y一氨基丁 酸。当初始pH继续提高到6.5—7.5的范围内时, 一 氨基丁酸的生成量又逐渐下降。 8 j 西 一 ll田I 如 《 ∞ 《 0 5 4.5 5 5 5 6 6.5 7 7 5 8 pH 图2初始DH对GABA产量的影响 Fig.2 Effe ̄of initial pH on GABA product 2.3.2发酵时间对 一氨基丁酸产量的影响 用lmol/L NaOH溶液将GYP发酵培养基pH 调至6.5,于121%条件下灭菌15min,冷却后按3% 接种量接人种子培养液,30℃静置厌氧培养12h、 24h、36h、48h、60h、72h,经过滤、离心后,测上清液中 一氨基丁酸含量。由图3可知,在发酵时间12h一36h 内,^y一氨基丁酸的产量随着发酵时间的延长而快速 提高,当发酵时间为48h时, 一氨基丁酸的产量达 到7.7 L,再延长发酵时间, 一氨基丁酸的生成量增 加幅度较小,考虑到发酵周期及生产成本,选择发酵 48h为最佳发酵时间。 o 12 24 36 48 60 72 时间(h) 图3发酵时间对GABA产量的影响 Fig.3 Effect of fermentation time on GABA product 2.3.3接种量对 一氨基丁酸产量的影响 用lmol/L NaOH溶液将GYP发酵培养基pH 调至6.5,于121℃条件下灭菌15min,冷却后按接种 量1%、3%、5%、7%、9%、1l%、13%接人种子培养 液,30cI二静置厌氧培养48h,经过滤、离心后,测上清 液中^y一氨基丁酸含量。由图4可知:接种量在1%一 7%的范围内, 一氨基丁酸的产量都随着接种量的增 加而提高,当接种量为7%、发酵时间为48h时,^y一 氨基丁酸产量达到9.5g/L,再继续提高接种量, 一氨 基丁酸产量提高的幅度较小,考虑到生产成本,选择 7%为最佳接种量。 10 9.5 —— 9 8.5 8 蚓7.5 7 歪6 3 0 5 5 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1o 11 12 13 14 接种量(%) 图4接种量对GABA产量的影响 Fig.4 Effect of inoculation quantity Of]GABA product 2-3.4发酵温度对 一氨基丁酸产量的影响 用lmol/L NaOH溶液将GYP发酵培养基pH 调至6.5,于121%条件下灭菌15min,冷却后按接种 量7%接人种子培养液,分别在22%、24%、26%、 第48卷(总第167期) 王超凯等:产'7-氨基丁酸乳酸菌的筛选及发酵条件初步优化 39 28cI二、30℃、32℃、34℃、36℃、38℃静置厌氧培养48h, 经过滤、离心后,检钡4上清液中 一氨基丁酸含量。由 图5可知:发酵温度在22—32℃的范围内, 一氨基丁 酸产量随发酵温度的提高而增加,这可能是因为发 酵温度提高有利于乳酸菌的生长和谷氨酸脱羧酶的 产生。当发酵温度达到32℃时,发酵液中^y一氨基丁 酸含量达到10.4g/L。继续提高发酵温度, 一氨基丁 酸产量将随之下降,到38℃时,只占32℃时的 59.6% 11 10 -、3 9 8 7 6 舌5 4 3 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 发酵温度(℃) 图5发酵温度对GABA产量的影响 Fig.5 Effect of fermentation temperature on GABA product 2.3.5发酵条件的优化 选择GYP发酵培养基初始pH、发酵时间、发酵 温度和接种量为因素,以 一氨基丁酸产量为指标, 选用L9(3 )正交表进行正交实验,具体因素与水平 选择见表3。 表3正交实验因素水平表 Tab.3 Factors and levers of orthogonal test 由表4可知:四个因素对^y一氨基丁酸产量的影 响大小依次为A>B>C>D,即初始pH对 一氨基丁酸 产量的影响最显著,发酵温度次之,发酵时间和接 种量对 一氨基丁酸产量的影响相差不大。四个因 素的最佳组合为A:B2C D 。通过验证发酵实验证 实,当发酵条件满足A2B C D 时,^y一氨基丁酸产量 达到11.5g/L。 3 结论 3.1本文从糟醅和黄浆水中分离到118株乳酸菌, 表4发酵条件的正交试验优化结果 Tab.4 The optimization result of fermentation conditions by o rthogonal testing 初始pH发酵温度发酵时间接种量 一氨基丁酸 试验号 、 A B c C D J 拦_, 通过筛选确定其中46株具有 一氨基丁酸生产能 力,并得到一株高产菌株,编号为J97,鉴定其为乳 酸短杆菌。 3.2以GYP发酵培养基,J97为出发菌,发酵生产 一氨基丁酸的条件进行了单因素和正交优化实验, 结果表明:当初始pH为6.5,发酵温度32 ,发酵时 间60h,接种量5%时,^y一氨基丁酸产量达到11.5g/L。 参考文献 [1] 北京医学院基础部.中枢神经介质概论[M].北京:科学 出版社,1977:210—281. 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