石聰,李世瑞,李跑,廖盧艷,蔣立文*
1(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙,410128) 2(食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,湖南 長(zhǎng)沙,410128)
瀏陽(yáng)豆豉是我國(guó)特色發(fā)酵大豆制品之一,低鹽或無鹽,是淡豆豉(SemenSojaepraeparatum)的典型代表之一,為藥食兩用發(fā)酵大豆制品。以黑豆作為原料,蒸熟后自然發(fā)酵7~15 d,加入一定比例的水適當(dāng)洗曲后堆積發(fā)酵,至產(chǎn)生特殊的香氣,曬干脫水后而成。目前包括瀏陽(yáng)豆豉在內(nèi)的淡豆豉研究報(bào)告涉及到微生物的選育[1-4]、發(fā)酵工藝的選擇[5-8]、發(fā)酵過程品質(zhì)與淡豆豉炮制與藥效的關(guān)系[9-11]等,其中對(duì)功能因子大豆異黃酮變化的研究最多。
目前關(guān)于傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品微生物群體演變規(guī)律及不同階段微生物作用研究是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[12-16]。本研究對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵的瀏陽(yáng)豆豉中幾個(gè)主要階段微生物變化,采用454高通量測(cè)序方法,研究其微生物變化,探討可能與品質(zhì)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)微生物,為這種藥材或食材的質(zhì)量穩(wěn)定提供可靠的微生物信息,實(shí)現(xiàn)多菌種混合發(fā)酵的穩(wěn)態(tài)化發(fā)酵工藝,再將品質(zhì)與藥材種炮制指標(biāo)和食用時(shí)的色香味聯(lián)系起來,為發(fā)揚(yáng)該產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。
來源于湖南瀏陽(yáng)某豆豉廠,為春秋季節(jié)制作。具體工藝見文獻(xiàn)[17]。用于樣品測(cè)試的成熟曲,洗曲濾干后發(fā)酵3 d和15 d,分別編號(hào)為L(zhǎng)Y01、LY02、LY03,樣品在無菌條件下包裝,于-80 ℃冷凍保藏備用。
1.2.1 微生物總DNA的提取與純化
(1)使用OMEGA公司E.Z.N.A Soil DNA試劑盒抽提DNA。
(2)基因組DNA的鑒定:抽提的基因組DNA經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),DNA無明顯降解、濃度合適、無雜質(zhì),方可進(jìn)入下一步試驗(yàn)。
(3)PCR擴(kuò)增:按指定測(cè)序區(qū)域(細(xì)菌選用 V1-V3 區(qū)通用引物),合成帶有“5’ 454 A、B接頭-特異引物3’”的融合引物。
PCR擴(kuò)增引物,正向引物為:27F: 5′-AGAGTTTGATCCTGGCT-CAG-3′;反向引物為:533R: 5 ′-TTACCGCGGCTGCTG-GCAC-3′。真菌選定ITS區(qū),合成帶有“5′454 A、B接頭-特異引物3′”的融合引物,A為測(cè)序端,需加標(biāo)簽,B端引物可共用。以樣品總DNA為模板,真菌基因組DNA采用真菌通用引物ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCG G-3′)ITS4(5′-TCG-3′)ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR采用TransGen AP221-02: TransStart Fastpfu DNA Polymerase。20μL 反應(yīng)體系:5×Fastpfu Buffer 4 μL;2.5 Mm dNTPs 2 μL;正向引物(5 μmol/L) 0.4 μL/0.8 μL;反向引物(5 μmol/L) 0.4 μL/0.8 μL;FasterPfu Polymerase 0.4 μL; DNA模板 10 ng;補(bǔ)去離子水至20 μL PCR儀:ABI GeneAmp?9700型;細(xì)菌和真菌PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性2 min(95 ℃變性30 s;55 ℃退火30 s;72 ℃延伸30 s);25個(gè)循環(huán),72 ℃延伸5 min。每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù),將統(tǒng)一樣品的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),使用 AxyPrepDNA 凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收PCR產(chǎn)物,Tris_HCL洗脫;2%瓊脂糖電泳檢測(cè)。
