韋玉梅,張文倩,朱閃閃,李 楊,雷勇輝,孫燕飛*
(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 石河子 832003;2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 石河子 832003)
果蔬酵素是以水果和蔬菜為原料,經(jīng)過(guò)酵母菌、乳酸菌等多種有益菌發(fā)酵制得的含有特定生物活性成分食用的酵素產(chǎn)品[1-2]。酵母菌的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高,含有較多的蛋白質(zhì)、B族維生素和礦物質(zhì),其在酵素發(fā)酵過(guò)程中不僅能夠改善原料基質(zhì)原有的一些不良風(fēng)味,而且可以產(chǎn)生一些酚酸、抗氧化物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物等有益成分,以增加酵素產(chǎn)品的功能性[3-4]。近年來(lái),為了提高發(fā)酵效率,從果蔬自然發(fā)酵液中分離優(yōu)勢(shì)菌種成為了研究熱點(diǎn)。
優(yōu)勢(shì)菌株的獲取手段主要為自然篩選、誘變育種、紫外線誘變、自然馴化和基因工程育種[5]。其中自然篩選法最常用,因?yàn)楹Y選環(huán)境與酵素發(fā)酵的環(huán)境類似,篩選出的酵母菌往往性能較好,符合發(fā)酵的一些特性[6]。劉貞等[7]從傳統(tǒng)發(fā)酵的米糕中篩選出具有高發(fā)酵性能的1株酵母菌和1株乳酸菌;管慶林等[8]研究發(fā)現(xiàn),從番茄發(fā)酵液中分離的3株庫(kù)德畢赤酵母(Pichia kudriavzevii)中,菌株TY-1和TY-3對(duì)葡萄糖和酒精具有一定的耐受性,且這些菌株對(duì)番茄酵素的口感和質(zhì)量提升有重要的作用;沙如意等[9]從葡萄酵素、青梅酵素、火龍果酵素中分離到3種優(yōu)勢(shì)酵母菌,且均具有耐低pH和耐高糖特性;肖夢(mèng)月等[10]從自然發(fā)酵拐棗果蔬酵素中篩選出1株釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和1株植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum),并將其應(yīng)用于拐棗復(fù)合酵素,結(jié)果表明,該菌株可以去除拐棗的澀味,增加其酸甜感,提高多酚和黃酮類物質(zhì)含量。
天然果蔬酵素優(yōu)勢(shì)菌株的篩選對(duì)于發(fā)酵工藝優(yōu)化、功能成分代謝和產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有重要意義。因此,本研究采用傳統(tǒng)培養(yǎng)分離技術(shù)從自然發(fā)酵的果蔬酵素中分離酵母菌,通過(guò)高糖、乙醇耐受性研究從中篩選優(yōu)良酵母菌,通過(guò)形態(tài)觀察、生理生化及分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行菌種鑒定,并對(duì)其低pH、高糖、乙醇和溫度耐受性進(jìn)行分析,為酵素發(fā)酵過(guò)程的探索和工業(yè)生產(chǎn)提供高質(zhì)量的菌種資源。
1.1.1 材料
新鮮無(wú)病害且果實(shí)飽滿、色澤均勻的土豆、豆芽、香蕉和胡蘿卜:石河子市金馬市場(chǎng);白砂糖(食品級(jí)):南寧市碧盈食品廠。
1.1.2 試劑
Tris-HCl(1 mol/L):上海申能博彩生物科技有限公司;乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)(分析純):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;Tris平衡酚(純度98%)、蛋白酶K(33.5 U/mg):德國(guó)默克公司;氯仿(純度99%):天津市化學(xué)試劑廠;異戊醇(純度98.5%):天津市化學(xué)試劑廠;十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS):美國(guó)sigma公司;NaCl(分析純):天津博迪化工股份有限公司;2×Taq聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)Master Mix、DL2000脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)Marker:天根生物化學(xué)科技有限公司;引物ITS1、ITS4:上海生工生物技術(shù)有限公司;瓊脂糖(生化試劑):北京欣興唐生物科技有限公司。其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
1.1.3 培養(yǎng)基
馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potatodextroseagar,PDA)培養(yǎng)基[11]:將土豆去皮切塊,稱取200 g煮10~20 min,用干凈紗布過(guò)濾,隨后加入葡萄糖20 g,瓊脂20 g,蒸餾水定容至1 L,pH自然。
