一株產膽鹽水解酶植物乳桿菌的發酵培養基的優化

唐雅茹，于上富，國立東，2，王娜娜，霍貴成，*（.東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱50030；2.黑龍江中醫藥大學藥學院，黑龍江哈爾濱50030）

一株產膽鹽水解酶植物乳桿菌的發酵培養基的優化

唐雅茹1，于上富1，國立東1，2，王娜娜1，霍貴成1，*
（1.東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江中醫藥大學藥學院，黑龍江哈爾濱150030）

為了提高植物乳桿菌Lactobacillus plantarum KLDS1.0386的膽鹽水解酶產量，本實驗通過響應面法對其發酵培養基進行優化。通過單因素實驗、Plackett-Burman實驗、最陡爬坡實驗和Box-Behnken實驗，最終獲得最優培養基為：葡萄糖18.2 g/L、蛋白胨15.03 g/L、酵母粉9.97 g/L、乙酸鈉3.13 g/L、檸檬酸氫二銨2.00 g/L、磷酸氫二鉀2.00 g/L、硫酸錳0.25 g/L、硫酸鎂0.58 g/L。優化前植物乳桿菌KLDS1.0386產膽鹽水解酶的比酶活為1.04 U/mg，經過培養基的優化后，膽鹽水解酶的比酶活為3.37 U/mg，比優化前提高了3.24倍。且實驗結果與模型預測結果誤差在允許范圍內，說明該模型可以投入使用。

植物乳桿菌，培養基組成，膽鹽水解酶，響應面實驗

隨著人們生活水平的提高，高血壓、冠心病等心血管疾病的發病率逐年上升，醫學研究表明［1］，人體內膽固醇含量過高是心血管疾病發生的重要原因之一。目前，國內外對于乳酸菌降膽固醇的研究越來越多，乳酸菌在生長代謝的過程中會產生膽鹽水解酶［2］（bile salt hydrolase，BSH），它是一種胞內酶，能將體內的結合膽鹽降解成游離膽酸和氨基酸，游離膽酸能與血清中的膽固醇發生共沉淀，隨糞便一同排出體外，因此降低了膽固醇水平［3-4］。所以提高細菌中膽鹽水解酶的含量，對降低膽固醇水平具有很重要的意義［5-7］。國內方面利用響應面實驗優化BSH的培養基成分報道比較少，為了提高膽鹽水解酶活力，本實驗選擇了植物乳桿菌KLDS1.0386，該菌具有很好的益生特性，而且體外降膽固醇能力達到55.71%，在單因素實驗的基礎上進行了Plackett-Burman實驗，篩選出影響BSH比酶活的3個顯著性因素，并進行最陡爬坡實驗確定出實驗因素的中心點，設計Box-Behnken實驗，最終進行響應面分析，建立培養基成分與膽鹽水解酶比酶活之間的回歸方程模型，以期為以后高產膽鹽水解酶乳酸菌發酵制品的開發和研制提供依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

植物乳桿菌KLDS1.0386分離自內蒙古傳統發酵乳制品，由東北農業大學教育部重點實驗室工業微生物菌種保藏中心（KLDS-DICC）提供；茚三酮上海惠世生化試劑有限公司；95%乙醇天津市富宇精細化工有限公司；MRS液體培養基天津基準化學試劑有限公司；考馬斯亮藍，牛血清白蛋白，溶菌酶。

GL-21M型離心機上海市離心機研究所；VD-1320型潔凈工作臺北京東聯哈爾儀器制造有限公司；DHP-9272型電熱恒溫培養箱上海一恒科技有限公司；YH-2S型遠紅外恒溫干燥箱天津市中環實驗電爐有限公司；XK96-A型快速混勻器姜堰市新康醫療器械有限公司；DU800型紫外分光光度計美國Beckman公司。

1.2實驗方法

1.2.1植物乳桿菌KLDS1.0386的生長曲線挑取平板上的植物乳桿菌單菌落，接種到MRS液體培養基中，傳代培養2次后，以2%的接種量接種于MRS液體培養基中，于37℃恒溫培養箱中培養。每隔2 h于紫外分光光度計上測一次OD620，直到24 h，記錄菌的生長情況，繪制生長曲線。

