發酵條件對Bacillus amyloliquefaciens SYBCH47降解亞硝酸鹽的影響

王 爽，徐 君，張言周，管政兵，蔡宇杰，廖祥儒

（江南大學 工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

亞硝酸鹽是潛在的致癌物，可參與反應生成亞硝胺類化合物，在水果蔬菜儲藏或發酵過程中極易積累，對食品安全問題構成威脅。大量研究表明，攝入過量亞硝酸鹽可導致高鐵血紅蛋白癥[1]。同時，亞硝胺類化合物還有致突變和致畸的作用。調查表明，某些癌癥（食道癌、結腸癌和膀胱癌等）可能與亞硝胺類物質有關。因此，食品中對亞硝酸鹽含量有明確的限量標準。發酵食品中亞硝酸鹽超標、肉制品中含亞硝酸鹽過量、水產養殖水體中亞硝酸鹽含量超標等導致食品安全問題[2]。在水產養殖業中，水體中高濃度的亞硝酸鹽既危害養殖生物，同時又引起養殖品種發生病害[3]。因此發現有效控制及減少亞硝酸鹽的方法亟待解決。

目前，添加食用安全的微生物是減少食品中亞硝酸鹽的主要方法之一，主要有短乳桿菌（Lactobacillus brevis）、 植物乳桿菌（Lactobacillus plantrum）、干酪乳桿菌（Lactobacillus casei）[2]。 關于能有效降解亞硝酸鹽菌種的報道主要有乳酸菌及少數芽孢桿菌，如巨大芽孢桿菌[4]、蠟樣芽孢桿菌[2]等。沈錫權等[5]研究表明，在冬瓜生鹽過程中，前期主要菌群為乳酸菌，后期主要為芽孢桿菌。大多數乳酸菌為厭氧菌，用其降解亞硝酸鹽存在一定的局限性。因此，迫切需要發現可高效降解亞硝酸鹽的新菌種[6]。作者所在實驗室從蜂蜜中分離得到一株解淀粉芽孢桿菌，經檢測具有降解亞硝酸鹽的能力。解淀粉芽孢桿菌分布廣泛、易于分離培養、對人畜無毒無害、對環境無污染，代謝產物豐富、具有較強抗逆能力，生長快、穩定性好，適合作為生防菌生產和應用[7]。解淀粉芽孢桿菌在生長過程中可以產生多種抑菌物質，具有抑制真菌與細菌的能力。目前，解淀粉芽孢桿菌在抑制病原菌方面、環境保護方面及動物飼料反面的應用已受到廣泛關注[3]。據報道，飼料中添加芽孢桿菌可改善養殖水質，增強消化酶活性、機體免疫和腸黏膜抗氧化功能等[8]。亞硝酸鹽的代謝主要受參與該過程的關鍵酶活性和菌體的生長速率的影響[9]。作者試圖探索該菌對亞硝酸鹽的降解能力和影響因素，為將其應用于發酵食品及水產養殖中亞硝酸鹽的降解轉化奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 菌種

試驗菌種：解淀粉芽孢桿菌（B.amyloliquefaciensH47），作者所在實驗室分離自蜂蜜。

1.2 培養基

1）LB 培養基（g/L）：NaCl 10，胰蛋白胨 10，酵母浸出粉 5；pH 調至 7.1±0.1。

2）亞硝酸鈉培養基（g/L）：LB培養基，亞硝酸鈉0.15；pH 調至 7.1±0.1。

1.3 主要試劑及儀器

1.3.1 試劑亞硝酸鈉：國藥集團化學試劑有限公司；含量測定所用試劑及配置方法參考GB 5009.33—2010。

1.3.2 儀器分光光度計：SHIMADZU公司 ；LRH-250A型生化培養箱：廣東省醫療器械廠；TGL-16M型高速離心機：湖南湘儀實驗儀器開發有限公司。

1.4 方法

1.4.1 實驗菌種降解亞硝酸鹽的能力將保藏于-80℃甘油管中的試驗菌以2%的接種體積分數接到50 mL LB培養基中，30℃搖床培養12 h，進行菌種活化。將活化種子液以1%接種體積分數分別接種到50 mL亞硝酸鈉液體培養基和50 mL LB液體培養基中，30 ℃恒溫培養，分別于 2、4、6、8、10、12 h取樣測定菌體濃度、pH及亞硝酸鈉含量。平行試驗做3次重復，求平均值。以時間為橫坐標，分別以菌體濃度、pH值及亞硝酸鈉降解率為縱坐標作圖。

1.4.2 實驗菌對亞硝酸鹽降解影響因素的研究

1）培養條件：將保藏于-80℃甘油管中的試驗菌以2%的接種體積分數接到50 mL LB培養基中，30℃搖床培養12 h，進行菌種活化。將活化后的種子液以1%接種體積分數接種到50 mL亞硝酸鈉培養基和50 mL LB培養基中，分別于30℃恒溫培養和 200 r/min 搖床培養。于 2、4、6、8、10、12 h 取樣測定菌體濃度、pH及亞硝酸鈉質量濃度。平行試驗做3次重復，求平均值。以底物濃度為橫坐標，以菌體濃度及亞硝酸鹽降解率為縱坐標作圖。

