劉俊菲,林 鳳,毛瑞豐*,李 凱,2,陸翠華
(1廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧530004;2廣西甘蔗制糖中心,廣西南寧530004;3南寧糖業(yè)股份有限公司伶俐糖廠,廣西南寧530211)
甘蔗的種植和制糖以印度為最早[1],甘蔗制糖在我國(guó)也有悠久的歷史,白糖和冰糖制造技術(shù)可以追溯到唐朝。然而,甘蔗糖廠車間環(huán)境中存在著大量的微生物,主要以微生物氣溶膠形式存在,進(jìn)而傳播到成品糖造成產(chǎn)品品質(zhì)下降。微生物氣溶膠指的是氣溶膠中有生命活性的部分,囊括空氣中的病毒、細(xì)菌、真菌等具有生命活性的微小粒子[2],按照生物學(xué)種類,可以將微生物氣溶膠劃分為真菌氣溶膠、細(xì)菌氣溶膠。微球菌和表皮葡萄球菌是室內(nèi)細(xì)菌微生物普遍存在的一種微生物[3]。煙曲霉和雜色曲霉是導(dǎo)致室內(nèi)真菌污染的主要菌株[4],雜色曲霉能使甘蔗變質(zhì)產(chǎn)生可溶性紅色色素,使潮包變紅[5]。真菌菌株在適宜的條件下可以產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物,如:揮發(fā)性真菌代謝物(VFM)、(1-3)-β-D 葡聚糖、麥角甾醇及霉菌毒素。其中腸膜明串珠菌是甘蔗糖廠生產(chǎn)及加工中主要的有害菌株,其危害是產(chǎn)生葡聚糖,造成“蔗飯”,產(chǎn)生大量泡沫,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[6]。
甘蔗制糖工藝包括原料預(yù)處理、提汁、清凈、蒸發(fā)、煮糖結(jié)晶、離心、干燥、包裝等工藝。煮糖之前的微生物來源廣泛,其危害主要體現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)效率上;而經(jīng)過蒸發(fā)、煮糖等高溫殺菌作用后對(duì)成糖工序影響較小。甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)是指煮糖之后的部分,其微生物來源主要是車間環(huán)境和空氣中的微生物,研究結(jié)果顯示檢出的致病菌主要來自于成糖潔凈區(qū)[7-8]。因此,系統(tǒng)研究甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物危害控制是必不可少的,合理的車間氣流組織分布是減少和控制成糖潔凈區(qū)微生物危害發(fā)生及傳播的主要因素之一。
本文采用傳統(tǒng)微生物學(xué)鑒定方法和分子生物學(xué)鑒定相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物鑒定,通過指標(biāo)性微生物的系統(tǒng)發(fā)育分析,找出成糖潔凈區(qū)潛在的污染途徑及污染源,從而為甘蔗制糖行業(yè)微生物危害控制技術(shù)規(guī)范研究奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 采樣工具
試管、小鋁盒、鑷子、平板、5 cm×5 cm采樣規(guī)格板、鐵鏟、棉拭子、酒精棉球、封口膠。
1.1.2 培養(yǎng)基
馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA):馬鈴薯200 g,蔗糖(葡萄糖)20 g,瓊脂 15~20 g,蒸餾水 1000 mL,pH自然,121℃滅菌15 min;沙氏培養(yǎng)基:葡萄糖40 g,蛋白胨10 g,瓊脂20 g,蒸餾水1000 mL,121℃滅菌15 min;牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,牛肉膏3 g,氯化鈉5 g,瓊脂15 g,蒸餾水1000 mL,pH 值 7.3±0.2(25℃),121℃高壓蒸汽滅菌 20 min;胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(TSB):胰蛋白胨17 g,植物蛋白胨3 g,氯化鈉5 g,磷酸氫二鉀2.5 g,葡萄糖 2.5 g,蒸餾水 1000 mL,pH 值 7.3±0.2(25℃),121℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.3 試劑
傳統(tǒng)微生物學(xué)鑒定所需試劑:結(jié)晶紫、碘單質(zhì)、95%乙醇、番紅等,均為分析純。
核酸提取及聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)所需試劑:細(xì)菌DNA提取試劑盒(購(gòu)于TaKaRa);真菌DNA提取試劑盒(生工生物工程(上海)股份有限公司);Premix TaqTM(購(gòu)于 TaKaRa);27F/1492R 通用引物(購(gòu)于北京六合華大基因科技股份有限公司);ITS1/ITS4通用引物(購(gòu)于北京六合華大基因科技股份有限公司);瓊脂糖(購(gòu)于 Biowest,西班牙);4S Red Plus核酸染色劑(生工生物工程(上海)股份有限公司)。
