耐酸乳杆菌产酸特性及酸胁迫应答机制

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浓香型酒醅是指白酒酿造过程中窖内正在发酵或已经发酵结束的多种谷物固体混合物,作为酿造微生物的重要载体,可直接影响白酒风味物质的产生。随着酿造时间的延长,窖泥中的微生物会逐渐迁移进入酒醅,酒醅中乳酸菌、己酸菌和醋杆菌等成为浓香型白酒发酵中的主要产酸细菌,代谢产生乳酸、乙酸、丁酸和己酸等有机酸。这些有机酸为合成酯类物质提供充足的前体,是浓香型白酒的重要呈香物质。然而,各种有机酸的逐渐积累使得酒醅逐渐成为了一个酸性的发酵环境,环境中的酿造微生物也逐渐受到酸胁迫进而影响自身的生长代谢。因此,浓香型白酒酿造过程中的微生物必须具有较强的耐酸能力才能够发挥其重要的功能。有研究发现,耐酸乳杆菌能够一定程度地抵御酸胁迫对生长代谢造成的不利影响,最终成为浓香型酒醅发酵中后期的优势种。本研究采用传统分离培养技术从浓香型酒醅中筛选出耐酸乳杆菌,以耐酸乳杆菌作为研究对象,验证其代谢产生有机酸的能力,并探究其在酸性发酵环境中对酸胁迫的应答机制,主要研究结果如下:(1)利用传统分离纯化技术分离酒醅中的细菌,经形态学和生理生化分析,以及结合16S rDNA同源性和管家基因pheS和rpoA序列同源性分析,分离鉴定出三株耐酸乳杆菌(Lactobacillus acetotolerans)。然后,将三株耐酸乳杆菌置于初始pH4(乳酸调节)培养基中,研究发现在三株耐酸乳杆菌的生长过程中L.acetotolerans FBKL1.0204生长延滞期最短为12 h,42 h左右达到最大生长速率,此时生长速率最高为0.035 h-1;108 h后进入稳定期且生物量最多,OD600值为2.28;同时,达到稳定期时发酵液pH值最低为3.08,最终筛选出一株耐酸性较强的L.acetotolerans FBKL1.0204。(2)运用比浊法、电极电位法、酸碱滴定法和高效液相色谱(HPLC)技术分别测定在不同乳酸、乙酸和盐酸酸化培养基中L.acetotolerans FBKL1.0204的生物量、pH、总酸和有机酸含量的变化。分析结果表明,L.acetotolerans FBKL1.0204产酸速率较快,产酸能力和耐酸特性较强。在非酸胁迫条件下,初始pH 6培养基中每单位数量菌株的产酸速率最快,均高于0.75。通过异型乳酸发酵主要代谢生成乳酸和乙酸使发酵环境中的pH不断降低,初始pH值从6迅速下降至4最终均降至3.5。其总酸含量在初始pH6(乳酸调节)培养基中生长至稳定期时最高,为(17.55±1.91)g/L;在初始pH6(乙酸调节)培养基中生成乳酸和乙酸含量最高,分别为(28.32±0.54)g/L和(2.73±0.52)8/L。在酸胁迫条件下,L.acetotolerans FBKL1.0204 能耐受pH4的酸性环境,但生长和产酸能力均受到H+的影响,且乳杆菌的生长和产酸速率随着pH值的下降而降低。(3)酸胁迫试验发现在整个生长过程中pH4处理条件下乳杆菌生长受到了明显的抑制,最终确定以pH 4作为酸胁迫处理的条件。乳酸、乙酸和盐酸胁迫前后,耐酸乳杆菌能够一直维持着胞内pH(pHi)的动态平衡,pHi均保持在中性范围内,胞内外的pH梯度(ΔpH)范围为0.03-0.32。从细胞结构角度比较分析了耐酸乳杆菌乳酸胁迫前后细胞生理水平上的变化,通过透射电镜图可知,酸胁迫下耐酸乳杆菌仍能保持细胞膜和细胞壁的完整性,并提高细胞膜壁的厚度,从而有效地抵御酸胁迫对细胞造成的损伤。细胞壁膜是细胞外层的保护屏障能维持正常的细胞结构,从细胞壁水平上研究发现,酸胁迫下耐酸乳杆菌细胞壁的肽聚糖含量发生显著的增加。细胞膜水平上研究表明,酸胁迫处理能显著提高膜蛋白的含量和H+-ATPase的活力;同时,酸胁迫引起了细胞膜饱和脂肪酸含量的降低,不饱和脂肪酸含量尤其是环丙烷脂肪酸含量的增加,以及脂肪酸不饱和度和平均碳链长度的提高。(4)采用转录组学(RNA-seq)技术构建L.acetotolerans FBKL1.0204在pH4酸胁迫下的转录表达谱。此时,共有383个基因表达水平发生了显著的变化,180个差异表达基因表达上调,203个差异表达基因表达下调。转录组测序结果表明,脂肪酸代谢、脂肪酸合成、丙酮酸代谢、丙酸代谢和碳固定途径等生理活动在耐酸乳杆菌抵御酸胁迫过程中发挥着重要的作用。其中,丙酮酸代谢、丙酸代谢和碳固定途径为L.acetotolerans FBKL1.0204主要的碳水化合物代谢和能量代谢途径,在碳水化合物代谢和能量代谢途径上共有14个差异表达基因,影响了酸胁迫过程中ATP的合成。对于H+-ATPase活性,酸胁迫使编码H+-ATPase相关的基因copB、cadA和copA表达水平显著上调。在脂肪酸合成和代谢途径中与耐酸乳杆菌直链脂肪酸生物合成相关的基因表达水平显著下调,编码烯基-[酰基载体蛋白]还原酶的基因表达水平显著上调,造成饱和脂肪酸含量下降和长链脂肪酸含量的增加。此外,利用荧光定量PCR技术对所挑选了 8个与耐酸性相关的差异表达基因进行验证实验,确定了 RNA-seq测序结果的可靠性。综合上述研究结果,本文筛选出浓香型酒醅中耐酸性较强的耐酸乳杆菌,产酸特性研究发现L.acetotolerans FBKL1.0204具有较强的产酸能力。同时通过转录水平和细胞生理水平分析发现酸胁迫过程中L.acetotolerans FBKL1.0204能够增强碳水化合物代谢和能量代谢、降低饱和脂肪酸含量、合成长链脂肪酸、提高H+-ATPase活性和细胞壁肽聚糖含量等来抵御酸胁迫。
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