楊柳,高良鋒,沈明浩,姜斌,任大勇
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春,130118)
辣白菜作為東北地區(qū)具有民族特色的開胃菜,以白菜為基本原料[1],辣椒粉、蒜、姜、鹽、蔗糖等為基本輔料[2],在自然條件下低溫發(fā)酵而成,以其辣,脆、酸、甜的特點(diǎn)而廣受大眾喜愛。根據(jù)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行辣白菜的腌制,發(fā)酵7~14 d得到成品[3]。辣白菜在發(fā)酵過程中,微生物的菌群結(jié)構(gòu)[4-5]對(duì)辣白菜品質(zhì)和風(fēng)味[6]具有重要影響,在微生物代謝的幫助下,白菜中大分子營養(yǎng)物質(zhì)變成更容易被人體所吸收的小分子物質(zhì),如還原糖、氨基酸等,同時(shí)使辣白菜具有獨(dú)特的風(fēng)味[7]。
辣白菜發(fā)酵過程中以乳酸菌[8]代謝為主,這類微生物的多樣性結(jié)構(gòu)顯著地影響著還原糖、氨基酸、乙酸和乳酸等呈味物質(zhì)[9],目前,關(guān)于辣白菜發(fā)酵過程中微生物結(jié)構(gòu)[10]與呈味物質(zhì)間的相關(guān)性還不清楚。如今高通量測(cè)序技術(shù)已被證明是探索復(fù)雜環(huán)境微生物和跟蹤發(fā)酵過程的有效研究手段[11],可以更客觀地揭示食品發(fā)酵過程中微生物多樣性[12]的變化,并且此項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用于泡菜發(fā)酵過程中微生物演替的研究。本研究在控制溫度、鹽度[13]、發(fā)酵時(shí)間等條件不變的條件下,測(cè)定了還原糖、氨基酸、總酸等主要呈味物質(zhì)的含量,利用高通量測(cè)序技術(shù)探究辣白菜在發(fā)酵過程中的菌群結(jié)構(gòu),利用主成分分析探究兩者相關(guān)性[14-15]。
白菜、辣椒粉、蒜、姜、蘋果、鹽、蔗糖,市售;平板計(jì)數(shù)培養(yǎng)基,青島海博;NaOH、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、堿性酒石酸銅、鹽酸、甲氧基胺、甲醇、三甲基氯硅烷、三氟乙烷、乙醇(分析純),北京化工廠。
PH3-3C型pH儀,上海佑科儀器儀表有限公司;臺(tái)式冷凍離心機(jī),德國 Eppendorf 公司;磁力加熱攪拌器,上海達(dá)理儀器廠;氣相色譜6890 N,美國安捷倫公司。
辣白菜根據(jù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝,以新鮮的白菜為原料,以蒜、辣椒粉、姜、蘋果等材料制作成糊狀醬料[19]。使用白菜質(zhì)量4%的食鹽腌制白菜后,將醬料在菜葉上涂勻,裝入塑料盒中保持在10 ℃下發(fā)酵。在發(fā)酵的第1天、第4天、第7天、第11天和第14天各取1次樣品檢測(cè)相關(guān)指標(biāo),選取第1天、第7天和第14天的樣品進(jìn)行菌群結(jié)構(gòu)檢測(cè)以及主要呈味物質(zhì)含量的檢測(cè),第1天、第7天和第14天的樣品分別編號(hào)為N1、N4和N7。
稱取打碎的5 g樣品于容量瓶中稀釋定容,加入乙酸鋅和亞鐵氰化鉀溶液再次定容后,過濾取濾液,利用堿性酒石酸銅溶液滴定濾液至溶液藍(lán)色消失為滴定終點(diǎn),利用平均耗用體積來計(jì)算還原糖的含量(以葡萄糖計(jì))。
稱取10 g糊狀樣品于容量瓶稀釋定容,在磁力攪拌器的作用下使用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液進(jìn)行滴定,通過NaOH溶液體積計(jì)算可滴定酸(總酸)含量。用滴定法檢測(cè)總酸后,再加入甲醛溶液繼續(xù)用標(biāo)準(zhǔn)NaOH滴定溶液滴定,記錄標(biāo)準(zhǔn)NaOH滴定溶液的體積,用于計(jì)算氨基酸態(tài)氮含量。
使用氣相色譜儀,采用DB-5 ms毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,膜厚0.25 μm)分離樣品,以15 ℃/min升高至240 ℃,運(yùn)行26 min。進(jìn)樣溫度240 ℃,載氣He,流速1 mL/min[20]。
