蛋白胨對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物的作用機(jī)理與影響
在許多研究與應(yīng)用中已被普遍證實(shí)，添加蛋白胨對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物表達(dá)具有促進(jìn)作用。但具體的機(jī)理尚不明確，其中起到促進(jìn)作用的影響因素也復(fù)雜多樣。文中列舉了影響較為顯著的三個(gè)因素進(jìn)行分析。
一、水解程度
不同水解程度的蛋白水解物對(duì)微生物促增殖的效果不同。華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院選取小麥面筋蛋白，研究不同水解度的小麥面筋蛋白水解物對(duì)釀酒酵母增殖和發(fā)酵性能的影響。
如圖所示，在發(fā)酵麥汁中添加了3種不同水解程度的小麥面筋水解物，分別是WG-L（6.02%）、WG-M（10.06%）以及WG-H（13.96%），另不添加小麥面筋蛋白水解物作為空白對(duì)照（CK）。從圖1中可以看到，添加水解度為13.96%的小麥面筋蛋白水解物的實(shí)驗(yàn)組酵母在穩(wěn)定期相較于發(fā)酵初期增長(zhǎng)了74.0%，空白對(duì)照組增長(zhǎng)僅38.0%，且穩(wěn)定期各組之間酵母增殖量具有顯著性差異（p＜0.05），其中WG-H的增殖量最大。從圖2中可以看到，各組酵母活性均隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，但WG-L組與WG-H組酵母的平均活性相較于對(duì)照組分別提高了1.7%和5.0%。且發(fā)酵結(jié)束時(shí)，WG-H組酵母活性仍維持在92.6%，活性相對(duì)最高。
可見(jiàn)，小麥面筋蛋白水解物在一定程度上能夠促進(jìn)酵母增殖，提高酵母活性，而且水解度較高的小麥面筋蛋白水解物促進(jìn)酵母增殖的效果較為明顯。
水解程度越高，肽的含量越高，而肽具有刺激微生物生長(zhǎng)的作用。在另一組實(shí)驗(yàn)中揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院采用不同分子形式的氮源（銨鹽、寡肽（<3000U）、小肽（<500U）和游離氨基酸）為底物進(jìn)行體外培養(yǎng)，探討氮源分子形式對(duì)瘤胃微生物發(fā)酵和蛋白質(zhì)合成的影響。
以D（氨基酸）組為參照計(jì)算各底物對(duì)微生物生長(zhǎng)的效應(yīng)。相對(duì)D組，A組降低了54.50％；B、C組分別提高了6.49％、4.20％。微生物蛋白量及底物效應(yīng)（由小到大）順序列為NH4Cl組（0.2701mg/mL，-54.50％）<游離氨基酸組（0.5936mg/mL，0）<小肽組（0.6185mg/mL，4.20％）<寡肽組（0.6322mg/mL，6.49％）。氯化銨組微生物產(chǎn)量最低，較氨基酸組降低了54.50％，因此與氨基酸氮源相比，銨鹽氮源促微生物生長(zhǎng)的效應(yīng)較低。兩個(gè)肽組微生物量較氨基酸組分別提高了6.49％、4.20％，可見(jiàn)肽能縮短細(xì)胞分裂周期，加快微生物的繁殖速度，具有刺激其生長(zhǎng)的效應(yīng)。
二、多肽分子量大小的分布
微生物的生長(zhǎng)及發(fā)酵會(huì)受到蛋白胨中多肽分布及分子量大小的影響，不同的微生物類群對(duì)氨、肽、氨基酸的代謝利用都存在偏愛(ài)性。日本京都大學(xué)農(nóng)業(yè)研究生院分子微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)大豆肽可以促進(jìn)酵母生長(zhǎng)，小分子大豆肽對(duì)益生菌的促進(jìn)機(jī)理可能是寡肽比氨基酸更利于吸收。華南理工大學(xué)輕工食品科學(xué)學(xué)院發(fā)現(xiàn)酪蛋白肽（分子量小于3ku的6肽或7肽）能有效地促進(jìn)乳酸菌生長(zhǎng)，促進(jìn)發(fā)酵并提高酸奶的品質(zhì)。
北京林業(yè)大學(xué)生化與分子生物學(xué)系將不同分子量范圍的蛋白水解物分別添加脫脂乳培養(yǎng)基中進(jìn)行乳酸菌增殖研究，發(fā)現(xiàn)分子量小于5kD的蛋白水解物是乳酸菌增殖作用的主體成分，超過(guò)5kD的蛋白水解物增殖作用不突出。利用Sephadex-G25和G15將蛋白水解物進(jìn)一步提純,將分子量在200D-1000D的分離組分進(jìn)行乳酸菌增殖研究,結(jié)果表明該分子量范圍的蛋白水解物的作用最突出。