電泳緩沖液儲(chǔ)存液(5×TBE):Tris 54 g,硼酸27.5 g,EDTA(0.5 mol/L,pH 8.0)20 mL,蒸餾水 1000 mL。
1.2.1 樣品采樣方法、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度測(cè)定方法
環(huán)境空氣采樣[9]、設(shè)備表面采樣、生產(chǎn)線采樣及糖垢采樣點(diǎn)采樣參考GB 4789.2-2016《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》;利用AM-4812風(fēng)速儀和飄帶法以及 AT7592指南針測(cè)定風(fēng)速、風(fēng)向;利用溫度計(jì)和濕度測(cè)定儀對(duì)溫濕度進(jìn)行測(cè)定。
1.2.2 菌落總數(shù)測(cè)定及分離純化方法
生產(chǎn)線樣品、糖垢樣品及設(shè)備表面樣品的菌落總數(shù)測(cè)定方法參考GB 4789.2-2016《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》,略作改動(dòng)地方為:每次取菌液時(shí)加入5 min的渦旋震蕩,用來達(dá)到混勻的目的。而關(guān)于空氣環(huán)境樣品菌落總數(shù)的測(cè)定,則是參照《甘蔗糖成品霉菌污染的微生物學(xué)分析》及《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》。細(xì)菌分離純化采用的是平板劃線分離法;真菌的分離純化采用的是三點(diǎn)接種法。
1.2.3 16S rRNA[10]和ITS[11]基因序列分析
利用細(xì)菌基因組 DNA提取試劑盒、真菌基因組 DNA提取試劑盒對(duì)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)菌株進(jìn)行DNA提取,方法可參考試劑盒說明書。利用通用引物27F/1492R[12]、ITS1/ITS4對(duì)基因組進(jìn)行核酸聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction,PCR)擴(kuò)增,PCR反應(yīng)體系如表1、表2所示。擴(kuò)增出16S rRNA和ITS基因片段,通過1%的瓊脂糖凝膠電泳,驗(yàn)證基因組提取結(jié)果及擴(kuò)增結(jié)果,條帶明亮的樣品送至測(cè)序公司進(jìn)行測(cè)序。通過利用美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(National Center For Biotechnology Information,NCBI)網(wǎng)站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)進(jìn)行基因序列比對(duì),從而確定菌株的相似性。首先利用DAMBE軟件進(jìn)行堿基替換飽和分析,進(jìn)而利用 PAUP*4.0b10軟件中的最大似然法(Maximum Likehood,ML)和 MrBayes×64 軟件中的貝葉斯法(Bayesian,BI)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
表1 PCR反應(yīng)液的組成
甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)中環(huán)境空氣、設(shè)備表面、生產(chǎn)線及糖垢等采樣點(diǎn)位置及風(fēng)速測(cè)定見圖 1,環(huán)境空氣、設(shè)備表面、生產(chǎn)線及糖垢等采樣點(diǎn)的細(xì)菌菌落數(shù)和真菌菌落數(shù)見表3、表4、表5和表6,結(jié)果顯示成糖潔凈區(qū)不同采樣點(diǎn)均存在菌落總數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)的問題。
圖1 所有樣品取樣點(diǎn)(箭頭方向代表風(fēng)速方向)
表3 環(huán)境空氣取樣點(diǎn)的菌落總數(shù)及采樣點(diǎn)位置
表4 設(shè)備表面取樣點(diǎn)的菌落總數(shù)及采樣點(diǎn)位置