1.2.2BSH比酶活測定將植物乳桿菌KLDS1.0386傳代培養2次后，接種到MRS液體培養基中，培養至穩定初期，離心（10000×g，4℃，10 min）留菌體，用磷酸緩沖液清洗兩次后，加入VC磷酸緩沖液和溶菌酶溶液，37℃水浴30 min后，在冰浴條件下進行細胞超聲破碎（600 W，15 min），離心后留上清，即為粗酶液。

采用茚三酮顯色法來測定BSH酶活［8］，取0.1 mL的粗酶液，加入0.1 mL的50 mmol/L牛磺脫氧膽鹽溶液、0.8 mL的pH6.0的磷酸鈉緩沖液，振蕩混勻后37℃水浴30 min，之后冷卻終止反應，加入0.5 mL的三氯乙酸（15%，w/v）沉淀蛋白質，3 min后離心（10000×g，4℃，10 min），留上清液，并加入1.5 mL的茚三酮顯色液，混勻后沸水浴15 min，冰浴至室溫，在紫外分光光度計上測得在570 nm處的最大吸收值。蛋白質濃度的測定參照文獻［9］，比酶活定義為每毫克蛋白質所含的膽汁鹽水解酶的單位（U）數。

1.2.3單因素實驗以普通MRS培養基為基礎，分別以可溶性淀粉、果糖、蔗糖、葡萄糖、麥芽糖、乳糖作為碳源，添加量為20 g/L，進行比酶活測定，從而確定最佳碳源。

在最佳碳源的基礎上，將氮源分別替換成蛋白胨、胰蛋白胨、酵母粉、硫酸銨、大豆蛋白胨、牛肉膏，添加量為25 g/L，進行比酶活測定，確定最佳氮源。

在最佳碳源和氮源基礎上，進行復合氮源的優化，參考相關文獻［10］后共設計4組實驗，1號：蛋白胨5 g/L、酵母粉20 g/L，2號：蛋白胨10 g/L、酵母粉15 g/L，3號：蛋白胨15 g/L、酵母粉10 g/L，4號：蛋白胨20 g/L、酵母粉5 g/L，篩選出膽鹽水解酶產量最高的氮源組合。1.2.4Plackett-Burman實驗根據單因素實驗結果，葡萄糖、蛋白胨和酵母粉對膽鹽水解酶產量有很重要的影響，并且參考相關文獻［10-11］后可知，乙酸鈉、磷酸氫二鉀、檸檬酸氫二銨、硫酸錳、硫酸鎂都會有重要影響，所以此8種成分，被選為Plackett-Burman實驗的影響因素，膽鹽水解酶比酶活作為響應值。利用軟件Design Expert進行Plackett-Burman實驗的設計，每一因素設置高（+1）、低（-1）兩個水平，高水平為低水平的1.5倍，總共進行12組實驗，進而篩選出對膽鹽水解酶比酶活影響最顯著的因素。

表1　Plackett-Burman實驗因素及水平表Table 1　Factors and levels of Plackett-Burman experiment

1.2.5最陡爬坡實驗根據Plackett-Burman實驗的顯著性結果，設計最陡爬坡實驗，篩選出膽鹽水解酶比酶活最高時顯著性因素的濃度梯度。

1.2.6Box-Behnken實驗根據Plackett-Burman實驗和最陡爬坡實驗的結果，利用Design Expert軟件進行Box-Behnken實驗設計，3個影響因素，3個水平，共形成15組實驗，實驗設計如表2所示。實驗結果用Design-Expet軟件進行回歸分析，確定優化后的最佳培養基。