2）底物濃度：配制亞硝酸鈉質量濃度分別為50、100、150、200、250 mg/L 的 50 mL LB 培養基。 按1%的接種體積分數加入活化后的種子液，于30℃恒溫培養，分別于2、6、10 h后測定發酵液中亞硝酸鹽質量濃度。平行試驗做3次重復，求平均值。以底物質量濃度為橫坐標，分別以菌體濃度、亞硝酸鹽降解量及亞硝酸鹽降解率為縱坐標作圖。

3）溫度：向亞硝酸鈉培養基中加入1%活化后種子液，分別置于 20、25、30、35 ℃下恒溫培養，10 h后測菌體濃度，pH和亞硝酸鹽質量濃度。平行試驗做3次重復，求平均值。以溫度為橫坐標，分別以菌體濃度及亞硝酸鹽降解率為縱坐標作圖。

4）接種體積分數：分別按0.2%、1%、5%接種體積分數向亞硝酸鈉培養基中接入種子液。置于30℃下恒溫培養，于2、5、10 h測菌體濃度及亞硝酸鹽質量濃度。平行試驗做3次重復，求平均值。以時間為橫坐標，菌體濃度和亞硝酸鹽降解率為縱坐標作圖。

1.4.3 亞硝酸鹽的測定測定方法根據標GB 5009.33—2010中第二法——分光光度法對亞硝酸鹽含量進行測定，方法略有改動。

1） 標準曲線的繪制： 吸取 0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.75、1.00、1.25 mL 亞硝酸鈉標準使用液（ 相 當 于 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.75、5.0、6.25 μg亞硝酸鈉），分別置于25 mL帶塞比色管中。向比色管中分別加入 1 mL對氨基苯磺酸溶液，混勻，靜置5 min，再加入 0.5 mL鹽酸萘乙二胺溶液，加去離子水至比色管刻度處，混勻，靜置 12～15 min，以零管作為零點，于波長 538 nm下測吸光度，繪制亞硝酸鈉含量標準曲線。

2）樣品測定：取5 mL發酵液以8 000 r/min的轉速離心2 min，取4 mL上清液加1 mL亞鐵腈化鉀溶液，搖勻，再加入1 mL乙酸鋅溶液，反應30 min。8 000 r/min離心5 min。然后根據標準曲線對亞硝酸鹽質量濃度進行測定。

3）亞硝酸鹽降解能力表示方法：

4）菌體濃度及pH的測定：菌體濃度用分光光度計測發酵液在OD600下的吸光度，以初始培養基作對照。pH用pHS-3C型酸度計測量。

2 結果與分析

2.1 實驗菌降解亞硝酸鹽的能力及亞硝酸鹽對實驗菌生長的影響

含有亞硝酸鈉的培養基對實驗菌株生長有一定的影響，見圖1、圖2。圖1顯示試驗菌株在含有亞硝酸鈉和不含亞硝酸鈉的LB培養基中相比，吸光度值較高。說明試驗菌株可能利用亞硝酸鈉作為氮源生長或亞硝酸鈉的存在改變細胞膜的通透性，對菌體生長有一定的促進作用。圖2顯示，從4～8 h亞硝酸鈉降解率顯著增加，此時菌體處于對數生長期，而從8～12 h降解率增加趨于平緩。在8 h時，亞硝酸鈉降解率達到99.58%，12 h時降解率達到99.83%。與不含亞硝酸鈉的發酵液相比，在含有亞硝酸鈉的發酵液中發酵液pH較高，且從4 h時 pH便不再降低，可能是由于此時亞硝酸鈉被還原，使發酵液pH升高。

圖1 亞硝酸鈉對B.amyloliquefaciens SYBCH47生長的影響Fig.1 Effect of NaNO2on the growth of B.amyloliquefaciens SYBCH47

圖2 B.amyloliquefaciens SYBCH47對亞硝酸鹽的降解能力Fig.2 AbilityofB.amyloliquefaciensSYBCH47to degrade nitrite

2.2 培養條件對菌株生長及亞硝酸鹽降解率的影響

根據生物脫氮理論，亞硝酸鹽的降解可能源于兩個途徑：第一種途徑為反硝化作用，即：NO2-→NO→N2O→N2，此途徑中還原酶為 cytochrome cd1型Nir或copper-containing型 Nir，該途徑中還涉及Nor和Nos[10]；第二種途徑為亞硝酸鹽的同化或異化作用，即NO2-→NH4+。此途徑中還原酶為NrfA[11]，NirA或NirBD[12]。傳統認為細菌的反硝化過程是在厭氧條件下完成的，自 Robertson等[13]發現了好氧反硝化細菌Thiosphaera pantotroph后，對好氧反硝化菌株的報道陸續增加，如Pseudomonas aeruginosa[13]、Pseudomonaschloritidis-mutans［15］、Alcaligenes piechaudii［16］、Bacillus licheni-form［17］等[18]。

