產抗氧化胞外多糖海洋細菌的篩選及發酵產糖培養基優化

房耀維，呂明生，徐煒楓，劉 姝，焦豫良，王淑軍,*

(1.淮海工學院海洋學院，江蘇省海洋資源研究院，江蘇 連云港 222005；2. 江蘇省農產品質量檢驗測試中心，江蘇 南京 210036)

產抗氧化胞外多糖海洋細菌的篩選及發酵產糖培養基優化

房耀維1，呂明生1，徐煒楓2，劉 姝1，焦豫良1，王淑軍1,*

(1.淮海工學院海洋學院，江蘇省海洋資源研究院，江蘇 連云港 222005；2. 江蘇省農產品質量檢驗測試中心，江蘇 南京 210036)

從連云港海域分離海洋細菌，并從中篩選獲得一株產抗氧化活性較強的胞外多糖的細菌菌株OST23a。通過形態學、生理生化鑒定及16S rRNA分析，將菌株OST23a鑒定為Bacillus subtilis。采用單因素試驗確定菌株OST23a發酵產胞外多糖的最佳碳、氮源和金屬離子分別為正己烷、酵母提取物和CaCl2。采用正交試驗確定了菌株OST23a產胞外多糖培養基的配方為：正己烷1.5%、酵母提取物0.1%、K2HPO4 0.3%、KH2PO4 0.1%、CaCl2 0.1%。菌株在該培養基產胞外多糖可達到9.06mg/L。

海洋細菌；胞外多糖；抗氧化活性；篩選；培養基優化

微生物胞外多糖(extracellular polysaccharides，EPS)是由微生物產生后分泌到細胞外的長鏈、高分子質量聚合物。由于微生物胞外多糖具有包括抗氧化活性在內的多種生物活性，并且安全無毒、易于純化和連續發酵生產，因此成為人們研究的熱點[1-2]。目前報道較多的抗氧化微生物胞外多糖是海藻多糖和真菌多糖，而細菌多糖研究較少。海洋的高鹽、高壓、低溫、寡營養等特殊環境賦予海洋微生物代謝產物多樣性、新穎性和獨特性。海洋微生物胞外多糖往往具有獨特的生化結構和生物學活性[3-4]。本實驗從連云港海域篩選抗氧化活性的微生物胞外多糖高產菌株，對菌株進行生理生化及16S rDNA序列分析鑒定，對菌株發酵產胞外多糖的條件進行研究，為微生物胞外多糖的應用提供實驗指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海泥及海水樣品采集于連云港連島海域。

胰蛋白胨、酵母提取物 英國Oxoid公司；基因組提取試劑盒 大連寶生物公司；dNTP、瓊脂糖、Taq酶 美國BBI公司；還原型輔酶(NADH) 美國Sigma公司；其他化學試劑均為國產分析純。

2216E 液體培養基(%)：胰蛋白胨0.5、酵母提取物0.1、海水配制，pH7.0，固體培養基添加2%瓊脂；種子培養基(%)：葡萄糖1、胰蛋白胨0.5、酵母提取物0.1、海水配制，pH7.0，固體培養基添加2%瓊脂；發酵培養基(%)：葡萄糖1、胰蛋白胨0.5、酵母提取物0.1、K2HPO40.3、KH2PO40.1、MgSO40.05、海水配制，pH7.0。

1.2 儀器與設備

PHS-3C型精密酸度計 上海精密科學儀器廠；680 ELX-800 酶標儀、Gel Doc 2000凝膠成像系統 美國Bio-Rad公司；Centrifuge 5804R高速冷凍離心機 美國Eppendorf公司；DV-I Prime黏度計 美國Brookfield公司。

1.3 產抗氧化胞外多糖菌株的篩選

1.3.1 連云港海域海洋細菌的篩選

將取自連云港連島海域的海水1mL、潮間帶海泥1g添加到250mL 三角瓶裝有50mL的2216E培養基中，28℃、160r/min 培養36h后，將培養液稀釋106倍，吸取10～100μL 涂布2216E培養基平板。在28℃ 培養箱中培養2 d，觀察菌落顏色、形態，劃線純化至純種后保藏備用。

1.3.2 產胞外多糖產生菌的初篩

初篩獲得的菌株接種到種子培養基，28℃、160r/min培養24h后，以1%接種量接種至發酵培養基，28℃、160r/min 培養36h后，測定發酵液黏度和OD600nm，從中選擇黏度/OD600nm比值最高的12株菌備用。所有實驗設3個重復。