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)培養(yǎng)基[12]:葡萄糖20 g,酵母膏10 g,蛋白胨20 g,蒸餾水定容至1 L,pH 6.0。固體培養(yǎng)基添加20 g瓊脂粉。
WL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基[13]:葡萄糖50 g,瓊脂20 g,酵母浸粉4 g,蛋白胨5 g,磷酸二氫鉀0.55 g,氯化鉀0.425 g,硫酸鎂0.125 g,氯化鈣0.125 g,溴甲酚綠0.022 g,氯化鐵0.002 5 g,硫酸錳0.002 5 g,蒸餾水定容至1 L,pH 6.5。
以上培養(yǎng)基均在115 ℃滅菌30 min。
SW-CJ型超凈工作臺(tái):蘇州凈化設(shè)備有限公司;DNP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;ZHWY-100B搖床:上海智城分析儀器制造有限公司;M1-L213B白色微波爐:廣東美的廚房電器制造有限公司;V8旋渦混勻器:美國(guó)Essenscien公司;SMZ800N體視顯微鏡:尼康映像儀器銷售(中國(guó))有限公司;Imager.M2熒光顯微鏡:卡爾·蔡司股份公司;ProFlexTM3×32-well PCP System儀:美國(guó)Thermo Fisher公司。
1.3.1 果蔬酵素的制備
采用新鮮土豆、豆芽、香蕉、胡蘿卜為原料,果蔬、白砂糖、水按質(zhì)量比3∶1∶10混合后置于1 000 mL已滅菌的玻璃瓶中,室溫發(fā)酵28 d,每天早晚各攪拌通風(fēng)一次[8,14-15]。
1.3.2 酵母菌的分離
取果蔬酵素,經(jīng)10倍梯度稀釋,取稀釋度為10-3的稀釋液100 μL涂布于PDA培養(yǎng)基上,于28 ℃培養(yǎng)2~4 d;挑取不同形態(tài)的單菌落,在PDA培養(yǎng)基平板上劃線分離純化,重復(fù)3次,挑取單菌落進(jìn)行鏡檢,將純化好的菌株放于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3.3 優(yōu)良酵母菌的篩選
高糖耐受性:將純化好的各菌株分別接種于含不同質(zhì)量濃度葡萄糖(200 g/L、350 g/L、500 g/L、650 g/L、800 g/L)、不同體積分?jǐn)?shù)乙醇(6%、9%、12%、15%、18%)的YPD培養(yǎng)基中,于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),一周后觀察菌落生長(zhǎng)情況并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),每株菌重復(fù)接種3次,以酵母菌在YPD培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)情況反映其對(duì)高糖和乙醇的耐受性,篩選耐受性較好的優(yōu)良菌株。
1.3.4 酵母菌的鑒定
形態(tài)觀察:觀察分離菌株的菌落形態(tài)及細(xì)胞形態(tài)特征[16]。
生理生化試驗(yàn):參考文獻(xiàn)[9,17-19]進(jìn)行糖發(fā)酵試驗(yàn)、碳源同化試驗(yàn)、氮源同化試驗(yàn)、最高生長(zhǎng)溫度試驗(yàn)、無(wú)維生素培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)試驗(yàn)。
分子生物學(xué)鑒定:采用十六烷基三甲基溴化銨(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)法提取酵母菌菌株基因組DNA[20]。利用真菌通用引物ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3')和ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3')對(duì)酵母5.8S-ITS序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增[21-22]。PCR擴(kuò)增體系:DNA模板1 μL、ITS1和ITS4各1 μL、2×TaqPCR Master Mix 10 μL、雙蒸水(ddH2O)補(bǔ)充至25 μL。PCR擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性45 s,55 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,循環(huán)30次;72 ℃再延伸10 min,4 ℃保存。將PCR擴(kuò)增產(chǎn)物委托生工生物工程(上海)股份有限公司進(jìn)行測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果提交至美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中,采用基本局部比對(duì)搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)進(jìn)行同源性搜索,選取同源性較高的模式菌株的5.8S-ITS序列,通過(guò)MEGA6.0軟件中的鄰接(Neighbor-Joining,NJ)法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。
