,3,*
(1.北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院,北京 100048;2.北京工商大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100048;3.北京工商大學(xué)食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京 100048;)
我國傳統(tǒng)釀造食醋普遍為自然接種、多微共酵、開放式生產(chǎn)[1]。正是由于包括細(xì)菌和真菌在內(nèi)的多種菌種共同存在的混菌發(fā)酵,賦予了我國食醋豐富獨(dú)特的風(fēng)味和保健功能[2-3]。但是,群體微生物體系復(fù)雜、代謝機(jī)制不清,造成食醋發(fā)酵過程調(diào)控困難、原料利用率不高,勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、不同批次產(chǎn)品品質(zhì)風(fēng)味穩(wěn)定性差等問題,而目前人們釀造食醋還僅僅停留在醋酸菌將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸的層面上[4-6],對于釀造過程對中其它微生物的作用認(rèn)識(shí)不足,這就大大阻礙了我國傳統(tǒng)發(fā)酵食醋行業(yè)的工藝創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級(jí)。
山西老陳醋天然發(fā)酵醋醅中存在著種類繁多的產(chǎn)酸菌,性質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)酸菌在老陳醋的風(fēng)味、品質(zhì)及功能成分的形成過程中起到重要作用。呂艷歌等[7]利用分子生物學(xué)技術(shù)從連續(xù)采樣的山西老陳醋醋醅中分離出了芽孢桿菌及醋酸桿菌,其中優(yōu)勢菌群為解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)和巴氏醋酸桿菌(Acetobacterpasteurianus)。杜宏福等[8]采用PCR-DGGE技術(shù)結(jié)合CCA分析方法對山西老陳醋醋醅和酒醅發(fā)酵過程中微生物群落演替及有機(jī)酸變化進(jìn)行分析,得到優(yōu)勢菌群為醋酸菌及乳酸菌,主體酸為乙酸和乳酸。史改玲等[9]從山西老陳醋醋醅中篩選出9株優(yōu)良芽孢桿菌,其中地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)CP-18和CP-1853有較強(qiáng)的產(chǎn)酸和產(chǎn)酯能力,產(chǎn)量分別為0.25 g/L和10.67 g/100 mL,甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌(Bacillusmethylotrophicus)CP-1576產(chǎn)乙酸能力較強(qiáng),為1.15 mg/mL。但目前少有文獻(xiàn)報(bào)道對從山西老陳醋醋醅中篩選出不同種屬的優(yōu)良產(chǎn)酸菌在單菌純培養(yǎng)過程中產(chǎn)有機(jī)酸和揮發(fā)性成分的分析。
本實(shí)驗(yàn)通過篩選鑒定從山西老陳醋醋醅中獲得3株優(yōu)良產(chǎn)酸菌,并通過高效液相色譜與氣相色譜質(zhì)譜法對其產(chǎn)有機(jī)酸能力和產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)的功能特性進(jìn)行探究,從而明確菌株在發(fā)酵過程中所起關(guān)鍵作用以及發(fā)酵過程中微生物的代謝對食醋釀造品質(zhì)的影響[10-11],以期豐富老陳醋中優(yōu)良菌株的微生物資源。
山西老陳醋醋醅 山西老陳醋集團(tuán)有限公司定州分公司;DNA Marker 北京橋生物科技有限公司;dNTPs 日本TAKARA公司;TransTaq?-T DNA Polymerase 北京全式金生物技術(shù)有限公司;引物 由北京奧科鼎盛公司合;草酸、酒石酸、丙酮酸、乙酸、乳酸、α-酮戊二酸(標(biāo)準(zhǔn)品)、2-辛醇(分析純) Sigma-Aldrich公司。
