地衣芽孢桿菌在食品工業中的應用
摘要地衣芽孢桿菌是一種公認的安全無毒的革蘭氏陽性菌由于地衣芽孢桿菌能產豐富的蛋白酶,能提高營養利用效率提高動物免疫功能以及抑制致病菌的效果,在食品工業方面已經有廣泛的應用主要綜述地衣芽孢桿菌在食品工業方面的應用及其相關機理研究
關鍵詞地衣芽孢桿菌;蛋白酶;免疫功能;抑菌
地衣芽孢桿菌是一種廣泛分布于土壤和其他自然環境的革蘭氏陰性菌地衣芽孢桿菌具有營養要求簡單對不良環境有極強抵抗能力產酶種類多且產量高耐熱性強抑制致病菌以及安全無毒等諸多優良特性因此比較適合用于工業生產已經被多個國際機構認定為GRAS工業菌株[1]地衣芽孢桿菌應用范圍較廣能有效預防水產動物腸炎分解水中有毒有害物質能促進飼料中營養素降解能調整腸道菌群失調減少腸道細菌感染[2]能產生抗性物質從而抑制致病菌生長繁殖因此地衣芽孢桿菌在水產業畜牧業林業食品工業和醫藥行業均有廣泛的應用[3]近年來地衣芽孢桿菌由于其安全性產酶豐富以及能抑制致病細菌的特性在食品工業上的應用也越來越多對地衣芽孢桿菌在食品工業中的應用及相關機理進行綜述
1地衣芽孢桿菌基本生物學特征
地衣芽孢桿菌是一種在土壤中常見的革蘭氏陽性嗜熱細菌其最適合生長溫度為30℃但酶的最適合分泌溫度為37℃地衣芽孢桿菌還能產生許多具有熱溫度性較強的蛋白酶而且抵抗惡劣環境的能力比較強
地衣芽孢桿菌與解淀粉芽孢桿菌的親緣關系最近兩者DNA同源性在9%~15%地衣芽孢桿菌培養菌落呈圓形表面不光滑鏡檢菌株為直桿狀兩端呈圓形芽孢有運動能力能利用丙酸鹽是地衣芽孢桿菌才具有的生化特征地衣芽孢桿菌還具有淀粉水解利用檸檬酸鹽明膠液化硝酸鹽還原以及精氨酸脫水酶生產能力根據以上生理生化特征結合16SrDNA序列可以對地衣芽孢桿菌進行鑒定[4]
2地衣芽孢桿菌在食品中的應用
2.1地衣芽孢桿菌的安全性研究
地衣芽孢桿菌已經被多家機構認定為GRAS菌株有關地衣芽孢桿菌致病性案例均為創傷器官移植等繼發性感染病例目前還沒有地衣芽孢桿菌突破皮膚消化道和呼吸道黏膜等人體天然屏障的報道因此地衣芽孢桿菌是非人類致病菌目前幾乎未見關于地衣芽孢桿菌引起食物中毒的報道地衣芽孢桿菌長期應用于生產食品工業用酶制劑[5]因此地衣芽孢桿菌食品安全性較高
1972年地衣芽孢桿菌開始被大規模應用于淀粉酶生產1981年地衣芽孢桿菌生產的食品加工用淀粉水解酶和其他蛋白酶被美國食品和藥物管理局鑒定為GRAS級1989年丹麥衛生部首次給予基因重組地衣芽孢桿菌菌株工業應用的環境認證和生產許可1991年NIH引入了地衣芽孢桿菌的GLSP標準以指導其大規模培養目前地衣芽孢桿菌工業應用國際標準為地衣芽孢桿菌作為宿主細胞應該無芽孢突變株作為遺傳操作載體內源性質粒宿主不包括蠟狀芽孢桿菌[1]
2.2地衣芽孢桿菌在釀造業中的應用
地衣芽孢桿菌由于其豐富的產酶能力和良好的環境適應能力而被應用于釀造工業被認為是醬香型白酒高溫大曲中特有的微生物劉桂君等從牛欄山酒廠生產用大曲中分離純化得到地衣芽孢桿菌用所得液體菌株做種子制備麩曲添加到酒醅中所得地衣芽孢桿菌基酒比普通基酒乙酸乙酯含量提高酒體協調自然說明地衣芽孢桿菌的添加能提高牛欄山二鍋頭基酒的質量[6]
張榮等[7]從醬香型生產用高溫大曲中篩選得到3株產醬香地衣芽孢桿菌以麩皮為培養基所得地衣芽孢桿菌于55℃發酵6d發酵液中可檢測到乙偶姻四甲基吡嗪和呋喃扭爾等產醬香細菌發酵產生的特征性產物
