戴玲瑛,齊曼婷,王立梅,齊 斌,*
(1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.譜尼測試集團(tuán)江蘇有限公司,江蘇 蘇州 215000;
3.常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,蘇州市食品生物技術(shù)重點實驗室,發(fā)酵工程技術(shù)研究中心,江蘇 常熟 215500)
蝦醬又名蝦膏,全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會將其定義為“毛蝦等小型蝦類經(jīng)腌制、搗碎、發(fā)酵制成的糊狀食品”[1],是我國及東南亞地區(qū)的常用的調(diào)味料之一[2]。蝦醬主要包括對蝦醬、白蝦醬和麻線醬。捕撈后的麻線蝦去雜、加鹽,自然發(fā)酵1 個月后即可制成麻蝦醬。蝦醬中含有豐富的蛋白質(zhì)、鈣、類胡蘿片素和幾丁質(zhì)[3-4],具有抗氧化活性[5]、降膽固醇、降血壓及增強(qiáng)機(jī)體免疫力等生物功能活性[6],在功能性食品領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用空間。目前為止,對于蝦醬的微生物群落組成及結(jié)構(gòu)的研究極少,因此,開展蝦醬中微生物群落多樣性的研究具有重要意義。
高通量測序技術(shù)可對數(shù)百萬個DNA分子同時測序,對物種的轉(zhuǎn)錄組和基因組進(jìn)行細(xì)致而全面的分析[7]。由于其具有高讀長、高精度、高通量、無偏性等優(yōu)勢[8],現(xiàn)已被廣泛用于對許多發(fā)酵食品的微生物群體結(jié)構(gòu)分析,如汾酒、奶酪、開菲爾谷粒等[9-12]。自然發(fā)酵的海產(chǎn)品通常會有來自原料以及與海產(chǎn)品的生長環(huán)境相關(guān)的微生物[13],而細(xì)菌是海產(chǎn)品發(fā)酵的主要微生物,所以對海產(chǎn)品的細(xì)菌微生物多樣性進(jìn)行研究很有必要。目前,海洋多樣性的研究是眾多學(xué)者研究的熱點[14],針對于蝦的微生物多樣性研究也大多集中在蝦本身以及蝦的養(yǎng)殖環(huán)境[15-17],但對于用蝦作為原料制成的蝦醬的研究少之又少。因此,利用高通量測序技術(shù)對蝦醬中微生物的多樣性及組成進(jìn)行研究十分重要,可更好地保證生產(chǎn)出安全健康的蝦醬產(chǎn)品。
本研究的目的是利用高通量測序方法對蝦醬中間產(chǎn)物的細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,更全面地呈現(xiàn)出蝦醬中微生物的多樣性,剖析各類微生物的結(jié)構(gòu)比例,明確優(yōu)勢菌群,了解優(yōu)勢菌群在蝦醬中可能產(chǎn)生的影響,以此更好地保證蝦醬的安全與衛(wèi)生,提高蝦醬品質(zhì),完善蝦醬的生產(chǎn)過程。
蝦醬(未經(jīng)過滅菌處理)由連云港市海娃食品有限公司提供。
E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit 美國OMEGA公司;Qubit 2.0 DNA檢測試劑盒 美國Life公司;Taq DNA Polymerase 美國Thermo公司;Agencourt AMPure XP 美國Beckman公司。
臺式離心機(jī) 美國Thermo Fisher公司;旋渦混合器海門市其林貝爾儀器制造有限公司;混勻型干式恒溫器深圳拓能達(dá)科技有限公司;電泳儀、電泳槽 北京六一儀器廠;凝膠成像系統(tǒng) 美國UVP公司;Qubit?2.0熒光計美國Invitrogen公司;聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀 美國Bio-Rad公司;移液器 德國Eppendorf公司。
1.3.1 理化指標(biāo)分析