1.3.5 優(yōu)良酵母菌的耐受性試驗(yàn)
種子液的制備:將篩選得到的優(yōu)良酵母菌劃線接種于PDA固體培養(yǎng)基,28 ℃條件下活化培養(yǎng)24 h后,挑取單菌落接種于YPD液體培養(yǎng)基中,28 ℃、150 r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)24 h作為種子液,備用。
低pH耐受性:按3%(V/V)的接種量將種子液接種于pH值分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5的YPD液體培養(yǎng)基中,28 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)120 h,每隔12 h 取一次樣,在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定吸光度值(OD600nm值),以培養(yǎng)時(shí)間(x)為橫坐標(biāo),OD600nm值(y)為縱坐標(biāo),繪制菌株的生長(zhǎng)曲線[9,16]。
葡萄糖耐受性:將活化好的菌液按3%(V/V)的接種量,接種于葡萄糖含量分別為300 g/L、450 g/L、600 g/L、750 g/L、900 g/L的YPD液體培養(yǎng)基(pH 5.0),28 ℃、150 r/min條件下培養(yǎng)120 h,每隔12 h取一次樣,在波長(zhǎng)600 nm處測(cè)定吸光度值(OD600nm值),繪制菌株的生長(zhǎng)曲線。
乙醇耐受性試驗(yàn):采用杜氏管發(fā)酵法測(cè)定[7]。高壓滅菌后含有杜氏小管的試管中加入YPD液體培養(yǎng)基,再按8%、10%、12%、14%和16%的體積分?jǐn)?shù)加入無(wú)水乙醇,把活化后的酵母菌接入試管內(nèi),一定時(shí)間內(nèi)觀察菌株的產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量。
溫度耐受性試驗(yàn):通過(guò)菌落生長(zhǎng)觀察法測(cè)定[23]。將酵母菌接種于YPD固體培養(yǎng)基,于不同的溫度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、37 ℃和42 ℃)條件下培養(yǎng)5 d,觀察菌落生長(zhǎng)情況。
1.3.6 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2016、Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,采用SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,采用MEGA 6.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),每組試驗(yàn)重復(fù)3次。
采用傳統(tǒng)培養(yǎng)分離技術(shù)從自然發(fā)酵的果蔬酵素中共分離到6株酵母菌。
2.2.1 高糖耐受性
6株酵母菌的高糖耐受性見(jiàn)表1。由表1可知,6株酵母菌均能在葡萄糖質(zhì)量濃度為200~650 g/L的YPD培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。除菌株5-1-1和2-1-2外,其余菌株均能在葡萄糖質(zhì)量濃度為800 g/L的YPD培養(yǎng)基上生長(zhǎng),且菌株7-1-1生長(zhǎng)明顯,高糖耐受性較好。
表1 6株酵母菌的高糖耐受性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of high sugar tolerance tests of 6 yeast strains
2.2.2 乙醇耐受性
6株酵母菌的乙醇耐受性見(jiàn)表2。由表2可知,6株酵母菌均能在含體積分?jǐn)?shù)為6%的乙醇的YPD培養(yǎng)基上生長(zhǎng),其中,菌株7-1-1和2-4-1可以在含體積分?jǐn)?shù)為12%的乙醇的YPD培養(yǎng)基上明顯生長(zhǎng)。綜上,選擇菌株7-1-1為優(yōu)良菌株。
表2 6株酵母菌的乙醇耐受性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of ethanol tolerance tests of 6 yeast strains
菌株7-1-1的菌落及細(xì)胞形態(tài)見(jiàn)圖1。由圖1可知,菌株7-1-1在WL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上的菌落為圓形,白色不透明,菌落扁平,表面有褶皺,邊緣不整齊,易挑起,并散發(fā)清淡的香味。光學(xué)顯微鏡下,細(xì)胞呈橢圓形,繁殖方式為單端芽殖或多端芽殖。