楊帆等[8]從茅臺酒生產用大曲中分離純化得到兩株地衣芽孢桿菌和一株枯草芽孢桿菌在制曲工藝條件下對3株芽孢桿菌的固態發酵代謝產物分析得知其共同的代謝產物為二甲基吡嗪三甲基吡嗪四甲基吡嗪苯乙酸呋喃扭爾丁二醇丁烯酸和異戊酸等酒類風味物質說明地衣芽孢桿菌對于茅臺酒風味的呈現有十分重要的作用
2.3地衣芽孢桿菌酶制劑在食品加工中的應用
地衣芽孢桿菌產生的蛋白酶具有較強的水解能力因此在動物食品加工及水解大豆產多肽方面應用廣泛大豆是一種優質高蛋白脂肪作物可制成各類食品豆粕是大豆提取油后的副產品其中豐富的蛋白可以采用地衣芽孢桿菌蛋白酶加以利用制成肽類飲料樂超銀等[9]從土壤中分分離得到高產蛋白酶的地衣芽孢桿菌用該地衣芽孢桿菌以大豆分離蛋白為原料進行發酵生產通過對發酵條件進行優化大豆多肽得率達到70%其中大豆蛋白多肽含量可達19.2mg/mL而且所得大豆多肽發酵液具有良好的口感可作為食品原料具有較高的營養價值
翟瑞文[10]用地衣芽孢桿菌2709堿性蛋白酶水解玉米渣酶解后可溶性肽的含量明顯升高經過HPLC對酶解產物分析發現酶解后多肽分子量分布范圍為3000~10000Da他用所得的短肽制備了多肽飲料李紅梅等研究發現控制地衣芽孢桿菌堿性蛋白酶對玉米蛋白的水解條件可以改變玉米蛋白的結構和乳化性能
郭敏亮等[11]用2709地衣芽孢桿菌堿性蛋白酶對高度變性的脫脂豆粕進行水解處理水解pH為9.7發現酶用量超過532U/mL時豆粕的氮溶指數可達80%~90%最大氮溶指數達90.5%說明豆粕被地衣芽孢桿菌蛋白酶水解的比較完全在35℃條件下水解24h酶濃度高于1000U/mL時對大豆蛋白的最高水解度可達65%該條件比較有利于多肽飲料的制備
吳遠根等[12]利用地衣芽孢桿菌作為出發菌株以提取油后的麻瘋樹餅粕作為培養基進行固體發酵生產蛋白酶研究表明地衣芽孢桿菌于30℃發酵3d蛋白酶產量達到最大值為7465U/g對麻瘋樹餅粕利用較為充分
2.4地衣芽孢桿菌在養殖業中的應用
由于地衣芽孢桿菌對致病菌有一定的抑制作用而且地衣芽孢桿菌所產生的豐富的蛋白酶能促進腸道消化因此地衣芽孢桿菌在飼料添加劑方面有較廣泛的應用辛娜等[13]將主要成分為地衣芽孢桿菌的芽孢桿菌制劑添加到蛋雞飼料中發現飼料的轉化率得到提高蛋雞的發病率明顯減少而且雞蛋的蛋殼硬度相比對照組增加2.55%產蛋率有所提高并且破蛋率降低同時還能改善蛋黃顏色劉曉琳等[14]將地衣芽孢桿菌添加到斷奶仔豬的飼料中結果表明地衣芽孢桿菌組平均日增重比對照組高13.89%而且地衣芽孢桿菌料肉比比對照組低15.49%該組的腹瀉率比對照組低17.31%差異極顯著說明地衣芽孢桿菌的添加能減少仔豬發病提高其生產性能
｜任永軍等[15]在肉兔飼料中添加地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌各占一半的復合菌劑結果表明試驗組乳酸桿菌雙歧桿菌的數量顯著增加腸道內容物pH明顯降低血清中免疫球蛋白和補體含量顯著提升復合菌劑的添加可以促進肉兔腸道發育刺激腸道益生菌的增值同時還可提高機體的免疫功能