采用 CTAB 或SDS方法對(duì)樣本的基因組 DNA 進(jìn)行提取,利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的純度和濃度,取適量的樣本DNA于離心管中,使用無菌水稀釋樣本至1 ng/μL。以稀釋后的基因組 DNA 為模板,根據(jù)測(cè)序區(qū)域的選擇,使用帶 Barcode 的特異引物New England Biolabs 公司的 Phusion?High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer,和高效高保真酶進(jìn)行PCR,確保擴(kuò)增效率和準(zhǔn)確性。PCR產(chǎn)物使用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè);根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度進(jìn)行等量混樣,充分混勻后使用1×TAE 2%的瓊脂糖膠電泳純化PCR 產(chǎn)物,剪切回收目標(biāo)條帶。產(chǎn)物純化試劑盒使用的是Thermo Scientific 公司GeneJET 膠回收試劑盒回收產(chǎn)物,測(cè)序由北京諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行。
本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行6次平行試驗(yàn),所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用SPSS 20.0軟件以單因素方差分析(ANOVA)分析數(shù)據(jù)。Tukey的數(shù)據(jù)測(cè)試使用Graphpad 8.0進(jìn)行。組間的顯著差異用Tukey的平均值檢驗(yàn),置信度為95%(P<0.05)。
2.1.1 還原糖測(cè)定
糖是發(fā)酵過程中微生物生長繁殖的重要碳源及能量來源[21],辣白菜在發(fā)酵過程中還原糖含量變化如圖1所示,相對(duì)于第1天,發(fā)酵4和7 d還原糖含量未顯著增加,發(fā)酵14 d還原糖含量顯著增加。在制作辣白菜時(shí),配料中人為添加了蔗糖,為發(fā)酵過程提供了微生物代謝所需要的碳源,隨著發(fā)酵過程中微生物數(shù)量的增加,蔗糖等大分子糖數(shù)量有限,分解到一定程度后不再分解,因而還原糖數(shù)量上升速度減慢。
圖1 發(fā)酵過程中還原糖含量的變化Fig.1 Changes in reducing sugar content during fermentation 注:*表示與第1天相比差異顯著,P<0.05;**表示 與第1天相比差異極顯著P<0.01(下同)
2.1.2 可滴定酸含量檢測(cè)
有機(jī)酸作為辣白菜的揮發(fā)性特征風(fēng)味之一,可以利用可滴定酸的含量來衡量辣白菜的成熟度??傻味ㄋ岷孔兓鐖D2所示,可滴定酸含量逐漸升高,相對(duì)第1天,發(fā)酵7、11、14 d可滴定酸含量極顯著增加,可滴定酸顯示發(fā)酵過程中總酸含量變化,從可滴定酸的變化可推測(cè)出有一定數(shù)量產(chǎn)酸的微生物參與到發(fā)酵中,并且隨著酸含量的增加,微生物[18]將呈現(xiàn)產(chǎn)酸微生物或耐酸微生物變化。
圖2 發(fā)酵過程中可滴定酸的變化Fig.2 Change of titratable acid during fermentation
2.1.3 氨基酸含量檢測(cè)
由于氨基酸不能直接測(cè)定,但可通過測(cè)氨基酸氮的含量代替檢測(cè)樣品分解、代謝氨基酸的含量[19]。如圖3所示,氨基酸氮的含量隨著發(fā)酵時(shí)間延長而增加,相比第1天,發(fā)酵14 d之前氨基酸氮的含量未有顯著增加,發(fā)酵14 d氨基酸氮含量具有極顯著增加。氨基酸含量不斷增加,也說明了辣白菜中含有的大分子蛋白質(zhì)類物質(zhì)在不斷降解,微生物利用蛋白質(zhì)為氮源進(jìn)行生長繁殖。
圖3 發(fā)酵過程中氨基酸含量的變化Fig.3 Change of amino acid content during fermentation
辣白菜中主要的有機(jī)酸包括乳酸、乙酸、檸檬酸等,其中乳酸給人柔和的感覺,乙酸給人刺激的感覺[18-19],作為辣白菜在發(fā)酵過程中主要的呈味物質(zhì)[15],其在發(fā)酵過程中含量變化與呈味有著密切的關(guān)系。如圖4所示,樣品中的乳酸和乙酸的含量不斷增加,第7天相對(duì)第1天的乳酸含量顯著性增長,14 d時(shí)乳酸含量具有極顯著增長;第7天相對(duì)第1天乙酸含量增長不顯著,14 d時(shí)乙酸含量極顯著增長。隨著乳酸和乙酸含量的增加,對(duì)辣白菜的風(fēng)味有著重要的影響,對(duì)總酸含量的變化也起到重要作用。
a-乳酸含量;b-乙酸含量圖4 發(fā)酵過程中乳酸和乙酸含量變化Fig.4 Change of lactic acid and acetic acid content during fermentation
2.3.1 Alpha多樣性分析