JY2002 電子天平 上海浦春計(jì)量儀器有限公司;PHS-3CpH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;LRH-250恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;DL-CJ-2ND I超凈工作臺(tái) 北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司;TENSUC恒溫?fù)u床 上海天呈實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司;YQX-SG46-280S高壓蒸汽滅菌器 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;高效液相色譜儀 美國安捷倫公司;氣相色譜質(zhì)譜儀 美國賽默飛世爾科技公司。
1.2.1 培養(yǎng)基配制 醋酸菌、芽孢桿菌發(fā)酵培養(yǎng)基:葡萄糖10 g/L,酵母粉10 g/L,蛋白胨3 g/L,121 ℃滅菌20 min,降溫至55 ℃左右加入無水乙醇5%(V/V)。
產(chǎn)酸菌株篩選培養(yǎng)基(GYC培養(yǎng)基):葡萄糖10 g/L,酵母浸粉10 g/L,胰蛋白胨3 g/L,輕質(zhì)碳酸鈣5 g/L,瓊脂粉20 g/L,115 ℃高壓蒸汽滅菌30 min。
斜面保藏培養(yǎng)基:胰蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,NaCl 5 g/L,瓊脂20 g/L,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min乳酸菌發(fā)酵培養(yǎng)基(MRS):葡萄糖20 g/L,酵母粉5 g/L,蛋白胨10 g/L,KH2PO41 g/L,K2HPO42.5 g/L,MgSO41 g/L,NaCl 2.5 g/L,115 ℃滅菌30 min,降溫至55 ℃左右加入無水乙醇5%(V/V)。
LB培養(yǎng)基:胰蛋白胨10 g/L,酵母浸粉5 g/L,NaCl 5 g/L,121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.2.2 產(chǎn)酸菌株的篩選 初篩:稱取1 g醋醅置于9 mL無菌水中,震蕩混勻得到濃度梯度為10-1的稀釋液,然后以10倍梯度依次稀釋至10-6,取100 μL稀釋好的菌液均勻涂在GYC固體培養(yǎng)基平板上,倒置于培養(yǎng)箱中,37 ℃ RH 80%培養(yǎng),培養(yǎng)至有菌落出現(xiàn)。菌株產(chǎn)酸后與CaCO3反應(yīng)產(chǎn)生透明圈,根據(jù)有無透明圈來判斷是否產(chǎn)酸。挑取產(chǎn)酸單菌落且長勢良好者,劃線分離純化至斜面保藏培養(yǎng)基,4 ℃冰箱保存,以備進(jìn)一步鑒定。
復(fù)篩:將斜面保藏的菌株接種至液體GYC培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r/min培養(yǎng)12 h后菌液劃線至GYC固體培養(yǎng)基平板上,37 ℃ RH 80%培養(yǎng)反復(fù)劃線至單菌落,得到純化后的3株產(chǎn)酸菌株,對其進(jìn)行種屬鑒定。
1.2.3 產(chǎn)酸菌株的種屬鑒定
1.2.3.1 形態(tài)學(xué)鑒定 將純化后的產(chǎn)酸菌株轉(zhuǎn)移到GYC平板上,37 ℃,RH 80%培養(yǎng),觀察菌落的生長速度和菌落相應(yīng)的大小、形態(tài)等培養(yǎng)特征,同時(shí)對菌落進(jìn)行革蘭氏染色,并觀察染色結(jié)果和細(xì)胞形態(tài)[12-13,9]。
1.2.3.2 分子生物學(xué)鑒定 a.PCR引物
16S rDNA正向引物27F:5′-AGAGTTTGATCC TGGCTCAG-3′。
16S rDNA反向引物1492R:5′-ACGGTTACCTTG TTACGACTT-3′
b.菌體培養(yǎng)
將斜面保藏的菌株在GYC平板上劃線活化,在37 ℃ RH 80%下培養(yǎng)12 h后挑取單菌落接種到50 mL液體LB培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r/min培養(yǎng)12 h。
c.基因組DNA提取
取1 mL經(jīng)培養(yǎng)后的菌液于離心管中,在4 ℃ 10000 r/min下離心10 min,棄上清液,留菌體沉淀。后全基因組DNA提取操作見OMEGA Bacterial DNA Kit試劑盒。
d.PCR擴(kuò)增