乳中多肽進(jìn)入乳酸乳球菌細(xì)胞的主要過(guò)程包括兩個(gè)階段：先由寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)OPP及二肽和三肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)DtpP和DtpT轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞，然后由細(xì)胞內(nèi)末端肽酶、氨基肽酶、脯氨酸肽酶及二肽/三肽酶，酶解為氨基酸為乳酸菌生長(zhǎng)提供氮源。乳酸菌擁有三種不同的多肽和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，只提供單一的游離氨基酸不能使乳酸菌獲得很好的生長(zhǎng)，因?yàn)槿樗峋饕揽抗央霓D(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和二肽、三肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)依靠細(xì)胞內(nèi)的蛋白水解系統(tǒng)形成氨基酸共細(xì)胞生長(zhǎng)。游離氨基酸只依靠簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)入細(xì)胞，即便培養(yǎng)基中的氨基酸濃度很高，進(jìn)入細(xì)胞的氨基酸也很有限。而乳酸菌直接轉(zhuǎn)運(yùn)多肽進(jìn)入細(xì)胞優(yōu)于乳中蛋白的水解作用，在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中主要吸收的為2-8氨基酸多肽。
不同的微生物對(duì)特定分布的多肽有偏愛(ài)性。在華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院對(duì)于不同水解度的小麥面筋蛋白水解物對(duì)釀酒酵母增殖和發(fā)酵性能的影響的研究中，小麥面筋蛋白更偏向于利用3ku以下的肽段。
不同水解度的小麥面筋蛋白水解物中肽的分子量分布如圖。可以看出，水解度越高，分子量在3ku以下的肽含量越多，表明小麥面筋蛋白水解物中對(duì)酵母增殖起作用的肽主要集中在小分子量段。小麥面筋蛋白水解物的促增殖機(jī)理可能是由于WG-H具有更多小分子肽，這些小分子肽在發(fā)酵過(guò)程中更容易被酵母細(xì)胞利用，起到補(bǔ)充氮源的作用。
三、氨基酸
氨基酸對(duì)微生物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用由于所用培養(yǎng)基氨基酸成分和所表達(dá)蛋白的氨基酸組成有一定差別，在合成目標(biāo)蛋白的過(guò)程中，菌體會(huì)將一部分含量充分的氨基酸合成自身需要而含量不足的氨基酸，添加這些氨基酸就可能增加蛋白的表達(dá)。
華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了添加6種氨基酸對(duì)重組大腸桿菌BL21(DE3)的目標(biāo)蛋白羧肽酶原B表達(dá)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除胱氨酸對(duì)羧肽酶原B的表達(dá)影響不明顯外，其余5種氨基酸對(duì)菌體生長(zhǎng)和羧肽酶原B表達(dá)都有一定的促進(jìn)作用，且氨基酸添加量在一定范圍內(nèi)與菌體生長(zhǎng)情況成正相關(guān)。
研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響因種類和濃度的不同而不同，一些種類對(duì)微生物有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，另一些對(duì)微生物幾乎沒(méi)有什么影響，甚至有些種類對(duì)微生物有抑制作用。氨基酸的添加量與其活性表現(xiàn)也相關(guān)。低于某一閾值點(diǎn)，添加量與活性表現(xiàn)正相關(guān)；高于某閾值點(diǎn)，添加量越大，對(duì)微生物的抑制作用越明顯。
微生物中的很多活性物質(zhì)，或者工業(yè)菌的目標(biāo)產(chǎn)物，其化學(xué)本質(zhì)往往是蛋白質(zhì)，作為蛋白質(zhì)的前體物質(zhì)，氨基酸消耗量極為巨大。根據(jù)反應(yīng)物的濃度決定反應(yīng)速度的原理，可以推斷，氨基酸的供應(yīng)情況決定菌類特定物質(zhì)的表達(dá)及活性表現(xiàn)。一個(gè)較為共性的規(guī)律是添加目標(biāo)產(chǎn)物或作用物的前體成分對(duì)活性增強(qiáng)往往具有更為強(qiáng)烈的促進(jìn)效果。這可能是由于微生物可以省略大量的能量和繁瑣的合成途徑，直接獲得前體物質(zhì)。
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