水分的測定:按照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》,采用直接干燥法;灰分的測定:按照GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》,采用加助灰化劑法;蛋白質(zhì)的測定:按照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》,采用凱氏定氮法;脂肪的測定:按照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》,采用酸水解法;亞硝酸鹽的測定:按照GB 5009.33—2016《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》,采用分光光度法;揮發(fā)性鹽基氮的測定:按照GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》,采用半微量定氮法;氨基酸態(tài)氮的測定:按照GB 5009.235—2016《食品中氨基酸態(tài)氮的測定》,采用酸度計法;食鹽的測定:按照GB/T 5009.39—2003《醬油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》,采用直接滴定法;礦物元素的測定:蝦醬經(jīng)微波消解后[18]進(jìn)行等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測。
1.3.2 微生物指標(biāo)分析
菌落總數(shù):按照GB 4789.2—2016《食品微生物學(xué)檢驗 菌落總數(shù)測定》進(jìn)行測定;大腸菌群:按照GB 4789.3—2016《食品微生物學(xué)檢驗 大腸菌群計數(shù)》進(jìn)行測定;沙門氏菌:按照GB 4789.4—2016《食品微生物學(xué)檢驗 沙門氏菌檢驗》進(jìn)行測定;志賀氏菌:按照GB 4789.5—2016《食品微生物學(xué)檢驗 志賀氏菌檢驗》進(jìn)行測定;金黃色葡萄球菌:按照GB 4789.10—2016《食品微生物學(xué)檢驗 金黃色葡萄球菌檢驗》進(jìn)行測定;單核細(xì)胞增生李斯特氏菌:按照GB 4789.30—2016《食品微生物學(xué)檢驗 單核細(xì)胞增生李斯特氏菌檢驗》進(jìn)行測定;致病性弧菌:按照SN/T 2564—2010《水產(chǎn)品中致病性弧菌檢測》進(jìn)行測定。
1.3.3 微生物多樣性分析
1.3.3.1 DNA提取和PCR擴(kuò)增
采用E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit的試劑盒對蝦醬樣品的細(xì)菌基因組DNA進(jìn)行提取,并用瓊脂糖凝膠檢測DNA的完整性。利用Qubit 2.0 DNA檢測試劑盒對基因組DNA精確定量以確保分離得到足夠量的高質(zhì)量基因組DNA。
將提取到的基因組D N A對細(xì)菌1 6 S r D N A的V3-V4區(qū)域進(jìn)行兩輪P C R擴(kuò)增。第1輪擴(kuò)增以3 4 1 F(C C T A C G G G N G G C W G C A G)和8 0 5 R(GACTACHVGGGTATCTAATCC)為引物。94 ℃預(yù)變性3 min,首先以94 ℃變性30 s,45 ℃退火20 s,65 ℃延伸30 s為5個循環(huán);接著進(jìn)行20個循環(huán)的94 ℃變性20 s,55 ℃退火20 s,72 ℃延伸30 s;最后72 ℃延伸5 min。第2輪擴(kuò)增引入Illumina橋式PCR兼容引物,95 ℃預(yù)變性3 min,94 ℃變性20 s,55 ℃退火20 s,72 ℃延伸30 s,5個循環(huán),最后72 ℃延伸5 min。反應(yīng)結(jié)束后配制1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物。
1.3.3.2 測序數(shù)據(jù)的處理優(yōu)化
為得到準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù),運用Qiime(version 1.8.0)軟件對序列進(jìn)行過濾,標(biāo)準(zhǔn)為:去除3’端的引物接頭;去除引物錯配比率大于0.1的序列;去除樣本中序列尾部質(zhì)量值小于20的堿基;去除含N的序列;去除長度小于200 bp的序列;去除嵌合體序列,運用Mothur(version 1.30.1)軟件中Uchime的方法去除嵌合體序列,保證信息分析質(zhì)量,得到優(yōu)質(zhì)序列。
1.3.3.3 多樣性分析