(4)熒光定量:參照電泳初步定量結(jié)果,將PCR產(chǎn)物用QuantiFluor-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)進(jìn)行檢測(cè)定量,之后按照每個(gè)樣品的測(cè)序量要求,進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。
(5)EmPCR:按照 Roche GS FLX Titanium emPCR Kits 的操作進(jìn)行。
(6)測(cè)序:上海美吉生物公司進(jìn)行測(cè)序。
1.2.2 生物信息分析[18-20]
OTU聚類:使用Qiime(vsesion 1.17 http://qiime.org/)軟件平臺(tái)對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行修剪、篩選、匹配和分析等。
物種分類學(xué)分析:基于Qiime平臺(tái)(http://qiime.org/scripts/assign_taxonomy.html),RDP Classifiere(version 2.2 http://sourceforge.net/projects/rdp-classifier),采用RDP classifier 貝葉斯算法對(duì)97%相似水平的OTU代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析,并在各個(gè)水平(kingdom,phylum,class,order,family,genus)統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的群落組成。比對(duì)采用SILVA(version115 http://www.arb-silva.de)的核糖體數(shù)據(jù)庫(kù),置信度閾值為0.7。
樣品采集完成后,經(jīng)過基因組DNA的鑒定,試驗(yàn)采用Tm55 ℃、25個(gè)循環(huán)確認(rèn)PCR產(chǎn)物目的條帶大小正確、濃度合適,證明樣品合格后進(jìn)行相關(guān)的后續(xù)擴(kuò)增等程序。鑒定門(Phylum)、綱(Class)、目(Order)、科(Family)、屬(Genus)5個(gè)水平的群落組成。
表1 三個(gè)階段不同微生物群落水平結(jié)果Table 1 Microbial flora level in difference fermentation stage
前期相對(duì)較少的霉菌開始在表面繁殖,從門的水平開始有所增加,綱、目的種類增加,均有接近20%的無法分類,在屬的水平大量出現(xiàn)了曲霉、青霉、根霉、酵母菌等,出現(xiàn)12個(gè)屬,尚有接近18.07%無法分類,前期制曲成熟時(shí)根霉屬占90.93%,橫梗霉屬、曲霉屬、青霉屬排其后,經(jīng)過洗曲發(fā)酵3 d后大部分橫梗霉屬占優(yōu),并出現(xiàn)假絲酵母,洗曲的工序微生物屬有增加,堆積發(fā)酵15 d后屬類大量增加,出現(xiàn)絲衣霉菌屬、嗜熱子囊菌屬、毛孢子菌屬、畢赤酵母屬、德巴利酵母屬等,這說明在后期發(fā)酵過程中時(shí)間越長(zhǎng),隨著發(fā)酵體系的營(yíng)養(yǎng)越來越豐富,代謝溫度比較適宜,微生物種類越來越多,微生物的繁殖與產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)聯(lián)度值得關(guān)注。
根據(jù)瀏陽(yáng)豆豉制作工藝及發(fā)酵特點(diǎn),一般前期制曲為自然發(fā)酵,溫度隨季節(jié)不同進(jìn)行控制,在32 ℃發(fā)酵3~7 d不等;洗曲是瀏陽(yáng)豆豉制作的關(guān)鍵工序,有減少產(chǎn)品苦味的作用;洗曲后濾干的堆積發(fā)酵是決定風(fēng)味品質(zhì)的必然階段,形成產(chǎn)品特殊風(fēng)味和藥用價(jià)值關(guān)鍵在于此。洗曲后堆積的產(chǎn)品品質(zhì)存在一定的差異性。