地衣芽孢桿菌在水產養殖方面也有一定的應用價值丁賢等[16]發現用含有地衣芽孢桿菌的飼料投喂南美白對蝦結果發現對蝦體內脂肪酶淀粉酶以及蛋白酶的含量均明顯高于未喂地衣芽孢桿菌的對蝦且地衣芽孢桿菌組對蝦的發病率較低體重及產量明顯高于未喂地衣芽孢桿菌組例如劉克琳等[17]在飼料中添加1%的地衣芽孢桿菌結果鯉魚的免疫器官內TB淋巴細胞壁比對照組鯉魚成熟得更快產量也更高產生相應抗體也有所增加免疫功能有所增強異育銀鯽投喂含地衣芽孢桿菌的飼料后對嗜水氣單菌的抗感染力顯著增強在澳大利亞海蝦養殖過程中熒光菌侵染病曾經使海蝦大量死亡這是由于具有熒光的弧菌引發的在施用含地衣芽孢桿菌等益生菌后水體中弧菌數量顯著減少菲律賓對蝦養殖場中也出現大量熒光菌在加入抗生素后效果不明顯而加入地衣芽孢桿菌等益生菌后有害熒光菌數量明顯減少對蝦的成活率顯著提升
2.5地衣芽孢桿菌在糧油植物病蟲防治中的應用
由于地衣芽孢桿菌有豐富的蛋白酶和許多不同分子量大小的多肽其中部分蛋白和多肽具有較強的抗菌活性因此地衣芽孢桿菌菌液在糧油植物病蟲防治方面有較廣泛的應用價值
孫啟利等[18]研究發現地衣芽孢桿菌W10培養菌液對油菜菌核病菌有加強的抑制作用當地衣芽孢桿菌W10抗菌蛋白質量濃度為100μg/mL時對菌絲生長的抑制率大于90%成立后菌核萌發推遲明顯抑制子囊孢子萌發和芽管伸長病菌菌絲出現斷裂細胞膜通透性改變電解質滲漏電導率增加當蛋白質量濃度達100μg/mL時防治效果達71.8%相當于1000μg/mL的腐霉利因此地衣芽孢桿菌W10可作為新型生物農藥單獨使用或聯合多菌靈等復配使用
彭化賢等[19]從來自四川省簡陽市汕優63水稻根際分離篩選得到208個細菌菌株對稻瘟病菌具有較強的抑制能力主要包括地衣芽孢桿菌枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等抑菌帶寬度大多在15.1~25mm說明地衣芽孢桿菌在防治稻瘟病方面有較好的應用前景地衣芽孢桿菌除防治病蟲外還能在一定程度上提高糧食作物的品質趙國緯等研究了地衣芽孢桿菌發酵液發酵上清液及菌體對打田玉米和盆栽玉米的作用結果表明地衣芽孢桿菌L3發酵液相對對照組能顯著減少水稻稻瘟病的發生并明顯增加水稻的穗粒數和干粒重提高水稻的品質和產量他們還采用地衣芽孢桿菌L3對玉米進行葉面噴施和灌根處理發現地衣芽孢桿菌在發酵過程中可以產生玉米素玉米素核苷和細胞分裂素等生長調節劑地衣芽孢桿菌組平均株高平均直徑和干粒重菌比對照組有顯著提高從而提高玉米的品質和產量丁志剛等[20]將地衣芽孢桿菌培養液按秸稈不同質量比噴灑于秸稈表面在作用不同時段后取樣發現其中粗纖維酸性木質素酸性洗滌纖維呈下降趨勢而秸稈中蛋白含量上升說明地衣芽孢桿菌處理小麥和水稻能顯著提升小麥秸稈和水稻稻草品質
3地衣芽孢桿菌作用機理研究
地衣芽孢桿菌能產生豐富的蛋白酶而且能作為益生菌調節動物的腸道功能增強動物的機體免疫能力減少飼養動物的發病率還能作為生物農藥防治植物病害改善農作物的品質許多研究者對于地衣芽孢桿菌的作用機理進行了研究
3.1地衣芽孢桿菌的抑菌功能
地衣芽孢桿菌對多種動植物病原菌具有加強的抑制作用唐麗娟等[21]研究了地衣芽孢桿菌W10對分離自番茄灰霉病果的灰葡萄孢的抑制作用進行了研究結果發現病菌在W10培養濾液中培養3h出現原生質收縮和空泡現象5h后菌絲細胞尤其是頂端細胞膨大成為球狀培養7h則出現菌絲細胞壁破損原生質外滲和菌絲斷裂W10培養濾液對灰葡萄孢的最高抑制率可達100%即使將W10培養濾液稀釋100倍對灰葡萄孢的抑制率仍達67.7%W10培養濾液還能明顯抑制灰葡萄孢產孢還能明顯推遲菌核的萌發時間對培養濾液進行硫酸銨沉淀發現上清液沒有抑菌活性