1.3.3 高產胞外多糖產生菌的復篩

將上述發酵液8000×g離心10min，取20mL上清液加3倍體積的95%乙醇，4℃沉淀過夜，10000×g離心20min，所得沉淀用蒸餾水定容到20mL，獲得粗胞外多糖，測定粗多糖含量。

1.3.4 多糖含量的測定

采用苯酚-硫酸顯色法測定多糖含量[5]。

1.3.5 抗氧化胞外多糖產生菌的篩選

復篩獲得高產胞外多糖菌株后，將所有菌株的粗多糖質量濃度稀釋至0.05g/L，測定1.3.3節所獲得的粗胞外多糖清除超氧陰離子自由基()和羥自由基(·OH)能力。

采用氮藍四唑(NBT)法。配制50mmol/L、pH7.4的磷酸鹽緩沖液(含150μmol/L的NBT)、60μmol/L的吩嗪硫酸甲脂(PMS)、468μmol/L的NADH，量取1mL該緩沖液加入1mL 1.3.5節所獲得的粗胞外多糖溶液，25℃反應5min，然后在波長560nm處測定吸光度(Ai)。對照液以1mL蒸餾水代替待測液，測定其吸光度(A01)。O2－·清除能力用TR表示，通過式(1)計算。

1.3.7 對·OH清除能力的測定[7]

采用α-脫氧核糖氧化法。準確量取0.2mL FeSO4-EDTA混合液(10mmol/L)移至具塞試管中，加入10mmol/L 2-脫氧核糖溶液 0.2mL，再加入1.0mL 不同質量濃度的1.3.5節所獲得的粗胞外多糖溶液，隨后用磷酸鹽緩沖溶液(pH7.4) 定容至1.8mL，最后加入10mmol/L過氧化氫溶液0.2mL，混合均勻后將該體系置于37℃恒溫水浴中1h，取出，再向該體系加入1.0mL 2.8% 的三氯乙酸溶液(TCA)，1.0mL 1.0% 的硫代巴比妥酸溶液(TBA)，混合均勻后于水浴中反應10min，取出，冷水冷卻，在532nm波長處測定該體系的吸光度AS。對照液以1.0mL蒸餾水代替待測液，測定吸光度A02。

對·OH的清除能力用SA表示，通過式(2)計算。

1.4 細菌鑒定

對菌株進行形態學及生理生化鑒定[8]。進一步對菌株16S rRNA 進行擴增，序列測定后Blast 搜索同源序列并構建進化樹[9]。

1.5 培養基成分對胞外多糖產量的影響

1.5.1 碳源對胞外多糖產量的影響

發酵培養基其他成分以及發酵條件不變，分別用1%的果糖、麥芽糖、蔗糖、乳糖、可溶性淀粉、正己烷替換培養基中的葡萄糖和蛋白胨，用苯酚-硫酸法測定胞外多糖產量確定最佳碳源。實驗設3個重復，下同。

1.5.2 氮源對胞外多糖產量的影響

發酵培養基其他成分以及發酵條件不變，分別用0.1%的牛肉膏、硝酸鉀、硫酸銨、尿素、酪蛋白替換培養基中的酵母提取物，用苯酚-硫酸法測定胞外多糖產量確定最佳氮源。

1.5.3 金屬離子對胞外多糖產量的影響

發酵培養基其他成分以及發酵條件不變，分別用0.05% 的 MnSO4、FeSO4、CuSO4、ZnSO4、CaCl2替換培養基中的MgSO4，用苯酚-硫酸法測定胞外多糖產量，確定最佳金屬離子。

1.5.4 正交試驗設計

以正己烷、酵母提取物、CaCl2為因素進行L9(33)正交試驗設計。

1.6 數據處理與統計

采用SPSS 13.0軟件對數據進行標準差分析。

2 結果與分析

2.1 產抗氧化胞外多糖菌株的篩選

通過2216E培養基平板對所采樣品中海洋細菌進行分離，獲得菌株389株。研究表明，產胞外多糖菌株使發酵液黏度增加，并呈一定的相關性。用OD600nm測定生物量，二者的比值可以衡量菌株產胞外多糖的能力。對389株海洋細菌發酵液黏度和OD600nm進行測定，比值最高的12株菌的測定結果如表1所示。在黏度/OD600nm比值最高的12株菌中，不同菌株的黏度/OD600nm和多糖之間相關性較差，這可能是由于不同菌株使發酵液變黏稠的原因不同，或者即使都是多糖導致的黏稠度增加，不同菌株多糖的種類亦有差別，因此造成相關性較差，因此黏度只能作為多糖產生菌株篩選的初篩指標。GDM21產粗多糖的能力最高，但是該多糖檢測不到對·OH和O2－·的清除能力。結合產多糖能力及對·OH和O2－·清除能力，選取菌株OST23a作為出發菌株進行進一步研究。

