降亚硝酸盐短乳杆菌的诱变选育研究

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  摘 要:食品中亚硝酸盐的污染问题一直是食品安全问题的焦点之一,利用生物技术方法降解食品中的亚硝酸盐成为热点.以实验室保存的一株具有降解亚硝酸盐能力的短乳杆菌(Lactobacillus brevis)C2为出发菌株,经过15 W、254 nm、20 cm处紫外诱变(UV)120 s及0.8%的硫酸二乙酯(DES)于37℃诱变40 min的复合诱变,进行筛选,获得高效降解亚硝酸盐菌株UV6-DS2,相对于出发菌株,在400 mg/L亚硝酸盐的环境下,经12 h降解后,亚硝酸盐的降解率由92.8%提高到97.8%,探究其于食品中的应用可以有效地降低食品中亚硝酸盐的含量.
  关键词:短乳杆菌; 紫外诱变; 硫酸二乙酯; 亚硝酸盐
  中图分类号: TQ 920.6+1 文献标志码: A 文章编号: 1000-5137(2015)05-0495-05
  亚硝酸盐作为氮循环的中间产物,广泛存在于自然界中,存在于食品中的亚硝酸盐是潜在的致癌物质.腌渍菜中亚硝酸盐含量超标成为食品研究人员关注的难点问题,亚硝酸盐可以与食品中蛋白质分解中间产物仲胺反应形成亚硝胺,从而诱发消化系统癌变[1].由于环境中亚硝酸盐的大量富集及食品加工中添加亚硝酸盐染色剂,使农产品原料、水源、加工食品及饲料中有大量亚硝酸盐残留.然而,亚硝酸盐残留过高对人有极大的危害,世界上因为亚硝酸盐超标而引发的卫生问题、安全事故时有发生.因此,世界上许多国家呼吁严格控制亚硝酸盐的使用量,并积极地研究利用化学[2-5]、生物技术[6-8]的方法,来降低食品中亚硝酸盐含量.目前,生物技术方法降解亚硝酸盐成为关注的重点,主要是利用可降解亚硝酸盐的微生物或其产生的亚硝酸盐还原酶来降低亚硝酸盐的含量[9].本研究中用到的短乳杆菌就是该类微生物,能够产生亚硝酸盐还原酶,亚硝酸盐还原酶是催化亚硝酸盐还原的一类酶[10].短乳杆菌是乳杆菌属重要的菌种,具有高产酸能力和解毒、抑菌、提高机体免疫能力等多种功能特性,已被逐渐应用于食品和医药生产当中,主要利用短乳杆菌合成γ-氨基丁酸、生产乳蛋白活性肽、生产苹果酸、生产发酵食品、配制活菌制剂等[11].短乳杆菌细胞呈杆状,不形成芽孢,革兰氏染色阳性;在空气中不生长,兼性厌氧,发酵葡萄糖、葡萄糖酸钠、阿拉伯糖、果糖、核糖、乳糖、麦芽糖、蜜二糖、半乳糖产酸;最适生长温度在37℃左右,在pH 6.0附近生长良好.短乳杆菌具有去除亚硝酸盐的能力,为了进一步提高短乳杆菌降解亚硝酸盐的能力,通过紫外诱变及硫酸二乙酯复合诱变育种方法,提高短乳杆菌产生亚硝酸盐还原酶的能力,筛选出的优良菌株能够高效地降解亚硝酸盐,为其在食品中的应用提供实验依据和基础.
  1 材料与方法
  1.1 实验材料
  1.1.1 菌 株
  短乳杆菌(Lactobacillus brevis)C2由上海應用技术学院生物工程研究室筛选和保藏.
  1.1.2 培养基
  培养基:MRS液体培养基;平板筛选培养基:在MRS液体培养基中加入琼脂粉20.0g,调节pH至6.0.
  1.1.3 主要设备与试剂
  SW-CJ-2FD型超净工作台(上海博讯公司医疗设备厂),SHP.150型生化培养箱(上海精宏设备有限公司),UV2100型分光光度计(上海优尼科科技仪器有限公司),FE-20型精密pH计(梅特勒.托利多(上海)有限公司).亚硝酸钠、十水合四硼酸钠、亚铁氰化钾、乙酸锌、盐酸萘乙二胺、对氨基苯磺酸、硫酸二乙酯等均为分析纯,由国药集团化学试剂有限公司提供.
  1.2 实验方法
  1.2.1 菌种生长曲线
  菌种C2活化两代后,转接于50 mL的MRS培养液中,置于37℃恒温培养箱,每隔2 h取样测定OD600值,每隔12 h取样测定培养液pH,并绘制相应的曲线.