因此，通過測定靜止培養和搖床培養的菌體吸光度及亞硝酸鹽降解率來確定溶氧量對菌體生長及亞硝酸鹽降解能力的影響，結果見圖3。兩種培養條件下，菌體對數生長期基本相同，但搖床培養菌體濃度最大值遠高于靜止培養，亞硝酸鹽降解率基本同時達到最大，且最大值沒有明顯差異（P>0.05）。

圖3 培養條件對B.amyloliquefaciens SYBCH47生長及降解亞硝酸鹽的影響Fig.3 Effect of culture condition on the growth and nitrite degradation of B. amyloliquefaciens SYBCH47

2.3 底物質量濃度對菌體生長及亞硝酸鹽降解率的影響

加入 50、100、150、200、250 mg/L 亞硝酸鈉的LB培養基經過滅菌后用1.4.3所述方法檢測亞硝酸鈉 質 量 濃 度 分 別 為 38.5、81.4、107.9、147.8、191.9 mg/L。將活化后菌種接種于含不同質量濃度亞硝酸鈉的培養基中，亞硝酸鈉的降解結果見圖4-5。10 h后在含亞硝酸鈉50～200 mg/L的培養基中降解率都超過99%，但在250 mg/L時降解率為94.6%，可能是由于亞硝酸鈉質量濃度過高對菌株的毒性增大所致。

2.4 溫度對菌體生長及亞硝酸鹽降解率的影響

不同培養溫度對菌種生長及亞硝酸鹽降解的影響見圖6。菌體在含亞硝酸鈉的培養基中最適生長溫度為40℃。40℃時菌種生長速率最快，相應的亞硝酸鈉降解速率也最大。25℃及45℃時菌體生長變緩慢，亞硝酸鈉降解率降低。培養10 h后，雖然30℃和35℃菌體濃度低于40℃培養條件的菌濃，但30、35、40℃培養條件下的亞硝酸鈉降解率都能達到99%以上，表明微生物及相關的酶的溫度適應性較強。

圖4 NaNO2質量濃度對B.amyloliquefaciens SYBCH47生長及亞硝酸鹽降解量的影響Fig.4 Effect of NaNO2concentration on the growth and nitrite degradation amount of B.amyloliquefaciens SYBCH47

圖5 NaNO2質量濃度對B.amyloliquefaciens SYBCH47降解亞硝酸鹽的影響Fig.5 Effect of NaNO2concentration on nitrite degradation of B.amyloliquefaciens SYBCH47

2.5 接種體積分數對菌體生長及亞硝酸鹽降解率的影響

不同接種體積分數對菌體生長及亞硝酸鹽的降解結果見圖7-8。隨著添加量的增大，菌數增加。1%接種體積分數與5%接種體積分數終亞硝酸鹽降解率基本相同（P>0.05），為節約成本應選擇以1%接種體積分數進行接種。

圖6 溫度對B.amyloliquefaciens SYBCH47的生長及降解亞硝酸鹽的影響Fig.6 Effect of temperatures on the growth and nitrite degradation of B.amyloliquefaciens SYBCH47

圖7 接種體積分數對B.amyloliquefaciens SYBCH47生長的影響Fig.7 Effect of inoculum size on the growth of B.amyloliquefaciens SYBCH47

圖8 接種體積分數對B.amyloliquefaciens SYBC H47降解亞硝酸鹽的影響Fig.8 Effect of inoculum size on nitrite degradation of B.amyloliquefaciens SYBCH47

3 結語

利用生物法降解亞硝酸鹽采用生長細胞作為反應介質進行亞硝酸鹽的降解，其不足之處在于降解過程受到微生物生長規律的限制，易出現系統不穩定的現象。 目前，除利用加入微生物降解食品中的亞硝酸鹽外，還可利用Nir進行亞硝酸鹽的生物降解，與全細胞催化劑相比，酶具有反應效率高、催化特異性強、過程易分離和控制等優勢。 但是要得到大量的食用安全的 Nir至今還沒有很好的方法[2，19]。因此，探索試驗菌株的產酶條件并從試驗菌株發酵液中有效分離純化亞硝酸鹽還原酶以及測定酶學性質需要進一步研究。可運用基因組學、轉錄組學、蛋白質組學深入研究并闡明亞硝酸鹽還原酶表達調控的分子機理，利用基因操作技術，針對性的構建高效表達亞硝酸鹽還原酶的基因工程菌。

通過對B.amyloliquefaciensSYBCH47亞硝酸鹽降解能力探究，表明該菌具有高效降解亞硝酸鹽的能力。試驗菌株在含有亞硝酸鹽的培養基中生長速率及終質量濃度略高于不含亞硝酸鹽的培養基。原因可能是該菌能利用亞硝酸鹽作為氮源或是亞硝酸鹽改變了細胞的通透性，促進細胞生長。在30～40℃能快速生長并在10 h內對亞硝酸鹽的降解率達到99%以上，最適溫度為40℃。在亞硝酸鈉質量濃度50～200 mg/L范圍內，亞硝酸鹽的終降解率略有升高，變化并不明顯，在其質量濃度為250 mg/L時，降解率明顯降低。作者探索了試驗菌株降解亞硝酸鹽的影響因素，為進一步將該菌運用于發酵食品及水產養殖業提供了參考。