利用Usearch(version 5.2.236)軟件對97%的相似水平下的操作分類單元(operational taxonomic units,OTU)進(jìn)行聚類分析,選擇豐度最高的序列作為OTU代表性序列。
利用Mothur(version 1.30.1)軟件,可計算出群落分布豐度指數(shù)Chao指數(shù)和ACE指數(shù)以及群落分布多樣性指數(shù)Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和Coverage指數(shù)。
1.3.3.4 群落結(jié)構(gòu)分析
利用BLAST將OTU序列與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,篩選出OTU序列最佳比對結(jié)果,并對比對結(jié)果進(jìn)行過濾,去除相似度小于10%且Coverage小于10%的序列,數(shù)據(jù)庫為:http://ncbi.nlm.nih.gov/。根據(jù)分類學(xué)分析結(jié)果,可得到樣品在不同分類水平上(門、綱、目、科、屬)的分類學(xué)比對情況,主要包括:樣品中含有何種微生物;樣品中微生物的相對豐度。
表1 蝦醬的物理化學(xué)及微生物指標(biāo)Table 1 Physicochemical and microbiological parameters of shrimp sauce
由表1可知,蝦醬中含有7.924%的蛋白質(zhì)和12.775 mg/L的Ca元素,說明本實驗原料中含有豐富的人體所必須的蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽等營養(yǎng)成分。另外,蝦殼中的不溶性鈣在經(jīng)過發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的乳酸和醋酸等有機(jī)酸作用后可形成大量的可溶性鈣更有利于人體的吸收[19]。蝦醬中的揮發(fā)性鹽基氮和氨基酸態(tài)氮分別為4.233 mg/100 g和0.361%,符合國家衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。蝦醬發(fā)酵過程中,硝酸鹽在微生物和酶的作用下產(chǎn)生亞硝酸鹽,亞硝酸鹽是一種致癌性物質(zhì)[20],本實驗中蝦醬的亞硝酸鹽含量為0.530 mg/kg,遠(yuǎn)低于國際醬腌菜衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)(20 mg/kg)。揮發(fā)性鹽基氮反映了水產(chǎn)品原料的新鮮度[21],本實驗中蝦醬的揮發(fā)性鹽基氮含量較低,表明食品新鮮度很高,可以安全食用。張德友[22]采用低鹽技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)的蝦醬,食鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%~18%,而本實驗中蝦醬的食鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.254%,更符合發(fā)酵食品的低鹽標(biāo)準(zhǔn),可滿足消費者對低鹽健康食品的需求。本實驗的蝦醬中未檢出有害的重金屬Pb、Cd、As以及致病菌,經(jīng)過滅菌而制成的成品蝦醬中的菌落總數(shù)小于10 CFU/g。因此,本實驗所用蝦醬的理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)均符合食用安全標(biāo)準(zhǔn)。
對基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增(圖1),擴(kuò)增后得到清晰明顯的條帶,DNA濃度達(dá)到擴(kuò)增的要求,可用于后續(xù)的研究分析,委托生工生物工程(上海)有限公司進(jìn)行高通量測序。
圖1 DNA檢測電泳圖Fig. 1 Electrophoresis of PCR amplified genomic DNA from bacteria in shrimp sauce
通過細(xì)菌的16S rDNA基因V3-V4測序,共獲得61 255 個序列,平均長度479.19 bp。質(zhì)控之后,共有61 107 個序列,平均長度427.20 bp。所有序列在97%的相似水平下進(jìn)行OTU統(tǒng)計分析,共獲得4 358 個OTU。