  1.2.2 培养液pH对亚硝酸盐降解的影响
  分别配置初始pH值为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0的缓冲液50 mL,分别加入等量的亚硝酸盐,37℃培养,定时取一定的培养液,测定亚硝酸盐的含量.
  1.2.3 紫外诱变[12]
  将活化的菌种培养至对数期,取发酵液(4℃,6 000 r/min,5 min)离心,弃上清,收集菌体,用生理盐水洗涤2次制成菌悬液,通过稀释平板涂布法确定合适的稀释度为10-7、10-8、10-9,取5 mL菌悬液,加到直径为6 cm无菌培养皿,并放入无菌磁力搅拌器,用15 W,254 nm的紫外灯在20 cm处分别照射0、40、80、120、160、200、240、280s,取不同时间处理的菌液,分别稀释成10-7、10-8、10-9的菌液,涂布于MRS培养基,置于37℃培养48 h,菌落计数.以未照射的平板为对照计算致死率.选取适当时间照射的平板,挑取生长良好的单菌落于2 mL的MRS培养基中,同时挑取未经紫外处理的单菌落作为对照,在37℃下培养12 h,转种于50 mL MRS发酵液,12 h之后测OD600值,并且调节pH至中性,再加亚硝酸钠溶液,使其终浓度达到200 mg/L,8 h后用盐酸萘乙二胺法测定亚硝酸盐的含量[13],复筛出优良菌株.
  1.2.4 UV+DES复合诱变[10]
  取紫外诱变的优良菌株按1.2.3方法制备菌悬液,分别取5 mL上述菌悬液6份,加入终体积为0.8%的DES,分别于37℃振荡处理10、20、30、40、50、60 min,按照2.5倍的DES体积分数加入质量分数为25%的硫代硫酸钠溶液,然后稀释涂平板,以未经化学诱变处理的出发菌株为对照,于37℃培养48 h,菌落计数,并计算致死率,选适当的平板单菌落参照1.2.3方法进行复筛.
  2 结果与分析   2.1 生长曲线及PH变化的测定
  按照1.2.1方法,绘制短乳杆菌的生长曲线,其结果如图1所示,培养液pH变化结果如图2所示.
  由图1可知短乳杆菌C2在37℃、初始pH为6.0下培养,经过一个较短的延迟期后,约在2 h进入对数期,12 h进入稳定期.供诱变处理的菌株一般要求处于对数生长期,此时菌体生长状态比较同步,容易变异,本实验采用的诱变菌株,培养时间为8 h.
  由图2可知,菌株C2在生长过程中由于产生乳酸,培养液的pH在12 h之后变为3.92,菌种进入稳定期,生长缓慢,在衰亡期,死亡细菌的数目超过增值细菌的数目,培养液的pH值变化不大,60 h之后pH达到3.6,短乳杆菌C2发酵液的pH在6.0~3.6之间.
  2.2 培养液pH对亚硝酸盐降解的影响
  按照1.2.2方法定时测定亚硝酸盐的含量,其结果如图3所示.
  由图3可知,在低pH下,尤其是当pH<4.5时,亚硝酸盐在酸性条件下不稳定,发生一定程度的自然降解.由图2知,在对短乳杆菌发酵液跟踪监测过程中,发酵液的pH在后期维持在4.0左右,低于4.5,由于酸具有降解亚硝酸盐的作用,故测该菌产生亚硝酸盐还原酶降解亚硝酸盐能力时需要调节相应的pH值至中性,然后测定相应的亚硝酸盐的降解量.
  图4 紫外诱变后菌株的存活率和致死率曲线
  按照1.2.3的方法,紫外诱变的结果如图4所示.致死率计算公式为:
  UV致死率(%)=[(未照射平板菌落计数-照射后菌落计数)/未照射菌落计数]×100%.
  由图4可知,菌体的致死率随着照射时间的延长而增加,照射时间为80 s,菌体致死率为68%,当照射时间为120 s时,菌体致死率为79%,当照射时间为160 s时,菌体致死率为85%,一般认为致死率在70%~80%,正突变率较高,且损伤相对较少.因此,选择120 s为照射时间,筛选出11株正突变株,结果如图5所示.
  由图5可知,相对于出发菌株,突变株亚硝酸盐的降解率都有所提高.其中UV6菌株在8 h内,相对于其他菌株具有较强的降解亚硝酸盐的能力,在200 mg/L亚硝酸盐的环境条件下,UV6菌株相对于出发菌株UV0亚硝酸盐的降解率由80%提高到85%.因此,选择UV6菌株作为优良菌株保存待用.