可以看出,制曲發(fā)酵成熟的曲料中微生物的門水平除還有0.93%的無法確認(rèn)外,主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、放線細(xì)菌門、變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門等。其中厚壁菌門占87.36%。綱水平桿菌占87.26%,具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì);依次還有放線細(xì)菌綱、變形菌綱、擬桿菌綱、產(chǎn)黃菌綱等共計(jì)10個(gè)綱水平(含有其他綱0.17%,未知分類0.94%)。除其他的具有0.82%外,未知的2.26%,目水平共計(jì)16種,主要包括桿菌目、乳桿菌目、微球菌目等??频乃椒N類更多,達(dá)到25種,尚有其他科1.57%,未知3.59%,其主要科的比例按照含量依次為:桿菌科(62.49%)、腸球菌科(16.6%)、短桿菌科(6.65%)、金黃色葡萄球菌科(4.56%)、微球菌科(1.05%)、鏈球菌科(1.02%)等。具體到屬水平,從圖1可以看出,前期制曲完成后微生物屬種類很多,包括桿菌屬、腸球菌屬、金黃色葡萄球菌屬、短桿菌屬、乳球菌屬等,至少包括22個(gè)屬。
圖1 LY01細(xì)菌屬的水平分布餅圖Fig.1 The pie chart of LY01 bacterium abundance on genus level
從圖2可以看出瀏陽(yáng)豆豉堆積發(fā)酵過程中不同微生物分類的水平差異。發(fā)酵3 d的微生物門、綱沒有發(fā)生根本變化,只是比例有所變化,但其目、科、屬的數(shù)量明顯增加,分別達(dá)到10、21、20。到目的水平與制曲成熟相比,目水平的分別是:乳桿菌目占77.82%,桿菌目為9.96%,微球菌目5.4%,腸細(xì)菌目1.98%,黃桿菌目1.17%。科的水平主要包括:腸球菌科為39.38%,明串珠菌科為21.68%,乳桿菌科14.64%,桿菌科7.36%,短桿菌科4.89%,金黃色葡萄球菌科為2.23%。
圖2 LY02細(xì)菌屬的水平分布餅圖Fig.2 The pie chart of LY02 bacterium abundance on genus level
結(jié)合圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn),經(jīng)過洗曲后屬的水平發(fā)生很大變化。在屬水平上乳桿菌屬、芽孢桿菌屬、微球菌屬、腸桿菌屬等比例高,這說明在后期發(fā)酵中這些微生物在品質(zhì)與風(fēng)味中有很重要的作用[23]。
從分析得到結(jié)果和發(fā)酵15 d的細(xì)菌屬水平圖3可以看出,這個(gè)階段除無法分類和可能存在其他類別外,門、綱、目、科、屬水平分別達(dá)到6、10、18、28、27個(gè)。堆積發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),門的種類增加2個(gè),綱的水平中桿菌綱占86.15%,變形菌綱占接近6%,放線菌綱2.94%,鞘氨醇桿菌綱1.56%,黃桿菌綱1.39%。桿菌目占55.28%,乳桿菌目為30.49%,兩者占目水平的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在科的水平上,鏈球菌科占24.39%,嗜熱放線菌科5.08%,腸膜明串珠菌科3.2%,還有大量的腸球菌科、乳桿菌科、腸桿菌科等,其比例均在1%以上。芽孢桿菌屬、乳球菌屬、魏斯氏菌屬、腸球菌、葡萄球菌等占比重很高,微生物種類的變化與發(fā)酵過程中微生物相互作用有關(guān)[23]。堆積發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),細(xì)菌種類和比例有所變化,這種變化與體系發(fā)酵程度變化有關(guān)。一方面代謝不斷進(jìn)行,氨基酸態(tài)氮和酸度明顯發(fā)生變化,另外就是堆積發(fā)酵溫度變化明顯,但表面與固態(tài)基質(zhì)內(nèi)部差異較大,這種差異對(duì)瀏陽(yáng)豆豉品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。
圖3 LY03細(xì)菌屬的水平分布餅圖Fig.3 The pie chart of LY03 bacterium abundance on genus level
從試驗(yàn)結(jié)果可知,真菌及本身根霉屬、曲霉屬、根毛霉、橫梗霉屬等類別,清洗前后差別很大,堆積發(fā)酵期間時(shí)間不同真菌差異很大,這和酵母菌大量出現(xiàn)有關(guān)[24]。而相對(duì)于細(xì)菌,芽孢桿菌在其中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其他乳酸桿菌、球菌、腸球菌、乳球菌、鏈球菌、桿菌等在整個(gè)發(fā)酵過程中均存在,只是所占比例差異較大,這說明細(xì)菌在瀏陽(yáng)豆豉風(fēng)味品質(zhì)形成過程中有重要影響[25]。
從圖4和圖5看,聚類分析LY01和LY02基本接近,而LY03則與其他兩個(gè)樣品差距較大,說明堆積發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng),微生物的菌相差別較大,一方面堆積時(shí)間延長(zhǎng),酶的水解加劇,發(fā)酵體系溫度升高,其次由于一般是敞口發(fā)酵,溫度變化導(dǎo)致微生物本身耐熱情況不同而出現(xiàn)微生物的交替變化,三是表面發(fā)酵情況與深層發(fā)酵之間具有差異性。