環(huán)境空氣總共選取了20個(gè)采樣點(diǎn),在A-7、A-20采樣點(diǎn)細(xì)菌蓄積嚴(yán)重,在A-7、A-16采樣點(diǎn)真菌蓄積嚴(yán)重。設(shè)備表面總共選取了21個(gè)采樣點(diǎn),在B-9、B-11、B-12、B-21采樣點(diǎn)細(xì)菌菌落總數(shù)分別達(dá)到了6.8×103、1.4×103、3.0×105、3.4×104CFU/cm2,最高達(dá)到了 105數(shù)量級(jí),在 B-6、B-9、B-15、B-21采樣點(diǎn)真菌菌落總數(shù)分別達(dá)到了 5.3×104、2.5×103、2.3×103、1.0×103CFU/cm2,最高達(dá)到了 104數(shù)量級(jí)。糖垢采樣總共選取了8個(gè)采樣點(diǎn),在C-1、C-2、C-3、C-4采樣點(diǎn)細(xì)菌菌落總數(shù)分別達(dá)到了1.8×103、1.6×103、1.5×103、3.0×102CFU/g,而在C-1、C-3、C-4采樣點(diǎn)真菌菌落總數(shù)分別為70、20、20 CFU/g。生產(chǎn)線采樣總共選取了6個(gè)采樣點(diǎn),在D-3采樣點(diǎn)細(xì)菌菌落總數(shù)最高達(dá)1.0×102CFU/g,在D-2、D-3采樣點(diǎn)真菌菌落總數(shù)分別為2.0×102、1.0×102CFU/g。風(fēng)速測(cè)定總共選取了14個(gè)采樣點(diǎn),通過風(fēng)速的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)有 3個(gè)采樣點(diǎn)風(fēng)速分別為36.5、6.0、4.0 m/s,其它風(fēng)速點(diǎn),風(fēng)速均小于 1.0 m/s。
表5 糖垢取樣點(diǎn)及采樣點(diǎn)位置
表6 生產(chǎn)線取樣點(diǎn)的菌落總數(shù)及采樣點(diǎn)位置
從菌落總數(shù)測(cè)定結(jié)果可知,甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物污染嚴(yán)重的地方主要集中于一級(jí)振篩、9號(hào)分蜜機(jī)落糖口(位于一級(jí)振篩)、二級(jí)振篩及三級(jí)振篩周圍,且設(shè)備表面采樣點(diǎn)的菌落總數(shù)高于生產(chǎn)線及糖垢采樣點(diǎn)的菌落總數(shù),其主要原因是由于落糖口區(qū)域溫濕度較大,帶有大量水分的成品糖使此區(qū)域的溫濕度增大,如最高溫度達(dá)28℃,最高相對(duì)濕度達(dá) 71%,又發(fā)現(xiàn)糖粉分布于整個(gè)成糖潔凈區(qū),再加之測(cè)得的一級(jí)振篩區(qū)域氣流分布成交叉狀態(tài),所以增加了環(huán)境微生物及設(shè)備表面微生物的蓄積及傳播。而生產(chǎn)線及糖垢采樣點(diǎn)菌落總數(shù)測(cè)得結(jié)果較少的原因有可能是進(jìn)入到成糖工序造成真菌污染產(chǎn)生真菌孢子,但隨著成糖工序輸送帶的輸送作用,蔗糖的水分含量也逐漸減少,從而不適宜真菌孢子的生長(zhǎng),進(jìn)而檢測(cè)不出成品糖受到的微生物危害。
為確定甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)中污染微生物的種類,結(jié)合菌落形態(tài)觀察、顯微結(jié)構(gòu)觀察以及生理生化實(shí)驗(yàn)、對(duì)所獲得的未知菌株進(jìn)行了初步鑒定。結(jié)果發(fā)現(xiàn),細(xì)菌菌株多數(shù)為革蘭氏陽(yáng)性的芽孢桿菌(Bacillus)、球菌[3],而真菌菌株多數(shù)為青霉屬(Pencillicun)、曲霉屬(Asperigillus),還有少數(shù)的紅酵母屬(Rhodotorula)。
同時(shí),利用分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)鑒定出163株細(xì)菌,主要有克氏庫(kù)克菌(Kocuria kristinae)[13]、蠟樣芽胞桿菌(Bacillus cereus)、高地衣芽孢桿菌(Bacillus altitudinis)、鮑曼不動(dòng)桿菌(Acinetobacter baumannii)[14]、 腐 生 葡 萄 球 菌(Staphylococcus saprophyticus Subsp.)等;鑒定出 97株真菌,主要包括粗糙脈孢菌(Neurospora crassa)、米 根 霉 (Rhizopus oryzae)、 煙 曲 霉 (Aspergillus fumigatus)[15]、聚多曲霉(Aspergillus sydowii)、黃曲霉 (Aspergillus flavus)[16]、 黑 曲 霉 (Aspergillus puniceus)、桔青霉(Penicillium citrinum)[17]、離生青霉 (Penicillium solitum)、 枝 孢 霉 (Cladosporium halotolerans)、木霉(Trichoderma harzianum)等。