PCR反應(yīng)采用50 μL體系,5 μL的10×buffer,4 μL的dNPTs,1 μL的27F,1 μL的1492R,1 μL的模板,0.5 μL的TransTaq-T。反應(yīng)條件為94 ℃預(yù)變性10 min;94 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,29個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。PCR產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢驗(yàn),并將擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行測序[14]。
e.16S rDNA序列測定和系統(tǒng)發(fā)育分析
表1 菌株形態(tài)觀察Table 1 Observation of strain morphology
將16S rDNA成功擴(kuò)增產(chǎn)物送往測序公司,進(jìn)行雙向測序,并將拼接序列提交至16s rDNA GenBank庫檢索系統(tǒng),NCBI的BLAST(http://www.ncbi. nlm.Gov/Blast/)對序列同源性進(jìn)行比較分析,采用生物學(xué)軟件MEGA4繪制構(gòu)建相關(guān)菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.2.4 用于有機(jī)酸及揮發(fā)性成分分析的菌液制備 醋酸菌、乳酸菌、芽孢桿菌分別接種于特定培養(yǎng)基后培養(yǎng)144 h,其中醋酸菌、芽孢桿菌于32 ℃、120 r/min搖床振蕩培養(yǎng),乳酸菌置于37 ℃培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng)。發(fā)酵結(jié)束后,將發(fā)酵液置于4 ℃以備進(jìn)一步的分析。
1.2.5 產(chǎn)酸菌發(fā)酵液有機(jī)酸分析 參照文獻(xiàn)[15-16],色譜條件:液相系統(tǒng)為Agillent 1100;色譜柱為Waters Atantis C18色譜柱(4.6×150 mm,5 μm);流動(dòng)相為20 mmol/L NaH2PO4,pH=2.7;進(jìn)樣體積是10 μL;流動(dòng)速度1.0 mL/min;柱溫30 ℃;檢測器為UV 210 nm。
以乙酸(41.82 g/L)、丙酮酸(8.9 g/L)、乳酸(20 g/L)、α-酮戊二酸(0.5 g/L)、草酸(0.55 g/L)、琥珀酸(48 g/L)、酒石酸(12 g/L)、富馬酸(1 g/L)八種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為對照,以保留時(shí)間和樣品加標(biāo)定性,將各種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液在同樣的色譜條件下進(jìn)樣,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,采用峰面積外標(biāo)法定量。
有機(jī)酸含量的計(jì)算:將所得的發(fā)酵上清液用0.22 μm濾膜過濾除雜質(zhì),通過HPLC分析發(fā)酵液的有機(jī)酸組成分析。
計(jì)算公式:C=C標(biāo)×A樣×N×10-3/A標(biāo)×V
式中:C-發(fā)酵液中有機(jī)酸濃度(mg/100 mL);C標(biāo)-標(biāo)樣濃度(mg/L);A樣-樣品峰面積;A標(biāo)-標(biāo)樣峰面積;N-樣品稀釋倍數(shù);V-發(fā)酵液體積(mL)。
1.2.6 產(chǎn)酸菌發(fā)酵液的揮發(fā)性成分分析 樣品預(yù)處理:取發(fā)酵液5 mL,離心10000 r/min,10 min,取上清與15 mL氣質(zhì)小瓶中,加入2.0 g NaCl,并加入5 μL(0.21 mol/L)2-辛醇作為內(nèi)標(biāo),用于氣質(zhì)分析。
色譜條件:DB-wax毛細(xì)管色譜柱,柱長30 m,內(nèi)徑0.25 nm;液膜厚度0.25 μm,載氣He,流量1 mL/min,不分流;進(jìn)樣口溫度250 ℃;柱溫:起始溫度30 ℃,以5 ℃/min升溫至180 ℃,再以12 ℃/min升溫至240 ℃,保持5 min。
質(zhì)譜條件:接口溫度250 ℃,離子源溫度200 ℃,電離方式EI+,電子能量70 eV,掃描質(zhì)量范圍33~450 amu。