Alpha多樣性可用于分析樣品內(nèi)的微生物群落的豐富度和多樣性[20],采用Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和覆蓋率(goods_coverage)對(duì)樣品微生物物種的豐富度和多樣性進(jìn)行評(píng)估。樣品的Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和覆蓋率反映了樣品的多樣性、相對(duì)豐度和測(cè)序深度,Shannon指數(shù)表示豐富度和均勻度,Shannon指數(shù)越高,表明群落的多樣性越高;Chao1指數(shù)表示群落的豐度指數(shù),Chao1指數(shù)越大,表明群落的豐富度越高;覆蓋率反映樣本的真實(shí)情況,覆蓋率指數(shù)越高,則樣本中序列未被測(cè)出的概率越低。由表1可知,微生物覆蓋率大于0.999,說明樣品序列基本上被測(cè)出,即樣本測(cè)序結(jié)果可以反映樣品真實(shí)情況;N1組的Shannon指數(shù)最高,N4和N7組的Shannon指數(shù)降低,發(fā)酵過程中微生物的豐富度下降;N1組、N4組、N7組的Chao1指數(shù)越來越小,說明樣品中的微生物的相對(duì)豐度降低。根據(jù)已知的Shannon 指數(shù)以及Chao1指數(shù)的變化趨勢(shì)可以表明,發(fā)酵過程中,與N1組相比較,N4組與N7組微生物的相對(duì)豐度有顯著性的下降趨勢(shì),說明發(fā)酵1 d時(shí),微生物群落組成上最豐富,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,微生物群落多樣性降低。
表1 Alpha多樣性分析Table 1 Microbial Alpha diversity index of samples
2.3.2 辣白菜發(fā)酵過程中物種豐度變化
Venn圖能夠直觀表現(xiàn)出樣品中獨(dú)有和共有操作分類單元 (operational taxonomic units,OTU)數(shù)目,同時(shí)也能夠較直觀地表現(xiàn)樣本的 OTU 數(shù)目組成相似性及重疊情況[21],在發(fā)酵不同階段 OTU 數(shù)目的重疊情況如圖5-a所示,3組樣品共有OTU數(shù)目為170,N1 組獨(dú)有OTU 數(shù)目為373,N4組獨(dú)有OTU數(shù)目為12,N7組樣品中的獨(dú)有 OTU 數(shù)量降低至 4??梢园l(fā)現(xiàn)物種豐度最大值出現(xiàn)在發(fā)酵初始階段,此時(shí)的總OTU數(shù)量為699,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長不僅總OTU數(shù)量下降,獨(dú)有OTU數(shù)量也急速下降,N7組的總OTU數(shù)量下降至222,說明在辣白菜發(fā)酵過程中,樣品中微生物物種豐度下降。
a-Venn圖;b-稀釋度曲線;c-Rank-abundance 曲線圖5 辣白菜發(fā)酵過程中物種豐度Fig.5 Species abundance of samples during kimchi fermentation
稀釋曲線可以直接反映數(shù)據(jù)合理性,也可間接反映樣本物種的豐富程度,稀釋度曲線中隨著序列數(shù)增加到60 000,OTU數(shù)量趨于穩(wěn)定,證明測(cè)序數(shù)據(jù)的合理性,同時(shí)OTU數(shù)量越多,微生物的相對(duì)豐度越高,菌群結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,反之OTU數(shù)量減少說明微生物的相對(duì)豐度降低,菌群結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。如圖5-b所示,整個(gè)發(fā)酵過程中OTU數(shù)量呈下降趨勢(shì),在發(fā)酵的初始階段,N1 組樣品曲線最為陡峭,縱坐標(biāo)OTU數(shù)量范圍也最大,表明發(fā)酵的第1天微生物種類最為復(fù)雜,但隨著發(fā)酵的進(jìn)行,OTU數(shù)量出現(xiàn)了迅速下降,發(fā)酵7 d的OTU數(shù)量幾乎與發(fā)酵14 d時(shí)的OTU數(shù)量相近,說明發(fā)酵第1天的菌群結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,微生物種類繁多,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,微生物種類逐漸降低,菌群結(jié)構(gòu)也變得簡單。
Rank-abundance曲線可以清晰地顯示出發(fā)酵過程中的物種豐度和物種均勻度等級(jí),聚類曲線可直觀地反映樣本中微生物物種的豐度及均勻度。如圖5-c所示,水平方向上,微生物物種的豐度由曲線的寬度來反映;垂直方向上,曲線的平滑程度反映樣本中微生物物種的均勻程度,N1 組樣品中微生物豐度最高,分布相對(duì)均勻,OTU 在200~600分布較為均勻,而N4和N7組的曲線較為陡峭,說明樣品中微生物分布均勻度逐漸降低,發(fā)酵過程中微生物的相對(duì)豐度隨時(shí)間的增加而降低,OTU在0~200有3組相對(duì)豐度數(shù)值較為接近,與Venn圖當(dāng)中N1、N4、N7組共有部分相關(guān)。