此外,利用部分真菌菌株鑒定結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)。從系統(tǒng)發(fā)育樹鑒定結(jié)果可知,系統(tǒng)樹分為2大類分支。第一大類分支能夠?qū)?株供試菌株鑒定到種水平,且供試菌株與模式菌株的后驗(yàn)概率值在0.90以上,說明供試菌株鑒定結(jié)果的可信度較高,菌株親緣關(guān)系較近;第二大類分支較復(fù)雜且有很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及分支,可將13株供式菌株鑒定到種水平,菌株之間的親緣關(guān)系也是由后驗(yàn)概率值大小的變化轉(zhuǎn)換成菌株親緣遠(yuǎn)近的關(guān)系。通過利用指標(biāo)性微生物菌株構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,找出菌株的親緣關(guān)系,通過菌株的親緣關(guān)系確定菌株的進(jìn)化關(guān)系,從而判斷菌株的直系親屬關(guān)系。最后,通過菌株的直系關(guān)系及進(jìn)化途徑可以確定菌株的污染傳播途徑,結(jié)果如圖3所示。
圖2 運(yùn)用BI在MrBayes×64中對(duì)供試菌株的ITS構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹
圖3 甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物危害分析流程圖
分子系統(tǒng)發(fā)生是利用各種分子性狀構(gòu)建的生物實(shí)體之間起源和演化關(guān)系。采用的分子數(shù)據(jù)主要是DNA和蛋白質(zhì)序列。DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)作為生物信息分子具有線性數(shù)字編碼特征,并且能夠建立位點(diǎn)之間的同源關(guān)系,逐漸成為系統(tǒng)發(fā)生分析的主要數(shù)據(jù)來源[18]。結(jié)果如圖 4[19]所示,以分布在不同采樣點(diǎn)的枯草芽孢桿菌為指標(biāo)性菌株,通過系統(tǒng)發(fā)育分析,發(fā)現(xiàn)分支點(diǎn)c與d的親緣關(guān)系較近,也
就意味著具有相同的直系菌株即菌株的來源相同,而分支點(diǎn)b的親緣關(guān)系逐漸較遠(yuǎn)。從而可以判斷菌株的進(jìn)化發(fā)育次序是從節(jié)點(diǎn) A到節(jié)點(diǎn) F的進(jìn)化發(fā)育,即溯源環(huán)境菌株是否進(jìn)入到成品糖中并具有直系關(guān)系,再結(jié)合車間氣流組織分布,論證了氣流組織分析獲得的污染傳播途徑與菌株進(jìn)化發(fā)育次序獲得的污染傳播途徑相一致。
圖4 運(yùn)用BI在MrBayes×64中對(duì)枯草芽孢桿菌的16S rRNA序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹[19]
對(duì)甘蔗成糖潔凈區(qū)微生物危害分析,首先是從指標(biāo)性微生物的污染源及污染途徑分析,其次是從檢出菌株的危害分析及污染源的判斷分析。指標(biāo)性微生物是指分布在甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)各個(gè)生產(chǎn)線采樣點(diǎn)且同時(shí)分布在其它各個(gè)采樣點(diǎn)中最多的同一種菌株。游彪[19]研究結(jié)果選擇枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、煙曲霉(Aspergillus fumigatus)作為細(xì)菌和真菌菌株的指標(biāo)性微生物。
通過指標(biāo)性微生物構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,可以找出菌株間的親緣關(guān)系和直系菌株。通過系統(tǒng)發(fā)育分析,圖4發(fā)現(xiàn)分支點(diǎn)c與d的親緣關(guān)系較近,也就意味著具有相同的直系菌株即菌株的來源相同,而分支點(diǎn)b的親緣關(guān)系逐漸較遠(yuǎn)。