圖1 菌株7-1-1在WL營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上的菌落(a)及細(xì)胞(b)形態(tài)Fig.1 Colony(a)and cell(b)morphology of strain 7-1-1 on WL medium
2.3.2 生理生化試驗(yàn)
菌株7-1-1的生理生化特征見(jiàn)表3。由表3可知,菌株7-1-1能夠發(fā)酵葡萄糖、半乳糖、蔗糖、麥芽糖和棉子糖,但不能發(fā)酵乳糖和海藻糖;能夠同化葡萄糖、蔗糖、松三糖、甲基-吡喃葡萄糖、纖維二糖、水楊苷、乙醇、甘油、赤蘚糖醇、D-山梨醇、D-甘露醇、50%葡萄糖、可溶性淀粉,但不能同化L-鼠李糖、L-山梨糖、菊糖、蜜二糖、甲醇、半乳糖醇;能同化硝酸鈉和亞硝酸鈉。此外,菌株7-1-1能夠在無(wú)維生素環(huán)境下生長(zhǎng)。對(duì)照《酵母菌的特征與鑒定手冊(cè)》檢索表[17]和最新的酵母分類系統(tǒng)[18-19],初步鑒定菌株7-1-1為威克漢姆酵母屬(Wickerhamomyces)。
表3 菌株7-1-1的生理生化試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Physiological and biochemical tests results of strain 7-1-1
續(xù)表
2.3.3 分子生物學(xué)鑒定
對(duì)菌株7-1-1的5.8S-ITS區(qū)序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物目的條帶清晰,堿基長(zhǎng)度約為600 bp,與預(yù)期結(jié)果相符。
圖2 菌株7-1-1 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果Fig. 2 Agarose electrophoresis result of PCR product of strain 7-1-1
PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)測(cè)序后,構(gòu)建菌株7-1-1的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,菌株7-1-1與異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)(以前為Pichia anomala)聚于同一分支,親緣關(guān)系最近,因此結(jié)合形態(tài)學(xué)及生理生化,鑒定菌株7-1-1為異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus),該菌株的登錄號(hào)為GenBank MZ420152。
圖3 基于5.8S-ITS基因序列菌株7-1-1的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)Fig. 3 Phylogenetic tree of strain 7-1-1 based on 5.8S-ITS gene sequences
2.4.1 低pH耐受性
pH對(duì)酵母菌的生長(zhǎng)代謝有較大影響,能影響細(xì)胞間的代謝傳遞及酶活性,在較低或較高的pH下可使酵母菌死亡[24]。不同低pH值下,菌株7-1-1的生長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知,隨著培養(yǎng)基初始pH值的降低,菌株7-1-1的生長(zhǎng)變緩慢。當(dāng)培養(yǎng)基的初始pH為3.5時(shí),菌株7-1-1的OD600nm值最大,生長(zhǎng)情況最好;當(dāng)培養(yǎng)基的初始pH為1.5時(shí),菌株仍可生長(zhǎng),說(shuō)明該菌株可耐低pH。李棒等[12]從藍(lán)莓果皮及特香型白酒酒醅中分離的一株異常威克漢遜酵母在培養(yǎng)基起始pH為2.5、3.0、3.5時(shí)可以生長(zhǎng);史雁飛[25]從白酒大曲及酒醅分離的一株異常威克漢遜酵母在pH為3.6時(shí)生長(zhǎng)得最好,說(shuō)明W.anomalus的生長(zhǎng)受pH影響較小,有較強(qiáng)的耐酸性。相較于之前的研究報(bào)道,菌株7-1-1的耐酸性較為突出,達(dá)到了pH 1.5。
圖4 不同pH下菌株7-1-1的生長(zhǎng)曲線Fig. 4 Growth curve of strain 7-1-1 at different pH
2.4.2 葡萄糖耐受性