表2 蝦醬樣品的序列豐度和微生物多樣性Table 2 Sequence abundance and microbial diversity in shrimp sauce
蝦醬樣品的ACE和Chao1指數(shù)可以反映出群落分布豐度,由表2可以看出,蝦醬樣品中的微生物群落的種群多樣性和總體豐度較高。Shannon和Simpson以及Coverage指數(shù)可以反映出群落分布多樣性,其中Shannon指數(shù)越大,表明微生物群落多樣性越高,而Simpson指數(shù)越大,表明微生物群落多樣性越低,Coverage指數(shù)則反映了樣品的覆蓋率[23]。由表2可以看出,蝦醬中微生物群落多樣性處于較高的水平,覆蓋率可達(dá)94%,說明樣品覆蓋率高,樣品中序列沒有被測出的概率較低,測序結(jié)果具有真實性。
本實驗中共鑒定出蝦醬的1 4 個細(xì)菌門,分別為變形菌門(Proteobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(V e r r u c o m i c r o b i a)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、螺旋菌門(Spirochaetes)、Candidatus Saccharibacteria、Candidate division WPS-1、未分類菌群(unclassified)。對蝦醬主要組成的14 個門進(jìn)行門水平菌群比例分布繪圖,結(jié)果如圖2所示。由圖2、3可知,蝦醬中變形菌門為優(yōu)勢的菌群門,達(dá)到92.02%,而在變形菌門中γ-變形菌綱比例最高,是主要的菌群綱。梭桿菌門和厚壁菌門比例較低,僅為3.97%和3.38%。變形菌門是革蘭氏陰性菌的主要組成部分,在人體[24]、蝦類[25]、蟹類[26-27]中廣泛存在。Jack等[28]研究了普利茅斯沿海地區(qū)的海水,發(fā)現(xiàn)變形菌門是優(yōu)勢菌群門。對養(yǎng)殖池塘中的水體研究也發(fā)現(xiàn)變形菌門為優(yōu)勢類群[29-31]。本研究所用的麻蝦來源于黃海,其中主要的細(xì)菌類群是變形菌門[32],因此以變形菌門為蝦醬中占主導(dǎo)作用的菌群可能與其原材料來源相關(guān)。變形菌門是細(xì)菌中最大的一門,包括了很多的病原菌,如大腸桿菌、沙門氏菌、幽門螺桿菌等[33],而變形菌帶菌率的高低主要和食品的新鮮、運輸和貯存的衛(wèi)生條件密切相關(guān)。因此,變形菌對蝦醬的品質(zhì)影響極大,需要在麻蝦醬的發(fā)酵生產(chǎn)和儲存過程中嚴(yán)格控制變形菌的生長,實現(xiàn)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。
圖2 門水平樣本菌群分布圖Fig. 2 Distribution frequency at phylum level of microbial communities from shrimp sauce
圖3 綱水平樣本菌群分布圖Fig. 3 Distribution frequency at class level of microbial communities from shrimp sauce
圖4 目水平樣本菌群分布圖Fig. 4 Distribution frequency at order level of microbial communities from shrimp sauce
圖5 科水平樣本菌群分布圖Fig. 5 Distribution frequency at family level of microbial communities from shrimp sauce
如圖4所示,本研究中共得到3 4 種細(xì)菌目,主要有弧菌目(V i b r i o n a l e s)、梭桿菌目(Fusobacteriales)、乳桿菌目(Lactobacillales)、交替單胞菌目(Alteromonadales)、假單胞菌目(Pseudomonadales)、彎曲菌目(Campylobacterales)和一些其他的菌群目。其中弧菌目比例達(dá)到85.91%,而梭桿菌目和乳桿菌目分別為3.97%和2.71%。如圖5所示,在科水平上,弧菌目和梭桿菌目中分別為弧菌科和梭桿菌科,而乳桿菌目中有1.28%的腸菌科、1.14%的肉桿菌科以及0.27%的鏈球菌科。因此,在目和科的水平上,弧菌目和弧菌科是最占優(yōu)勢的菌群。弧菌通常是海產(chǎn)品引起食物中毒的主要微生物源[34],因此蝦醬的發(fā)酵過程需嚴(yán)格控制發(fā)酵條件,避免弧菌的滋生。本實驗中未檢測出弧菌,說明蝦醬具有極高的安全性。
