納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌功能的研究

王繼偉 葛英亮 于 晉 吉亞力 謝玉鋒

（1.哈爾濱學院工學院食品科學與工程系，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱師范大學管理學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

食品生物抑菌劑本身即為食品的組成成分，所以具有安全、高效、價廉的特點［1］，是純綠色生態制劑［2］，具有很好的發展前景［3］。目前，在食品中常用的生物抑菌劑主要為乳酸鏈球菌素（nisin）和那他霉素（natamycin），抑菌效果好，生產成本較高，應用不夠廣泛。納豆芽孢桿菌 （Bacillus natto）屬于芽孢桿菌屬枯草芽孢桿菌［4］，通常為（0.7～0.8）μm×（2.0～3.0）μm，革蘭氏陽性菌，其芽孢呈橢圓形或柱狀，適宜在中性或偏酸性環境中生存［5］，該菌有鞭毛，能運動。納豆芽孢桿菌是有益菌，耐酸，在胃酸下4h存活率為100%［6］，同時具有強力的病原菌抑制能力［7］，是各種有益菌當中對環境耐受力最好的菌種之一［8］。含有納豆芽孢桿菌的食品，可抵抗胃酸等物質的殺滅作用，進入小腸，能改變人體腸道菌叢生態，調節腸道菌群，幫助消化道機能正常化［9］，同時增強動物細胞免疫反應［10］。關于納豆芽孢桿菌代謝產物抑菌功能的研究［11－13］已經逐漸開始，納豆芽孢桿菌次生代謝產物中可能含有2，6－吡啶二羧酸、桿菌肽、多粘菌素等物質，對食品中常見的污染菌和致病菌具有很強的抑菌效果［14］。

本試驗擬從納豆中篩選分離納豆芽孢桿菌，發酵提取次生代謝產物，研究該代謝產物對食品中常見的污染菌及致病菌的抑菌效果，為開發新型的食品生物抑菌劑奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

納豆：食品級，哈爾濱日尚食品有限公司、黑龍江鑫東方食品有限公司；

牛肉膏：北京圣倫食品有限公司；

蛋白胨：山東梁山科鑫生物制品有限公司；

葡萄糖：分析純，上海西王淀粉糖有限公司；

KH2PO4、K2HPO4：分析純，武漢南輕科技有限公司。

1.2 培養基

牛肉膏蛋白胨液體培養基：牛肉膏3.0g，蛋白胨10.0g，氯化鈉5.0g，蒸餾水1 000mL，pH值7.4～7.6；

馬鈴薯葡萄糖液體培養基：馬鈴薯200.0g，葡萄糖20.0g，自來水1 000mL。

1.3 儀器與設備

電子天平：FA2204B型，上海精密科學儀器有限公司；

生化培養箱：LHR系列，上海一恒科技有限公司；

搖床培養箱：BS－1E型，蘇州威爾實驗用品有限公司；

立式壓力蒸汽滅菌器：YXQ－LS－50S型，上海博訊實業有限公司；

離心機：80－2型，江蘇金壇市環宇科學儀器廠。

1.4 方法

1.4.1 納豆芽孢桿菌及指示菌的分離、純化及保藏 納豆芽孢桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌等指示菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，微球菌、根霉、米曲霉、毛霉采用馬鈴薯葡萄糖培養基，在適當的條件下培養，并純化保存。

1.4.2 梯度稀釋法確定納豆芽孢桿菌的菌液濃度 采用梯度稀釋法統計發酵28h后，液體培養基中的納豆芽孢桿菌菌液濃度。

1.4.3 納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果的確定 取已知濃度的納豆芽孢桿菌菌液，采用牛津杯法衡量納豆芽孢桿菌代謝產物抑菌效果，以菌液稀釋倍數、發酵溫度、發酵時間為因素，進行單因素試驗，以其對各指示菌作用產生抑菌圈直徑的大小為指標，建立因素水平表，選取兩種具有代表性的指示菌，確定納豆芽孢桿菌次生代謝產物最佳抑菌條件。

（1）菌液稀釋倍數的影響：改變菌液的稀釋倍數，作用于指示菌，37℃培養28h后測量抑菌圈直徑，探究菌液濃度對納豆芽孢桿菌代謝產物抑菌效果的影響。

（2）發酵溫度的影響：在不同溫度梯度（34，35，36，37，38，39，40℃）下培養28h。培養結束后，梯度稀釋后作用于指示菌，測量抑菌圈直徑，探究發酵溫度對納豆芽孢桿菌代謝產物抑菌效果的影響。

（3）發酵時間的影響：在37℃下分別培養18，20，22，24，26，28，30，32h，梯度稀釋后作用于指示菌，測量抑菌圈直徑，探究發酵時間對納豆芽孢桿菌代謝產物抑菌效果的影響。