添加一定濃度的糖可以為酵母菌的生長(zhǎng)提供必需的碳源,但在較高濃度下會(huì)改變酵母菌細(xì)胞膜的滲透壓從而抑制其生長(zhǎng)[11,26]。不同葡萄糖質(zhì)量濃度下,菌株7-1-1的生長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知,葡萄糖質(zhì)量濃度增加到一定值后,菌株7-1-1生長(zhǎng)會(huì)受到抑制,其延滯期會(huì)延長(zhǎng)。當(dāng)初始葡萄糖質(zhì)量濃度為300 g/L、450 g/L、600 g/L、750 g/L、900 g/L時(shí),菌株7-1-1的延滯期分別為12 h、12 h、12 h、12 h、36 h;當(dāng)初始葡萄糖質(zhì)量濃度為450 g/L時(shí),菌株7-1-1生長(zhǎng)情況最好;當(dāng)初始葡萄糖質(zhì)量濃度為900 g/L時(shí),菌株7-1-1仍能夠緩慢生長(zhǎng),說(shuō)明該菌株7-1-1有較好的高糖耐受性。李棒等[12]研究表明,在蔗糖含量<70%時(shí),異常威克漢遜酵母受到的抑制較小,但當(dāng)蔗糖含量>70%時(shí),菌株生長(zhǎng)會(huì)隨著蔗糖濃度的升高,抑制作用逐漸增強(qiáng)。這可能是發(fā)酵底物不同,使得異常威克漢遜酵母對(duì)糖的耐受性不同。本試驗(yàn)從自然發(fā)酵果蔬酵素中分離得到耐高糖能力達(dá)到900 g/L的異常威克漢遜酵母,這為耐高滲果蔬發(fā)酵劑的使用提供理論依據(jù)。
圖5 不同葡萄糖質(zhì)量濃度下菌株7-1-1的生長(zhǎng)曲線Fig.5 Growth curve of strain 7-1-1 at different glucose mass concentration
2.4.3 乙醇耐受性
酵母菌對(duì)乙醇的耐受性會(huì)影響發(fā)酵效率[23]。菌株7-1-1對(duì)乙醇的耐受性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,該菌株能夠在乙醇體積分?jǐn)?shù)為8%、10%和12%的YPD培養(yǎng)基中生長(zhǎng),并且杜氏小管在48 h內(nèi)充滿氣體,說(shuō)明菌株7-1-1的發(fā)酵能力較強(qiáng);當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為14%時(shí),菌株7-1-1仍可生長(zhǎng),且在48 h內(nèi)杜氏小管中的氣體達(dá)到1/2,表明發(fā)酵能力有所減弱;當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為16%時(shí),菌株7-1-1在杜氏小管中只有微量氣體,說(shuō)明在此條件下該菌株不適宜發(fā)酵。史雁飛等[25]研究表明,異常威克漢遜酵母可在酒精度為12%vol的條件下生長(zhǎng),研究中菌株7-1-1可耐受乙醇體積分?jǐn)?shù)14%,說(shuō)明菌株7-1-1對(duì)乙醇具有較好的耐受性,能夠在發(fā)酵中保持良好的存活率,促進(jìn)改善風(fēng)味,增加酵素產(chǎn)品的功能性,滿足果蔬酵素發(fā)酵的需求。
表4 菌株7-1-1的乙醇耐受性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Ethanol tolerance test results of strain 7-1-1
2.4.4 溫度耐受性
溫度是影響酵母菌生長(zhǎng)的重要因素,會(huì)影響酵母菌的酶活和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用,而不同的酵母菌對(duì)溫度的耐受性也不同[8]。菌株7-1-1對(duì)溫度的耐受性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,菌株7-1-1在25~35 ℃條件下能夠生長(zhǎng),在37 ℃條件下生長(zhǎng)緩慢,在42 ℃條件下不生長(zhǎng)。邊明鴻等[27]從發(fā)酵的桑葚果酒中篩選的異常威克漢遜酵母可以在溫度為36 ℃環(huán)境下生長(zhǎng);張玉然等[28]從白酒酒醅中分離的異常威克漢遜酵母在38 ℃條件下可以生長(zhǎng),在42 ℃高溫下生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制。這與本研究結(jié)果一致。說(shuō)明菌株7-1-1對(duì)溫度有較好的耐受性,可以37 ℃條件下生長(zhǎng),可提高在酵素發(fā)酵中酵母菌的酶活,促進(jìn)產(chǎn)物的合成,增加酵素的產(chǎn)品質(zhì)量。
表5 菌株7-1-1的溫度耐受性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Temperature tolerance test results of strain 7-1-1
本研究從自然發(fā)酵果蔬酵素中分離出一株耐高糖、乙醇的優(yōu)良酵母菌,編號(hào)為7-1-1,通過(guò)形態(tài)觀察、生理生化試驗(yàn)及分子生物學(xué)技術(shù)鑒定該菌株為異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)。該菌株能夠耐受低pH值1.5、葡萄糖質(zhì)量濃度900 g/L、乙醇體積分?jǐn)?shù)14%和溫度37 ℃,具有較好的耐受性,對(duì)功能微生物酵素產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的意義。