2.3.3 辣白菜發(fā)酵過程中微生物菌群組成
選取分組在屬水平上最大豐度排名前10的物種,生成物種相對(duì)豐度柱形累加圖,以便直觀查看各樣本在不同分類水平上,相對(duì)豐度較高的物種及其比例。圖6-a是在屬的水平下,N1、N4、N7 豐度水平前10的物種,其他物種合并為others,圖6-b顯示了N1、N4、N7各組每個(gè)樣品在發(fā)酵過程中屬水平上相對(duì)豐度前10的物種。通過圖6-a、6-b可知,發(fā)酵的第1天,樣品中微生物以Virgibacillus屬和Weissella屬為主,Weissella屬是在整個(gè)發(fā)酵階段一直穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)菌屬,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,在發(fā)酵第7天達(dá)到93.47%,在發(fā)酵第14天達(dá)到 96.91%,而Virgibacillus屬的相對(duì)豐度逐漸減少。此外,樣品中被檢出的相對(duì)豐度位于前10的還有Lentibacillus、unidentified_Rhizobiaceae、unidentified_Cyanobacteria、Pantoea、Sphingomonas、Stenotrophomonas、unidentified_Rickettsiales和Alkalibacillus等。
菌群熱圖是通過顏色梯度及相似程度來反映多個(gè)樣品在各分類水平上群落組成的相似性和差異性,圖6-c顯示了N1、N4、N7 在屬水平上的菌群熱圖,每個(gè)樣品中前25種微生物物種相似性和差異性。在發(fā)酵的第1天,物種的相對(duì)豐度都較為豐富,當(dāng)發(fā)酵到第7天時(shí),樣品的微生物豐度大部分下降,以Leuconostoc,Lactobacillus,Weissella和Lactococcus為主,當(dāng)發(fā)酵到第14天時(shí),樣品中的Weissella屬的相對(duì)豐度顯著性增加,其他各菌屬的相對(duì)豐度均減少。
a、b-豐度;c-屬水平熱圖圖6 細(xì)菌豐度各組樣品屬水平熱圖Fig.6 Bacterial abundance heatmap of each group at genus level
2.3.4 發(fā)酵過程微生物豐度及分布
為了研究不同類群之間的相似性,使用非加權(quán)組平均法(unweighted pair-group method with arithmetic mean,UPGMA)進(jìn)行聚類分析,并將聚類分析結(jié)果與門級(jí)每組的物種相對(duì)豐度相結(jié)合。如圖7所示,3組樣品中主要顯示了11 個(gè)門類菌群,分別為Firmicutes、Proteobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Nitrospirae、Chloroflexi、Acidobacteria、Verrucomicrobia、Gemmatimonadetes、others。其中Firmicutes相對(duì)豐度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),隨著發(fā)酵的進(jìn)行,Proteobacteria的相對(duì)豐度降低,通過聚類分析可知N4和N7歐里距離最近,其微生物種類和數(shù)量最為相似,說明在發(fā)酵第7天和第14天的菌群結(jié)構(gòu)相似,也符合細(xì)菌豐度圖與菌群熱圖的結(jié)果分析。
圖7 基于Unweighted Unifrac距離的UPGMA聚類樹Fig.7 UPGMA clustering tree based on unweighted unifrac distance
2.3.5 發(fā)酵過程菌群主坐標(biāo)分析
主坐標(biāo)分析可呈現(xiàn)研究數(shù)據(jù)相似性或差異性的可視化坐標(biāo),是一種非約束性的數(shù)據(jù)降維分析方法,可用來研究樣本群落組成的相似性或相異性[22]。對(duì)3組樣品進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示,第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別為98.20%,0.84%,在加權(quán)和非加權(quán)主坐標(biāo)分析中所選主成分均可以充分解釋原始數(shù)據(jù)中的差異,通過圖中樣品點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近,可觀察個(gè)體或群體間的差異,樣品點(diǎn)越相近說明樣品間微生物群落構(gòu)成越相似。在N1組內(nèi)兩點(diǎn)間間距較大,樣品組間有一定的差異性,而N4、N7組內(nèi)的樣品的兩點(diǎn)間間距極小,樣品內(nèi)部差異性較??;N1與N4、N7兩組相比較明顯分離,說明N1組與其他兩組在菌群結(jié)構(gòu)上有顯著的差異性,N4組與N7組的樣品點(diǎn)的距離較近,說明在發(fā)酵第7天與第14天的菌群多樣性無明顯變化,這個(gè)結(jié)果與細(xì)菌豐度圖與菌群熱圖也保持一致。