2.2 菌種鑒定

表2 菌株OST23a形態、生長特性及生理生化特征Table 2 Morphological, physiological and biochemical characteristics of strain OST23a

對菌株OST23a進行形態學及生理生化鑒定，結果如表2所示，對照文獻[8]，初步將菌株OST23a鑒定為芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)。對該菌株擴增的部分16S rRNA 序列(GenBank HQ141318)長度為1345bp，經Blast比對，與之相似度最高的菌株均為Bacillus sp.；其中與Bacillus subtilis的 16S rRNA (AF142577) 相似度最高。選取相似度最高的部分序列，經Clustal X 多序列比對后，利用Mega4.0 軟件的Neighbour-Joining 方法構建系統發育樹，結果如圖1所示。菌株OST23a與菌株Bacillus subtilis (AF142577) 的 16S rDNA位于同一簇群，親緣關系最近。結合形態學及生理生化特征將菌株鑒定為Bacillus subtilis。目前報道的產抗氧化多糖的微生物主要有 Lactococcus lactis[10]、Keissleriella sp.[11]、Paenibacillus polymyxa[12]、Penicillium sp.、Epicoccum nigrum[3]、Bacillus sp.亦有報道，該菌株篩選于新疆羅布泊沙漠[13]。

表1 抗氧化活性多糖產生菌的篩選(±s, n=3)Table 1 Screening of marine strains with the ability to produce antioxidant EPS (±s, n=3)

表1 抗氧化活性多糖產生菌的篩選(±s, n=3)Table 1 Screening of marine strains with the ability to produce antioxidant EPS (±s, n=3)

注：－.無活性檢出。

菌株 黏度/(Pa·s) OD600nm 黏度/OD600nm 粗多糖產量/(mg/L) 清除率/%O2－· ·O H LDM21 2.79±0.11 2.12±0.10 1.41 5.66±0.26 18.31±1.22 35.62±1.68 LDM131 2.76±0.12 1.98±0.11 1.55 4.92±0.27 － －LDM135 2.83±0.12 2.02±0.10 1.48 6.01±0.23 － －LDM1521 2.79±0.13 1.32±0.12 1.48 5.93±0.22 27.91±1.83 45.87±2.65 OST23a 2.88±0.11 1.82±0.09 1.58 5.99±0.23 38.3±2.6 55.56±2.11 OSTK93 2.91±0.14 1.76±0.11 1.66 5.66±0.23 － －OSTK95 2.80±0.12 1.83±0.13 1.53 5.46±0.22 31.12±1.79 44.6±2.1 OSTK102 2.81±0.12 2.00±0.12 1.46 5.62±0.26 12.78±1.16 25.33±1.20 GDM0 2.73±0.11 2.10±0.13 1.59 6.00±0.26 － －GDM21 2.80±0.13 1.76±0.12 1.59 6.13±0.24 － －GDM29 2.80±0.12 1.79±0.11 1.57 5.87±0.23 21.90±1.52 37.41±1.98 GDM51 2.915±0.12 2.12±0.11 1.54 5.97±0.23 30.13±1.77 40.45±1.90

表3 培養基中碳源對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 3 Effect of carbon source type on EPS prodution (±s, n=3)

表3 培養基中碳源對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 3 Effect of carbon source type on EPS prodution (±s, n=3)

碳源 果糖 蔗糖 麥芽糖 乳糖 可溶性淀粉 正己烷 葡萄糖+蛋白胨胞外多糖產量/(mg/L) 3.35±0.13 2.66±0.12 5.81±0.38 4.09±0.22 4.12±0.23 6.15±0.26 5.99±0.19

表4 培養基中氮源對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 4 Effect of nitrogen source type on EPS prodution (±s, n=3)

表4 培養基中氮源對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 4 Effect of nitrogen source type on EPS prodution (±s, n=3)

氮源 牛肉膏 硫酸銨 酪蛋白 酵母提取物 硝酸鉀 尿素胞外多糖產量/(mg/L) 4.68±0.18 1.23±0.08 4.52±0.19 5.99±0.23 1.02±0.06 1.32±0.09

圖1 利用16S rDNA同源序列和鄰接法(Neighbor-Joining)構建的系統發育樹Fig.1 Phylogenetic tree based on homologous sequences of 16SrRNA and Neighbor-Joining analysis

2.3 培養基成分對胞外多糖產量的影響

2.3.1 碳源對胞外多糖產量的影響

由表3可見，在供試的碳源中，葡萄糖和蛋白胨利于胞外多糖的產生，正己烷為碳源時，多糖產量最高，這可能是由于正己烷為有機溶劑，具有一定的極性(極性常數3.5)，菌株通過產生多糖來抵御有機溶劑對細胞造成的危害，所以多糖產量增加，但是正己烷并不是菌株生長的最佳碳源，生物量減少，因此多糖產量增加不明顯。