沉淀的抑菌活性較高說明W10分泌的抗菌物質為蛋白Batrakov[22]研究發現地衣芽孢桿菌603菌株能分泌一種對于多變棒桿菌有明顯抑制作用的新型脂肽W10菌株作用于蘋果輪紋病菌菌絲能使得細胞壁破損并使菌絲呈螺旋狀扭曲畸形李玉峰等[23]研究了地衣芽孢桿菌代謝物對馬鈴薯晚疫病病菌菌絲生長游動孢子釋放和萌發以及孢子囊萌發產生芽管的抑制作用結果表明地衣芽孢桿菌代謝物對馬鈴薯晚疫病菌的游動孢子釋放和萌發有明顯的抑制作用對孢子囊萌發和菌絲生長抑制作用則相對較弱
3.2地衣芽孢桿菌調節腸道及提高免疫功能機理研究
地衣芽孢桿菌在生長繁殖過程中能產生維生素B1B2B6C和K2為動物提供維生素營養作為益生菌顆粒保藏時以孢子形式存在不易死亡孢子在動物腸道內能迅速復活消耗大量氧氣維持腸道厭氧環境從而抑制致病菌的生長而且復活的孢子能產生多種高活性的水解酶類降解飼料中各種有機物促進動物對營養物質的吸收劉陽等[24]研究了地衣芽孢桿菌KL6對鯉魚生產性能及消化酶活性的影響研究發現地衣芽孢桿菌KL6對金黃色葡萄球菌有較明顯的抑制作用但對大腸桿菌和沙門氏桿菌抑制效果不明顯地衣芽孢桿菌活菌數隨模擬胃液pH下降而下降經腸液處理4h地衣芽孢桿菌KL6的存活率為84.4%當菌劑添加量為0.5%時鯉魚食糜蛋白酶活性比對照組提高了43.26%食糜淀粉酶活性比對照組提高了5.45%胰臟蛋白酶活性提高了15.32%菌劑添加量為2.0%時腸組織蛋白酶活性比對照組提高了25.59%說明地衣芽孢桿菌KL6增強了鯉魚機體消化酶活性促進其生長潘康成[25]將地衣芽孢桿菌制成微生態制劑飽喂斷奶家兔40d結果表明飼喂地衣芽孢桿菌組家兔的血清白清抗體對RHD病毒的特異性血凝抑制價和血清免疫球蛋白的含量明顯高于對照組說明地衣芽孢桿菌能促進家兔的體液免疫功能
3.3地衣芽孢桿菌體外消化功能研究
地衣芽孢桿菌能產生大量蛋白酶因此能夠分解麥麩稻草以及豆粕等因此在食品加工方面應用較廣泛
如燕紅等[26]研究了地衣芽孢桿菌對稻草的降解作用研究發現地衣芽孢桿菌產酶的同時木質纖維素降解糖化上清液中總糖含量于4h增加到最大值然后下降到一定程度保持恒定還原糖含量隨發酵進行不斷下降該菌株對稻草的降解過程中結晶度未發生明顯變化該菌株對稻草中各組分都有一定程度的降解利用掃描電鏡觀察發現該菌株主要作用稻草的薄壁細胞使其發生嚴重皺縮曹煜成等[27]測定地衣芽孢桿菌胞外產物蛋白酶淀粉酶以及胞外產物消化脂肪的最適合條件發現60℃時蛋白酶活力最高鎂離子鋅離子和銅離子可抑制蛋白酶活力鈷離子鐵離子和鋇離子能抑制脂肪酶活力鎂離子和鋅離子能使其活力升高金屬離子對淀粉水解影響較小當胞外產物濃度升高時水解蛋白質的活力后降低
｜4結語與展望
地衣芽孢桿菌由于其豐富的產酶性能而且其能產生豐富的抗菌物質能調節動物腸道功能提高動物機體的免疫功能減少農作物病害的發生因此在食品工業方面有較廣泛的應用
關于地衣芽孢桿菌的作用機理的研究雖然有一些報道但其作用的抗菌物質的結構以及其與致病菌的相互作用的機制的研究還不夠深入在未來可以從以下方面入手1研究地衣芽孢桿菌產生抗菌物質的氨基酸序列并對其結構進行預測及驗證2研究地衣芽孢桿菌抗菌物質與致病菌中治病物質的相互作用機制3研究地衣芽孢桿菌促進機體免疫功能的作用物質并研究其作用機理及相關的作用途徑4深入研究地衣芽孢桿菌分泌的蛋白酶的作用機理并進一步研究其在食品工業上的廣泛應用
