蜡样芽孢杆菌高密度发酵及对肠道菌群的影响

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蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)是一种能够产生多种活性物质、改善和治疗多种胃肠道疾病并增强宿主免疫力的细菌。研究表明,蜡样芽孢杆菌能平衡肠道菌群,但目前关于其调控肠道菌群机制的研究较少。对芽孢杆菌类的益生菌而言,活菌数与芽孢率对其益生功能的发挥具有较大影响。目前关于提高蜡样芽孢杆菌产量的报道也相对较少,且产量较低,因此有必要对蜡样芽孢杆菌的发酵工艺进行优化,以提高其产量与芽孢率。并进一步探究蜡样芽孢杆菌如何调控肠道菌群,以及日常膳食对该调控作用的影响。针对以上问题,本论文优化了蜡样芽孢杆菌的培养条件与发酵策略,使其产量高于已有的报道水平,并首次利用本实验室自主研发的仿生大肠反应器,探究了蜡样芽孢杆菌对肠道菌群的调控作用,以及不同膳食对该调控作用的影响,主要研究结果如下:(1)优化后发酵培养基配方(g·L-1):葡萄糖12.5,水溶性淀粉12.5,大豆蛋白胨10.0,酵母提取物10.0,Mn Cl2 0.6,Mg SO4·7H2O 3.0,(NH4)2SO4 3.0。(2)7 L发酵罐水平的发酵策略:发酵0-9 h分别恒定搅拌转速、通气比与p H为250 r·min-1、1.0 vvm与6.5;9 h后,以0.45 m L·min-1速率流加碳氮源,提高搅拌转速与通气比至350 r·min-1与1.5 vvm;18 h时停止流加碳氮源,调高p H至7.5,降低搅拌转速与通气比至150 r·min-1与0.75 vvm。在此调控策略下,18 h时,蜡样芽孢杆菌的活菌数达到2.2×1010 CFU·m L-1,高于已有报道的产量,发酵结束时,芽孢率达90.0%以上。(3)体外模拟消化试验显示:经模拟唾液、胃液与小肠液消化后,蜡样芽孢杆菌仍有39.78±6.42%的存活率,表明其能有效耐受胃肠道环境。(4)乳酸与短链脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)产量变化显示:加入蜡样芽孢杆菌后,乳酸和SCFAs产量显著提升。对不同膳食组的乳酸和SCFAs产量进行测定,发现高碳水化合物组(HC)的乳酸与乙酸产量最高,达66.63与71.75 mmol·L-1;高蛋白组(HP)的丙酸产量最高,达73.26 mmol·L-1;只有高脂肪组(HF)产生丁酸。表明蜡样芽孢杆菌能有效促进肠道乳酸和SCFAs的产生,而不同膳食对此作用存在不同程度的影响。(5)菌群结构分析结果显示:加入蜡样芽孢杆菌后,肠道有害菌(志贺氏菌、丹毒梭菌与梭杆菌等)的相对丰度下降,肠道有益菌(乳杆菌、拟杆菌与双歧杆菌等)的相对丰度升高,表明蜡样芽孢杆菌可通过调节肠道菌群的组成,达到益生效果。
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