表2　Box-Behnken實驗因素及水平表Table 2　Factors and levels table of Box-Behnken experiment

1.3數據統計方法

利用SPSS 19分析軟件對數據進行方差分析，離散度通過標準差來表示，結果數據用平均值±標準差來表示。

2　結果與討論

2.1植物乳桿菌KLDS1.0386的生長曲線

植物乳桿菌KLDS1.0386的生長曲線如圖1所示，該菌生長情況穩定，8 h時就進入了對數期，當培養到15 h時達到穩定期初期，可用于酶活的測定。

2.2單因素實驗

2.2.1最佳碳源的篩選在微生物的生長代謝過程中，碳源是必要的營養物質［12］，選用最佳碳源，可以讓微生物的生長達到最佳狀態。如圖2所示，幾種碳源對植物乳桿菌KLDS1.0386產膽鹽水解酶的影響不同，其中葡萄糖對膽鹽水解酶比酶活影響最大，可達0.96 U/mg，可溶性淀粉的影響最小，比酶活為0.28 U/mg，因此最佳碳源確定為葡萄糖。

圖1　植物乳桿菌KLDS1.0386的生長曲線Fig.1　The grow curve of Lactobacillus plantarum KLDS1.0386

圖2　不同碳源對膽鹽水解酶比酶活的影響Fig.2　Effect of different carbon sources on BSH production

2.2.2最佳氮源的篩選以葡萄糖為碳源，分別添加25 g/L的蛋白胨、胰蛋白胨、牛肉膏、大豆蛋白胨、硫酸銨、酵母粉作為氮源，研究不同氮源對膽鹽水解酶活性的影響。結果如圖3所示，氮源不同，膽鹽水解酶的產量也不同，其中蛋白胨和酵母粉對膽鹽水解酶產量有很大的促進作用，比酶活分別為0.9 U/mg、0.85 U/mg，因此被選出進行復合氮源優化。

圖3　不同氮源對膽鹽水解酶比酶活的影響Fig.3　Effect of different nitrogen sources on BSH production

2.2.3最佳組合氮源的篩選從四種組合中篩選出最佳的氮源組合，由圖4可知，2號和4號對膽鹽水解酶產量影響較大，其中4號的膽鹽水解酶比酶活達到1.49 U/mL，酵母粉能夠為菌的生長提供生長因子等營養物質，但由于高含量的酵母粉可能會抑制該菌的生長，少量即能達到最佳生長狀態。

圖4　不同氮源組合對膽鹽水解酶產量的影響Fig.4　Effect of different mixed nitrogen sources on BSH production

2.3Plackett-Burman實驗結果

Plackett-Burman實驗的回歸分析如表4所示，當Prob＞F值小于0.05時，說明該因素對膽鹽水解酶的產量有顯著影響，而且F值越大，該因素對膽鹽水解酶的比酶活影響越大。對膽鹽水解酶產量影響顯著的依次是：A、B、E，且可信度在95%置信區間內，回歸方程為：Y=1.78+0.15A+0.058B+0.042C+8.333E-003D-0.052E-0.032F+0.025G-0.018H，R2=0.9933，說明方程擬合很好，而其他因素對膽鹽水解酶產量影響很小。因此選擇A、B、E 3個因素進行最陡爬坡實驗，篩選出顯著性因素的產BSH最佳濃度梯度。

表3　Plackett-Burman實驗結果Table 3　The results of Plackett-Burman experimental design

表4　Plackett-Burman實驗的回歸分析表Table 4　Regression analysis table of Plackett-Burman design

2.4最陡爬坡實驗

最陡爬坡實驗以葡萄糖、蛋白胨和乙酸鈉作為影響因素，步長為1 g/L，結果如表5所示，當葡萄糖為18 g/L、蛋白胨為15 g/L、乙酸鈉為3 g/L時，植物乳桿菌KLDS1.0386所產膽鹽水解酶含量最高，因此，該組合被定為Box-Behnken實驗設計的中心點，進行響應面分析。