圖8 主坐標(biāo)分析Fig.8 Principal coordinate analysis
主成分分析可直觀地將辣白菜發(fā)酵過程中主要呈味物質(zhì)與菌群結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系體現(xiàn)在二維坐標(biāo)圖上,將微生物在屬水平上相對(duì)豐度前10名與主要呈味物質(zhì)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果結(jié)合圖9和表2所示,主成分1和主成分2顯示發(fā)酵過程中主要呈味物質(zhì)與菌群相對(duì)豐度前10名74.98%和7.45%的信息,前2個(gè)主成分之和大于80%,說明數(shù)據(jù)能夠代表主要呈味物質(zhì)與菌群相對(duì)豐度絕大部分信息。主要呈味物質(zhì)中的總酸含量、氨基酸氮含量、還原糖含量、乳酸含量和乙酸含量與Weissella屬[23]都呈正相關(guān),與其他菌屬呈負(fù)相關(guān),這說明Weissella屬與主要呈味物質(zhì)影響較大。Weissella屬對(duì)于食品的發(fā)酵具有促進(jìn)作用[26],除了作為乳酸菌的產(chǎn)酸特性以外,還是食品風(fēng)味形成的重要貢獻(xiàn)者,根據(jù)主成分分析來看,Weissella屬與主要呈味物質(zhì)有密切關(guān)系[25-26],通過比較傳統(tǒng)四川泡菜和韓國泡菜的微生物組成與風(fēng)味發(fā)現(xiàn),四川泡菜發(fā)酵過程中不含Weissella菌,而在韓國泡菜中Weissella是優(yōu)勢(shì)乳酸菌之一;Weissella菌在提高醬油中氨基酸和有機(jī)酸含量有攝取的優(yōu)勢(shì)[27]。結(jié)合相關(guān)研究可以得出,Weissella是泡菜發(fā)酵中的優(yōu)勢(shì)菌群;Virgibacillus屬具有產(chǎn)酸的特性,它的數(shù)量變化與其他乳酸菌的數(shù)量變化能對(duì)應(yīng)發(fā)酵過程中總酸含量的變化,其他菌屬相對(duì)主要呈味物質(zhì)沒有很強(qiáng)的相關(guān)性。
圖9 主要呈味物質(zhì)與發(fā)酵菌群屬水平前10名主成分 分析載荷圖Fig.9 Principal component analysis load chart of the top ten main flavor substances and fermentation flora
表2 主要呈味物質(zhì)與發(fā)酵菌群屬水平前10名主成分分析相關(guān)矩陣分析Table 2 Correlation matrix analysis of principal component analysis between main flavor compounds and top ten fermentative flora
本文主要研究辣白菜中的主要呈味物質(zhì)隨著發(fā)酵時(shí)間的增加的變化情況,利用高通量測(cè)序研究菌群結(jié)構(gòu)變化,以及主要呈味物質(zhì)與菌群結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在發(fā)酵過程中,有機(jī)大分子被微生物分解成小分子,如還原糖和氨基酸,它們的含量都隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而增加,與發(fā)酵過程中的微生物數(shù)量的變化趨勢(shì)基本一致。形成辣白菜風(fēng)味有機(jī)酸的代表,乳酸和乙酸含量也顯著性增加。通過高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)發(fā)酵過程中的辣白菜中的微生物多樣性進(jìn)行分析,在發(fā)酵過程中微生物豐度呈下降趨勢(shì),物種分布均勻度也降低,根據(jù)主要呈味物質(zhì)變化情況與菌群結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系,推測(cè)其菌群結(jié)構(gòu)與風(fēng)味之間的關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)分析,可以清楚的看到Weissella屬與菌落計(jì)數(shù)相距最近,同時(shí)也與總酸含量的呈味物質(zhì)呈正相關(guān),其貢獻(xiàn)率最好,其他菌屬呈負(fù)相關(guān),并且對(duì)主要呈味物質(zhì)貢獻(xiàn)率為負(fù),說明Weissella屬對(duì)主要呈味物質(zhì)有重要作用。