圖4 真菌多樣性的聚類分析熱Fig.4 Heatmap under class level of fungi diversity
圖5 細(xì)菌多樣性的聚類分析熱圖Fig.5 Heatmap under class level of bacterium diversity
真菌差異大主要是前期以根霉、曲霉、青霉為主,但洗曲后酵母菌大量出現(xiàn),而細(xì)菌種類呈現(xiàn)多樣化,包括乳桿菌、腸桿菌等,這將對(duì)質(zhì)量穩(wěn)定有重要影響,因此如果作為藥用必須考慮后發(fā)酵時(shí)間與藥效之間的關(guān)聯(lián)[26-27]。
從圖6和圖7可以看出,對(duì)于細(xì)菌數(shù)量而言,LY01、LY02、LY03三個(gè)樣品的OTU總數(shù)分別為:781、846、934;真菌數(shù)量的OTU圖分別為:55、39、91。細(xì)菌有142個(gè)OTUS是共有的,真菌只有7個(gè)。隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),細(xì)菌數(shù)量大幅度增加,而真菌則在洗曲之后稍有下降后急劇增加,這與發(fā)酵程度有關(guān)。
圖6 樣品中細(xì)菌群落共享和獨(dú)有的OTUs的 VEEN分析Fig.6 Veendiagram representation of the shared and exclusive OTUs among samples of bacterium
圖7 樣品中真菌群落共享和獨(dú)有的OTUs的VEEN分析Fig.7 Veendiagram representation of the shared and exclusive OTUs among samples of fungi
使用97%相似度的OTU利用mothur軟件做稀疏性分析,利用R語言工具制作細(xì)菌變化曲線(圖8、圖9)。
圖8 樣品中細(xì)菌變化稀釋曲線Fig.8 Bacterium changes rarefaction curve of samples
圖9 樣品中真菌變化稀釋曲線Fig.9 Fungi changes rarefaction curve of samples
LY02無論是細(xì)菌還是真菌相對(duì)來說反映的樣品信息比較有限,細(xì)菌數(shù)量變化LY01、LY03有些類似,但豐度LY03高得多。相比之下真菌的豐度均不及細(xì)菌的20%,真菌的相對(duì)豐度則LY03比LY01要多得多,堆積發(fā)酵時(shí)間對(duì)品質(zhì)影響較大。
2.8.1 不同發(fā)酵階段細(xì)菌多樣性變化
從表2結(jié)果來看,細(xì)菌的有效讀數(shù)數(shù)量較高,其中LY01相對(duì)較少,但從H和D值來看,微生物多樣性是隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),LY03的H值最大而D值最低,說明其多樣性比前兩者均大,這說明發(fā)酵時(shí)間控制非常重要。
表2 不同發(fā)酵階段細(xì)菌多樣性變化規(guī)律(97%)Table 1 Variation within a 97% range of the bacterium diversity of the different stages
2.8.2 不同發(fā)酵階段真菌多樣性變化
從數(shù)據(jù)顯示來看,真菌的有效讀數(shù)數(shù)量堆積發(fā)酵LY02最少,堆積發(fā)酵LY03比前發(fā)酵還要多,但從H和D值來看,微生物真菌多樣性是隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而增加,LY01、LY02、LY03的H值逐步增大而D值逐漸降低。
表3 不同發(fā)酵階段真菌多樣性變化規(guī)律(97%)Table 3 Variation within a 97% range of the fungi diversity of the different stages
從采用454高通量測(cè)序的結(jié)果來看,豆豉發(fā)酵過程中的微生物無論是細(xì)菌還是真菌均顯示了多樣性,并且有益和有害微生物均出現(xiàn)在微生物類別中。既有我們所需要的根霉、曲霉、毛霉、芽孢桿菌、乳酸菌等對(duì)發(fā)酵有益的微生物,但也出現(xiàn)了青霉、曲霉中個(gè)別屬等,可能影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全的微生物,這有待進(jìn)一步研究。
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