從而判斷菌株的進(jìn)化發(fā)育次序是從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)F的進(jìn)化發(fā)育,再結(jié)合車間氣流組織分布,發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌進(jìn)化發(fā)育過程和成糖潔凈區(qū)不同工序枯草芽孢桿菌菌株的污染傳播途徑相一致,從而為甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)車間環(huán)境菌株進(jìn)入到成品糖的污染傳播途徑得到證明。結(jié)合檢出菌株,發(fā)現(xiàn)成糖潔凈區(qū)檢出黃曲霉分布于B-4、B-12、B-15、B-18、B-21等采樣點(diǎn),根據(jù)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)物料流動(dòng)方向及物料特性,蓄積在生產(chǎn)線上的糖垢為生產(chǎn)線上的微生物繁殖提供了一定的生存環(huán)境,隨著物料的流動(dòng),從成糖工序傳播到下一成糖工序,并造成二次污染,隨著帶有大量水分的成品糖不斷的沖擊落糖口積垢處,為微生物傳播提供動(dòng)力。另一方面,通過氣流組織測(cè)定,三級(jí)振篩中端測(cè)定的進(jìn)氣管口風(fēng)速較大,達(dá) 36.5 m/s,且測(cè)定的此處區(qū)域的氣流成交叉狀態(tài),其他不同采樣點(diǎn)區(qū)域也存在氣流分布紊亂。因此,將發(fā)現(xiàn)的2條主要污染途徑歸為生產(chǎn)線上物料的流動(dòng)和車間氣流組織的流動(dòng)。
檢出菌株的危害分析是依據(jù)檢出菌株本身的微生物危害及對(duì)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)成品糖的危害進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,檢出大量具有致病性菌株及具有產(chǎn)色素能力的污染傳播菌株,致病性菌株分為疑似常見致病菌株和疑似條件致病菌,它們能夠產(chǎn)生金黃色葡萄球菌毒素、黃曲霉毒素和桔霉素等,而且產(chǎn)色素能力的菌株也會(huì)對(duì)成品糖的色澤和品質(zhì)造成影響,而通過致病菌微生物的傳播也會(huì)造成甘蔗糖的安全性隱患。
根據(jù)污染菌株的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如致病性、產(chǎn)色素能力及普遍性可將污染菌株進(jìn)行危害等級(jí)劃分,分為高度風(fēng)險(xiǎn)菌株、中度風(fēng)險(xiǎn)菌株、低風(fēng)險(xiǎn)菌株、可能性高風(fēng)險(xiǎn)污染菌株、可能性中度風(fēng)險(xiǎn)菌株及可能性低度污染菌株等6類。如高風(fēng)險(xiǎn)菌株有蠟樣芽胞桿菌(Bacillus cereus)、黃曲霉(Aspergillus flavus)、桔青霉(Penicillium citrinum)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、煙曲霉(Aspergillus fumigatus);根據(jù)結(jié)合取樣點(diǎn)信息、菌落總數(shù)及污染菌株風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),將污染源危害等級(jí)劃分為高度風(fēng)險(xiǎn)污染源、中度風(fēng)險(xiǎn)污染源、低風(fēng)險(xiǎn)污染源、可能性高風(fēng)險(xiǎn)污染源、可能性中度風(fēng)險(xiǎn)污染源及可能性污染源。高風(fēng)險(xiǎn)污染源有B-4、B-12、A-19、A-16、B-21等。
通過對(duì)甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物危害分析,結(jié)合菌落總數(shù)測(cè)定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)潔凈區(qū)微生物污染嚴(yán)重的地方主要集中于一級(jí)振篩、9號(hào)分蜜機(jī)落糖口(位于一級(jí)振篩)、二級(jí)振篩及三級(jí)振篩周圍,且設(shè)備表面采樣點(diǎn)的菌落總數(shù)高于生產(chǎn)線及糖垢采樣點(diǎn)的菌落總數(shù)。
通過系統(tǒng)發(fā)育分析,可以找出菌株間的親緣關(guān)系和直系菌株及菌株的進(jìn)化發(fā)育次序,再結(jié)合車間氣流組織分布,論證了氣流組織分析獲得的污染傳播途徑與菌株進(jìn)化發(fā)育次序獲得的污染傳播途徑相一致。最后,將生產(chǎn)線上物料的流動(dòng)和車間氣流組織的變化作為甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物污染的主要途徑和普遍性規(guī)律,從而為甘蔗糖廠成糖潔凈區(qū)微生物危害分析奠定了理論基礎(chǔ)。