2.3.2 氮源對胞外多糖產量的影響

由表4可知，供試氮源中，無機氮不利于多糖的產生，有機氮中酵母提取物為氮源時胞外多糖產量最高，達到5.99mg/L。氮源主要通過影響微生物的生長速率影響多糖、酶等代謝產物的分泌。無機氮源不利于微生物的生長，使生物量減少，導致胞外多糖產量下降。

2.3.3 金屬離子對胞外多糖產量的影響

表5 培養基中金屬離子對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 5 Effect of metal ions on EPS prodution (±s, n=3)

表5 培養基中金屬離子對多糖產量的影響(±s, n=3)Table 5 Effect of metal ions on EPS prodution (±s, n=3)

金屬離子 MnSO4 FeSO4 CuSO4 MgSO4 ZnSO4 CaCl2多糖產量/(mg/L)4.68±0.18 2.12±0.08 4.52±0.19 5.99±0.24 4.21±0.24 6.12±0.26

由表5可見，CaCl2可以提高多糖產量。有研究表明，CaCl2可以提高酵母、地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌產多糖的能力[14-15]。

2.3.4 正交試驗

表6 優選產EPS條件正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal array design experiments for optimizing fermentation medium formula

由表6可知，培養基產胞外多糖最佳正己烷、酵母提取物、CaCl2條件為A3B2C3，即正己烷、酵母提取物、CaCl2質量分數分別為1.5%、0.1%和0.1%。從極差R的大小看出，因素C(CaCl2)是影響胞外多糖產量最大的因素，其次是因素B(酵母提取物)，因素A(正己烷)極差最小。對本試驗確定的最佳培養基組分進行驗證實驗，結果表明該菌株胞外多糖產量能維持在9.06mg/L左右。

3 結 論

從連云港海域細菌中篩選獲得一株產抗氧化活性較強胞外多糖的細菌菌株OST23a，通過形態學、生理生化及16S rRNA分析，將菌株OST23a鑒定為Bacillus subtilis。該菌株分泌的胞外多糖對·OH和O2－·有較好的清除效果，具有潛在的食品及醫藥應用價值。培養基中的碳、氮源及金屬離子對菌株OST23a發酵產胞外多糖的影響研究發現，最佳碳、氮源分別為正己烷和酵母提取物，CaCl2可以提高胞外多糖產量。利于胞外多糖產量積累的發酵培養基配方為：正己烷1.5%、酵母提取物0.1%、K2HPO40.3%、KH2PO40.1%、CaCl20.1%。在此培養基中28℃、160r/min培養36h后胞外多糖產量可達9.06mg/L。

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Screening and Optimization of Fermentation Medium of an Antioxidant Exopolysaccharide-producing Marine Strain

FANG Yao-wei1，Ming-sheng1，XU Wei-feng2，LIU Shu1，JIAO Yu-liang1，WANG Shu-jun1,*
(1. Jiangsu Marine Resources Development Research Institute, School of Marine Science and Technology, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China；2. Jiangsu Agro-product Quality Test Center, Nanjing 210036, China)

In this study, a marine strain named OST23a with the ability to produce antioxidant exopolysaccharide (EPS) was screened out of the strains isolated from the samples of sea water or sea mud collected from the sea area near Lianyungang. The strain OST23a was identified as Bacillus subtilis according to its morphological, physiological, biochemical characteristics and 16S rRNA sequence. The EPS produced by this strain exhibited an obvious antioxidant activity. The optimal carbon and nitrogen sources as well as metal ion for the production of EPS were determined to be n-hexane, yeast extract and CaCl2 by single-factor experiments. The optimal formula of fermentation medium for the production of EPS by OST23a were explored to be 1.5%n-hexane, 0.1% yeast extract, 0.3% K2HPO4, 0.1% KH2PO4, and 0.1% CaCl2 by orthogonal array experiments. The productivity of EPS was up to 9.06 mg/L using this optimal medium.

marine strain；EPS；antioxidant activity；screening；medium composition

TS202.21

A

1002-6630(2010)23-0276-05

2010-08-24

江蘇省高校自然科學基礎研究面上項目(08KJB550001)

房耀維(1978—)，男，副教授，博士，研究方向為海洋微生物生物技術。E-mail：foroei@yahoo.cn

王淑軍(1964—)，女，教授，博士，研究方向為海洋微生物活性物質。E-mail：shujunwang@163.com