1.4.4 高溫對納豆芽孢桿菌發酵液次生代謝產物抑菌功能的影響 將培養好的納豆芽孢桿菌原菌液和經梯度稀釋（10，102，103，104倍）的稀釋液，在80 ℃下處理20min后，于37℃培養28h，作用于指示菌，記錄各抑菌圈直徑，并與未高溫培養時的抑菌效果做比較。

1.4.5 納豆芽孢桿菌次生代謝產物與Nisin和Natamycin抑菌效果的對比研究 根據以上試驗結果，選用較適宜條件下培養的納豆芽孢桿菌發酵液，在相同條件下與1%Nisin和1%Natamycin試劑共同作用于各指示菌，并記錄各抑菌圈直徑，分析其抑菌效果。

2 結果與分析

2.1 納豆芽孢桿菌發酵液的菌液濃度

采用梯度稀釋法計量菌液濃度，進行3次平行試驗，確定納豆芽孢桿菌菌液中含菌濃度為7.0×106個／mL。

2.2 發酵液稀釋倍數對其次生代謝產物抑菌效果的影響

由表1可知，納豆芽孢桿菌發酵液稀釋10倍時，各指示菌的抑菌圈直徑最大，抑菌效果最好。發酵液稀釋1～100倍時，納豆芽孢桿菌次生代謝產物作用于各指示菌有較明顯抑菌圈，且抑菌圈的直徑變化較大，選取此范圍作為抑菌效果響應曲面試驗中發酵液濃度范圍。原液抑菌效果比稀釋10倍效果略差，可能因原液的濃度大，黏度大，抑菌物質不易擴散導致抑菌效果不佳。

表1 納豆芽孢桿菌發酵液濃度對抑菌效果的影響?Table 1 The effect of the bacteriostatic efficacy with the tunning of Bacillus natto by different concentration

2.3 發酵溫度對其次生代謝產物抑菌效果的影響

由表2可知，在37℃下發酵的納豆芽孢桿菌發酵液，對各指示菌的抑菌圈直徑最大，抑菌效果最好。發酵溫度在34～40℃時，納豆芽孢桿菌處于代謝旺盛期，代謝產物產量較高，且其中抑菌物質含量較高，納豆芽孢桿菌次生代謝產物作用于各指示菌有較明顯抑菌圈，且抑菌圈直徑變化較大，本試驗選取這個范圍作為納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果響應曲面試驗中菌液發酵溫度的使用范圍。

2.4 發酵液發酵時間對其次生代謝產物抑菌效果的影響

由表3可知，發酵28h時的納豆芽孢桿菌發酵液，對各指示菌的抑菌圈直徑最大，抑菌效果最好。發酵時間在24～32h時，納豆芽孢桿菌發育處于對數增長期和持續期，其分泌代謝產物產量能夠維持在一定水平，具有較好的抑菌效果，納豆芽孢桿菌次生代謝產物作用于各指示菌有較明顯抑菌圈，且抑菌圈的直徑變化較大，本試驗則選取這個范圍作為納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果響應曲面試驗中菌液發酵時間的使用范圍。

2.5 對金黃色葡萄球菌抑菌效果的響應曲面試驗

通過對3組單因素試驗結果的分析，確定出納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果BBD正交試驗的因素水平見表4，試驗結果見表5。

式（1）為采用因素代碼形式的金黃色葡萄球菌抑菌圈直徑與各操作因素之間關系的二次方程模型：Y1＝13.20＋0.78A ＋0.15B －0.050C＋0.32AB ＋0.13AC＋0.38BC－2.06A2－2.5B2－1.71C2（1）

由響應曲面試驗可知，在3個因素交互作用（圖1～3）下，對抑菌效果的影響順序是：（發酵溫度×發酵時間）＞（菌液稀釋倍數×發酵時間）＞（菌液稀釋倍數×發酵溫度）。從單個因素影響來看，菌液稀釋倍數對次生代謝產物的抑菌效果影響最大，且在所選的試驗水平范圍內存在最優響應因子水平。由回歸方程確定針對金黃色葡萄球菌的納豆芽孢桿菌次生代謝產物的最佳抑菌條件：菌液稀釋59.94倍、發酵溫度37.12℃、發酵時間27.99h。選取抑菌條件將菌液稀釋60倍，發酵溫度37℃，發酵時間28h，納豆芽孢桿菌對金黃色葡萄球菌進行抑菌試驗，抑菌圈直徑為13.7mm，確為最大值，對金黃色葡萄球菌抑菌效果最好。

表2 發酵溫度對納豆芽孢桿菌發酵液抑菌效果的影響?Table 2 The effect of the bacteriostatic efficacy with the tunning of Bacillus natto by different fermentation temperature

表3 發酵時間對納豆芽孢桿菌發酵液抑菌效果的影響?Table 3 The effect of the bacteriostatic efficacy with the tunning of Bacillus natto by different fermentation time