表5　最陡爬坡實驗結果Table 5　Experimental results of the steepest ascent path

2.5Box-Behnken實驗優化結果

根據2.4最陡爬坡實驗結果設計Box-Behnken實驗，各因素編碼及結果如表6所示。以膽鹽水解酶比酶活為響應值（Y），進行3因素，15次的Box-Behnken實驗進行優化，并利用Design-Expet軟件對數據進行回歸分析，得到二次多項式方程：Y=3.24+0.13A+ 0.015B+0.05E+0.01AB-0.04BE-0.34A2-0.2B2-0.2E2，決定系數R2=0.9648。由表7可知，模型p=0.0040＜0.05，說明方程擬合度較好；p失擬項為0.5659＞0.05，說明失擬不顯著；校正性決定系數R2Adj=0.9015，表明該模型可信度較高，可用于實驗結果的計算。

2.6模型驗證實驗

根據以上模型預測，當顯著性因素葡萄糖為18.20 g/L、蛋白胨為15.03 g/L、乙酸鈉為3.13 g/L時，模型預測值為3.256 U/mg，在上述條件下進行三次模型驗證實驗，測得的膽鹽水解酶比酶活為（3.37± 0.21）U/mg，與誤差在允許范圍內，因此該模型具有一定的實踐價值，可以很好地預測該菌產膽鹽水解酶實際發酵情況。

表6　響應面設計及結果Table 6　Response surface central composite design and experimental results

3　結論

本實驗首先通過單因素實驗篩選出適合植物乳桿菌產膽鹽水解酶的最佳碳源和組合氮源，然后采用Plackett-Burman實驗法對初始培養基的主要成分進行了篩選，最終選出葡萄糖、蛋白胨和乙酸鈉為影響植物乳桿菌KLDS1.0386產膽鹽水解酶的顯著因素。利用最陡爬坡實驗確定了顯著因素的最佳濃度值，并以此為中心點進行了Box-Behnken實驗設計，

表7　模型方差分析表Table 7　Anova analysis of model equations

最終確定了植物乳桿菌KLDS1.0386產膽鹽水解酶的最佳培養基成分為：葡萄糖18.2 g/L、蛋白胨15.03 g/L、酵母粉9.97 g/L、乙酸鈉3.13 g/L、檸檬酸氫二銨2.00 g/L、磷酸氫二鉀2.00 g/L、硫酸錳0.25 g/L、硫酸鎂0.58 g/L。優化前植物乳桿菌KLDS1.0386產膽鹽水解酶的量為1.04 U/mg，經過培養基的優化后，膽鹽水解酶的比酶活為3.37 U/mg，比優化前提高了3.24倍。

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Optimization of fermentation medium of Lactobacillus plantarum KLDS1.0386 for bile salt hydrolase production

TANG Ya-ru1，YU Shang-fu1，GUO Li-dong1，2，WANG Na-na1，HUO Gui-cheng1，*
（1.Key Laboratory of Dairy Science，Ministry of Education，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Heilongjiang University of Traditional Chinese Medicine，College of Pharmacy，Harbin 150030，China）

In order to improve the bile salt hydrolase production of Lactobacillus plantarum KLDS1.0386，the response surface method was used to optimize the medium composition.The optimal values of the culture medium were as follows（g/L）：glucose 18.2 g/L，peptone 15.03 g/L，yeast extract 9.97 g/L，sodium acetate 3.13 g/L，diammonium hydrogen citrate 2.00 g/L，K2HPO42.00 g/L，MnSO40.25 g/L，MgSO40.58 g/L.Before optimizing，the activity of bile salt hydrolase was 1.04 U/mg，Under the optimal conditions，specific enzyme activity of bile salt hydrolase was 3.37 U/mg，increasing 3.24 times than before.The experimental result was consistent with the value predicted by the mathematical model.which showed the model can be put into use.

Lactobacillus plantarum；medium composition；bile salt hydrolase；response surface method

TS201.1

A

1002-0306（2016）04-0232-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.038

2015－07－17

唐雅茹（1990-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學，E-mail：yarutang@126.com。

霍貴成（1958-），男，博士，教授，研究方向：食品微生物與生物技術，E-mail：gchuo58@126.com。

國家自然科學基金；國家863項目（2011AA100902）。