圖6 屬水平樣本菌群分布圖Fig. 6 Distribution frequency at genus level of microbial communities from shrimp sauce
由圖6可知,本研究共獲得20 個主要的細(xì)菌屬,分別是發(fā)光桿菌屬(Photobacterium)、弧菌屬(Vibrio)、冷泥桿屬(Psychrilyobacter)、嗜冷菌屬(P s y c h r o b a c t e r)、摩替亞氏菌屬(Moritella)、弓形桿菌屬(Arcobacter)、肉食桿菌屬(Carnobacterium)、漫游球菌屬(Vagococcus)、腸球菌屬(Enterococcus)、乳球菌屬(Lactococcus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)、異單胞菌屬(Allomonas)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、射光桿菌屬(Lucibacterium)、Aliivibrio、Oceanisphaera、Jeotgalibaca、Echinimonas、Grimontia。其中發(fā)光桿菌屬是優(yōu)勢菌屬,所占比例達(dá)到71.94%;其次是弧菌屬,比例為12.54%;而冷泥桿屬、嗜冷菌屬、摩替亞氏菌屬和弓形桿菌屬比例較低,僅有3.93%、1.82%、1.47%和1.01%。Wanilada等[35]研究不同生長階段下黑虎蝦腸道細(xì)菌多樣性,發(fā)現(xiàn)在黑虎蝦幼蟲期的后期發(fā)光桿菌屬是主要的細(xì)胞菌屬,而整個幼蟲期是以弧菌屬為主,發(fā)光桿菌屬和弧菌屬在蝦腸道中普遍存在[36-37]。對凡納濱對蝦腸道和三疣梭子蟹腸道進(jìn)行多樣性分析后也可得出相同的結(jié)論[38-39]。另外,發(fā)光桿菌屬能產(chǎn)生抗菌物質(zhì),具有一定的抑菌活性,因此可以在一定程度上產(chǎn)生特異生物活性代謝物,抑制蝦醬中病原菌的生長[40]。但也有研究發(fā)現(xiàn),發(fā)光桿菌屬是引起食品腐敗的主要菌屬[41],且發(fā)光桿菌可在高鹽的環(huán)境中產(chǎn)生生物胺,食品中生物胺含量達(dá)到1 000 mg/kg時便會對人體健康造成極大的危害[42]。高溫對降低生物胺含量具有顯著效果,因此在蝦醬罐裝前,可通過適當(dāng)高溫煮制,降低蝦醬中生物胺含量[43]。
本研究利用高通量測序技術(shù)分析自然發(fā)酵產(chǎn)品蝦醬中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性,研究共獲得61 107 條序列,4 358 個OTU。對蝦醬進(jìn)行微生物多樣性分析后共得到26 個門、41 個綱、59 個目、124 個科、315 個屬。蝦醬中的優(yōu)勢菌群分別是變形菌門、γ-變形菌綱、弧菌目、弧菌科、發(fā)光桿菌屬和弧菌屬,就門水平來說,變形菌門是最占優(yōu)勢的菌群門,占到92.02%,在蝦中廣泛存在,且與蝦的養(yǎng)殖環(huán)境密切相關(guān)。通過探討蝦醬中的細(xì)菌群落組成,可以把握蝦醬中優(yōu)勢菌群的分布情況,了解到優(yōu)勢菌群會對蝦醬的質(zhì)量與安全以及品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。其中變形菌門、弧菌和發(fā)光桿菌在某種程度上都對蝦醬具有潛在的危害性,因此為控制這些安全隱患,可以從麻線蝦的處理、蝦醬的發(fā)酵環(huán)境、罐裝溫度等生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行改進(jìn),將生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以降低風(fēng)險。這對于保證蝦醬的質(zhì)量與安全,提高蝦醬的品質(zhì)和營養(yǎng)價值具有重要意義。