表4 BBD正交試驗因素水平表Table 4 The BBD orthogonal factors level table

表5 BBD正交試驗方案及試驗結果Table 5 The BBD orthogonal test program and test results

2.6 對根霉菌抑菌效果的響應曲面試驗

根據所列正交試驗因素水平表得到納豆芽孢桿菌次生代謝產物對根霉菌抑菌效果BBD正交試驗結果見表5。

式（2）為采用因素代碼形式的根霉菌抑菌圈直徑與各操作因素之間關系的二次方程模型：

由響應曲面試驗可知，在3個因素交互作用（圖4～6）下，對抑菌效果的影響順序是：（發酵溫度×發酵時間）＞（菌液稀釋倍數×發酵時間）＞（菌液稀釋倍數×發酵溫度）。從單個因素影響來看，菌液稀釋倍數對其次生代謝產物的抑菌效果影響最大，且在所選的試驗水平范圍內存在最優響應因子水平。由回歸方程確定針對根霉菌的納豆芽孢桿菌次生代謝產物的最佳抑菌條件：菌液稀釋56.31倍、發酵溫度37.02℃、發酵時間27.67h。將菌液稀釋56倍、發酵溫度為37℃，發酵時間為27.6h時，納豆芽孢桿菌次生代謝產物對根霉菌的抑菌效果最強，抑菌圈直徑為12.1mm。

2.7 高溫處理后的納豆芽孢桿菌對其次生代謝產物抑菌功能的影響

高溫處理后納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果見表6。高溫處理納豆芽孢桿菌發酵液，可使納豆芽孢桿菌處于芽孢狀態，使得部分酶類變性失活，可驗證納豆芽孢桿菌次生代謝產物中化學物質起抑菌作用。經高溫后的納豆芽孢桿菌，其次生代謝產物仍具有抑菌功能，但其抑菌效力有所降低。

圖1 菌液稀釋倍數－發酵溫度交互作用的響應面和等高線圖Figure 1 The response surface and contour of the interaction with liquid multiplefermentation temperature

圖2 菌液稀釋倍數－發酵時間交互作用的響應面和等高線圖Figure 2 The response surface and contour of the interaction with liquid multiplefermentation time

圖3 發酵溫度－發酵時間交互作用的響應面和等高線圖Figure 3 The response surface and contour of the interaction with fermentation temperaturefermentation time

表6 高溫處理后納豆芽孢桿菌次生代謝產物抑菌效果?Table 6 The bacteriostatic efficacy of the Bacillus nattotunning by high temperature

2.8 納豆芽孢桿菌次生代謝產物與Nisin和Natamycin試劑抑菌效果的對比

由上述試驗結果可知，稀釋10倍的納豆芽孢桿菌在37℃下發酵28h后，其次生代謝產物具有較好抑菌效果。用此條件下的納豆芽孢桿菌發酵液與Nisin及Natamycin對比抑菌效果，結果見表7。

由表7可知，納豆芽孢桿菌次生代謝產物與Nisin、Natamycin均具有廣譜抗菌作用，對多種微生物都有抑菌效果，對革蘭氏陽性菌的抑菌效果尤其顯著。納豆芽孢桿菌發酵液較前二者抑菌效果略差，但從安全性，以及生產成本看，更有開發價值。如果進一步研究，有可能使納豆芽孢桿菌發酵液的抑菌效果達到甚至超過前二者。

圖4 菌液稀釋倍數－發酵溫度交互作用的響應面和等高線圖Figure 4 The response surface and contour of the interaction with liquid multiplefermentation temperature

圖5 菌液稀釋倍數－發酵時間交互作用的響應面和等高線圖Figure 5 The response surface and contour of the interaction with liquid multiplefermentation time

圖6 發酵溫度－發酵時間交互作用的響應面和等高線圖Figure 6 The response surface and contour of the interaction with fermentation temperature and fermentation time

3 結論

通過以上研究可知，納豆芽孢桿菌次生代謝產物對金黃色葡萄球菌及根霉等微生物都具有很好的抑菌效果，最優條件：金黃色葡萄球菌，納豆芽孢桿菌發酵液濃度稀釋59.94倍，發酵溫度37.12℃，發酵時間27.99h；根霉菌，納豆芽孢桿菌發酵液濃度稀釋56.31倍，發酵溫度37.02℃，發酵時間27.67h。試驗結果也表明，在37℃下發酵28h，經80℃處理20min的納豆芽孢桿菌次生代謝產物仍具有抑菌功能，但抑菌效力有所降低。納豆芽孢桿菌次生代謝產物與Nisin、Natamycin類似，均具有廣譜抗菌作用，且對革蘭氏陽性菌的抑菌效果尤其顯著。

表7 納豆芽孢桿菌代謝產物與Nisin及納他霉素的抑菌效果對比?Table 7 The bacteriostatic efficacy contrast of the tunning of Bacillus natto ，Nisin and Natamycin

今后的研究將對納豆芽孢桿菌代謝產物成分分析及使用安全性進行進一步分析。

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