乳酸乳球菌双组分调节系统参与有氧呼吸及高密度培养的初步研究

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乳酸乳球菌是应用于发酵食品的主要生产菌株。有研究表明,乳酸乳球菌有氧呼吸能够提升生物量且生成双乙酰、乙偶姻等风味物质,但培养初期菌体有大量死亡现象。目前,国内高密度培养工艺菌体密度为~1010 cfu/m L,与国际水平~1011cfu/m L相比有一定差距。双组分调节系统参与细胞对外界环境因素的调节,因此,双组分调节系统有可能参与乳酸乳球菌有氧呼吸及高密度培养代谢过程。有氧呼吸及高密度培养下乳酸乳球菌双组分调节系统的研究,可能有助于解决有氧呼吸培养初期氧气存在对乳酸乳球菌造成的损伤,提高乳酸乳球菌的生长速率和存活率,为乳酸菌呼吸代谢及高密度培养研究提供依据,有助于推动益生菌剂制备行业发展。本文以乳酸乳球菌NZ9000为研究对象,通过生物信息学分析、转录分析、代谢组分析对双组分系统的转录水平和代谢产物进行初步研究,研究结果如下:(1)通过对27株乳酸乳球菌的生物信息学分析,结果表明菌株之间的双组分系统既具有普遍性又存在差异,聚类分析显示其可归为9个类群,Wal K/Wal R的抗氧化性能与有氧呼吸相关;通过功能域预测进一步筛选出与有氧呼吸有潜在联系的双组分系统ADJ59431/ADJ59432和ADJ60070/ADJ60071。(2)通过对双组分系统转录分析,结果表明不同培养方式和不同培养时期下双组分系统具有多样性的差异,这可能与培养过程中代谢途径及产物、p H、生物量、产能方式有一定关系。延滞期双组分系统转录变化显著,对数期和稳定期变化不显著。乳酸乳球菌在不同培养方式下,有氧培养延滞期双组分系统转录相对厌氧培养低表达。对于先前筛选出来的双组分系统ADJ59431/ADJ59432和ADJ60070/ADJ60071,有氧培养下基因转录水平上调约20倍,而在有氧呼吸培养下基因转录水平变化不明显,这说明ADJ59431/ADJ59432和ADJ60070/ADJ60071可能参与了氧胁迫过程。乳酸菌在有氧呼吸下,双组分系统始终保持稳定,原因可能由于氧气和血红素激活了电子传递链,分子氧被还原为水,消减了氧胁迫。高密度培养下的双组分系统转录水平普遍存在下调趋势,双组分系统参与高密度培养机制可能较为复杂,双组分系统之间可能存在交叉调控。(3)通过代谢组学技术和多元统计分析,结果表明氧气对于乳酸菌的乳酸代谢途径影响明显;有氧呼吸减少了乳酸的生成量,增加培养基的p H,减少环境对菌体的酸胁迫,调整代谢流由丙酮酸转向乙偶姻等代谢物。高密度培养降低了厌氧培养时的乳酸生成量,增加α-磷酸甘油酯的生成量;高密度培养降低了有氧呼吸培养时的呼吸性能,增加乳酸生成量,减少了乙偶姻等风味物质的量。该研究为解决有氧呼吸初期氧分子对乳酸乳球菌造成的损伤、提高发酵剂用乳酸乳球菌的生长速率和存活率奠定基础。
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