  2.4 DES诱变优良菌株的筛选
  按照1.2.4方法,DES诱变结果如图6所示.致死率计算公式为:
  DES致死率(%)=[(未诱变处理的菌落数-诱变处理的菌落数)/未诱变处理的菌落数]×100%.
  由图6可知,菌体致死率随着时间的延长而增加,处理时间为30 min,致死率为61%,处理时间为40 min时,致死率为71%,处理时间为50 min时,致死率为89%,致死率在70%~80%正突变率较高,故选取诱变40 min的处理时间作为DES的诱变时间.筛选出9株正突变株,结果如图7所示.
  由图7可知,经紫外初步誘变的UV6菌株降解亚硝酸盐的能力明显高于出发菌株,UV6菌株经过DES复合诱变,正突变率降低,产酶提高的幅度也在逐渐减小,其中DS1、DS2、DS5、DS9 4株是正突变株,在400 mg/L的环境条件下,DS2菌株相对于出发菌株UV0,亚硝酸盐的降解率由92.8%提高到97.8%,高于其他菌株,将复合诱变菌株DS2菌株命名为UV6-DS2,作为诱变的优良菌株保存待用.
  3 结果与讨论
  菌株C2通过紫外诱变和DES复合诱变,获得了一株优良的菌株UV6-DS2,该菌株在400 mg/L的环境条件下,经过12 h,相对于出发菌株,亚硝酸盐的降解率由92.8%提高到97.8%,亚硝酸盐的降解率提高了5.0%,通过诱变获得的短乳杆菌优良菌株,进一步提高了亚硝酸盐还原酶的产量.可见采用诱变育种是选育优良菌株行之有效的方法.诱变育种包括诱变和筛选,用诱变剂使细胞核物质发生突变,从变异群体中筛选,筛选出来的菌株再诱变,然后再筛选,本实验通过紫外诱变和DES复合诱变,诱变和筛选的交替,连续选育得到了优良菌株UV6-DS2.
  紫外诱变处理方法简便,效果好.其中菌液的浓度、菌体的生长状态、诱变距离、诱变时间等是影响诱变效应的重要因素.如果菌液的浓度过高,可能由于菌体过厚遮住紫外线,会影响照射效果;供诱变处理的细菌,一般要求处于对数生长期,此时菌体的生长状态比较同步,容易变异;诱变距离及诱变时间的控制也很重要.本实验中菌液稀释度10-7、10-8、10-9为宜,以培养8h的菌体作为诱变菌株,紫外诱变距离为20 cm,最适时间为120 s.紫外初步诱变,酶活提高幅度较大,而且正突变率较高,但随着反复诱变的发生,正突变率会降低,发生饱和现象,实验中紫外诱变筛选的优良菌株经过DES诱变,亚硝酸盐的降解率仅由96.5%提高到97.8%,若要进一步提高,难度会越来越大,酶活提高幅度在减小,这可能也是DES诱变效果不理想的原因.筛选出高产亚硝酸盐还原酶生产菌株的方法有待进一步完善,进一步探究其他诱变剂的效果.筛选出来的优良菌株UV6-DS2具有高效降解亚硝酸盐的能力,有待探究其应用到食品中,有效地控制食品中亚硝酸盐的含量,例如腌渍菜中可以利用短乳杆菌对亚硝酸盐的降解转化能力来去除多余的亚硝酸盐,也可以提取所需的亚硝酸盐还原酶来降解肉制品中残留超标的亚硝酸盐.
  参考文献:
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  Mutagenesis breeding research of Lactobacillus brevis
  of nitrite reduction
  LI Zeli1, ZHOU Yue2, GONG Gangming2
  (1.College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;
  2.School of Perfume and Aroma Technology,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China)
  Abstract:The pollution of nitrite in food became one of the focus of food safety issues,the use of biotechnology methods degrading nitrite became hotspot.The primitive strain was Lactobacillus brevis C2,preserved in our laboratory,had the ability to degrade nitrite,through composite mutagenesis of 15 W,254 nm,20 cm ultraviolet mutagenesis (UV) for 120 s and 0.8% diethyl sulfate(DES) in 37℃ mutation for 40 min,after screening,we successfully obtained high efficient strain of nitrite degradation,named UV6-DS2,relative to the starting strain,under the condition of 400 mg/L nitrite,after 12 h degradation,nitrite degradation rate increased from 92.8% to 97.8%,to explore its application in food was able to effectively reduce concentration of nitrite in food.
  Key words:Lactobacillus brevis; UV; DES; nitrite
  (責任编辑:顾浩然)
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