每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三個(gè)平行,樣品中揮發(fā)性成分的定性通過與Nist數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析比較,檢測出揮發(fā)性成分匹配度大于800的化合物,采用內(nèi)標(biāo)法定量方式求得各組分含量;利用Excel 2007軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2.1.1 形態(tài)學(xué)鑒定 在GYC平板上分離的典型產(chǎn)酸菌菌落如圖1所示,按照產(chǎn)透明圈的大小不同以及菌落形態(tài)差異,共挑取3株菌保藏,菌落形態(tài)和細(xì)胞形態(tài)觀察結(jié)果如表1所示。鑒定結(jié)果表明:BCP0454為短桿狀的革蘭氏陰性菌,BCP0738為長桿狀的革蘭氏陽性菌,BCP0449為長桿狀的革蘭氏陽性菌。
圖1 GYC平板上產(chǎn)透明圈的產(chǎn)酸菌Fig.1 The colony of acid-producing bacteriaon the solid flat of GYC
2.1.2 分子生物學(xué)鑒定 對3株產(chǎn)酸菌進(jìn)行全基因組DNA提取,以全基因組DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增得到16S rDNA核酸片段并測序,并將測序結(jié)果提交于NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLAST在線同源性對比分析,通過構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,初步證明為菌株BCP0454屬于巴氏醋桿菌(Acetobactorpasteurianus);BCP0738屬于短乳桿菌(Lactobacillusbrevis);BCP0449屬于枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。
表2 產(chǎn)酸菌發(fā)酵液中有機(jī)酸的分析結(jié)果(mg/100 mL)Table 2 Organic acids analysis results of acid-producing bacteria broth(mg/100 mL)
注:ND為未檢出。按照1.2.4中所述的發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵結(jié)束后,將發(fā)酵液于10000 r/min離心10 min。上清液用0.22 μm濾膜過濾除雜質(zhì),利用HPLC測定其中的各種有機(jī)酸含量。首先對草酸、酒石酸、丙酮酸、α-酮戊二酸、乳酸、乙酸、富馬酸、琥珀酸等8中有機(jī)酸進(jìn)行HPLC檢測,然后通過產(chǎn)酸菌發(fā)酵液與標(biāo)準(zhǔn)品保留時(shí)間的比對,通過外標(biāo)法對其進(jìn)行定量。
圖3 有機(jī)酸混標(biāo)的 HPLC 檢測圖譜Fig.3 The HPLC chromatogram of mix-standardfor organic acid analysis 注:草酸2.336 min,酒石酸2.631 min,丙酮酸3.011 min,α-酮戊二酸3.761 min,乳酸4.210 min,乙酸4.604 min,富馬酸5.863 min,琥珀酸7.774 min。
3株產(chǎn)酸菌發(fā)酵液經(jīng)HPLC檢測,并對圖3進(jìn)行積分計(jì)算,有機(jī)酸的種類及含量如表2所示。在發(fā)酵液中共有7種有機(jī)酸被檢出,分別為草酸、酒石酸、丙酮酸、乳酸、乙酸、富馬酸、琥珀酸,它們的含量在NO~4885.25 mg/100 mL之間;每種菌株均能產(chǎn)生兩種或兩種以上的有機(jī)酸。
巴氏醋桿菌BCP0454能夠產(chǎn)生5種有機(jī)酸,種類較其他菌株豐富,并且產(chǎn)乙酸的含量達(dá)到4885.25 mg/100 mL,與杜宏福等[8]在研究山西老陳醋整個(gè)發(fā)酵過程細(xì)菌群落組成和有機(jī)酸變化規(guī)律中,在醋酸發(fā)酵階段產(chǎn)生的3916.3 mg/100 g醋醅相比,具有較高產(chǎn)乙酸水平。短乳桿菌BCP0738能夠同時(shí)產(chǎn)乙酸和乳酸,其含量分別為648.58和395.07 mg/100 mL。趙國忠等[17]在老陳醋釀造過程酒精發(fā)酵階段添加一株優(yōu)良乳酸菌,發(fā)酵終期檢測到乳酸的含量為62 mg/100 mL。劉陽等[18]從保寧醋醋曲中分離得到1株發(fā)酵乳酸桿菌(Lactobacillusfemertum),檢測到乳酸、乙酸,含量分別為66.56和104.08 mg/100 mL。芽孢桿菌BCP0449能夠產(chǎn)生兩種有機(jī)酸,分別為乙酸和琥珀酸,總量為2108.24 mg/100 mL,兩種有機(jī)酸產(chǎn)量高于于華等[19]從四川麩醋醋醅中篩選出的產(chǎn)酸芽孢桿菌,其產(chǎn)乙酸和琥珀酸的總量為9.85 mg/100 mL。
將發(fā)酵液的揮發(fā)性成分分成五大類,分別為酯類、羧酸類、醇類、羰基類及酚類物質(zhì)。按照1.2.4中所述的發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵,取發(fā)酵液對3株產(chǎn)酸菌株中揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測,與數(shù)據(jù)庫比對,整理結(jié)果如表3。
圖2 BCP0454、BCP0449、BCP0738基于16S rDNA序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of BCP0454,BCP0449,BCP0738 based on the 16S rDNA sequence
表3 巴氏醋桿菌BCP0454發(fā)酵液中揮發(fā)性成分分析結(jié)果
Table 3 Volatile components analysis resultsin the fermentation broth of BCP0454
種類名稱含量(μg/100 mL)總量(μg/100 mL)酯類乙酸乙酯10.17苯乙酸乙酯2.77乙酸苯乙酯3.83棕櫚酸乙酯5.5322.30羧酸類辛酸8.38壬酸3.34癸酸21.16棕櫚酸6.3539.23醇類S-(-)-2-甲基-1-丁醇2.77芳樟醇7.90苯乙醇4.1514.82醛類壬醛8.87癸醛1.55苯甲醛9.932,4-二甲基苯甲醛14.5734.92芳香族化合物1-甲基萘1.55苯并噻唑8.8010.35
從表3的結(jié)果來看,巴氏醋桿菌BCP0454的發(fā)酵液中共檢測出17種揮發(fā)性物質(zhì)。其中包括4種酯類、4種羧酸類、3種醇類、4種醛類和2種芳香族化合物,其相對含量分別為18.34%、32.26%、12.19%、28.71%、和8.51%。在所檢測的5類化合物中,芳香族化合物的含量相對較低,羧酸類物質(zhì)的含量最高。
從表4的結(jié)果來看,短乳桿菌BCP0738的發(fā)酵液中共檢測到23種揮發(fā)性物質(zhì)。其中包括6種酯類、3種羧酸類、7種醇類、5種醛類、1種芳香族化合物和1種吡嗪類;其中酯類物質(zhì)種類豐富且含量最高,占所有揮發(fā)性物質(zhì)總量的51.70%。
表4 短乳桿菌BCP0738發(fā)酵液中揮發(fā)性成分分析結(jié)果Table 4 Volatile components analysis resultsin the fermentation broth of BCP0738
從表5的結(jié)果來看,芽孢桿菌BCP0449的發(fā)酵液中共檢測到26種揮發(fā)性物質(zhì)。其中包括6種酯類、3種羧酸類、5種醇類、5種醛類、4種芳香族化合物和3種吡嗪類;其中酯類和醛類含量相對于其他幾種成分較高,分別占總量的14.5%和57.97%;能夠產(chǎn)生3種吡嗪類,與此同時(shí),吡嗪類的重要前提物質(zhì)乙偶姻的產(chǎn)量達(dá)到25.28 μg/100 mL。
表5 枯草芽孢桿菌BCP0449發(fā)酵液中揮發(fā)性成分分析結(jié)果Table 5 Volatile components analysis resultsin the fermentation broth of BCP0449
綜上所述,通過對產(chǎn)酸菌株發(fā)酵液中揮發(fā)性成分進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)這三株微生物均能夠產(chǎn)生5~6類揮發(fā)性物質(zhì),分別為酯類、羧酸類、醇類、醛類、芳香族化合物、吡嗪類物質(zhì),并且所檢測到的風(fēng)味物質(zhì)是屬于已報(bào)道食醋中風(fēng)味物質(zhì)的關(guān)鍵成分。對于不同種屬的微生物,其分泌的主要揮發(fā)性物質(zhì)的比例也有較大差別[20],巴氏醋桿菌BCP0454發(fā)酵液中羧酸類的含量最高,達(dá)到了32.26%,短乳桿菌BCP0738的發(fā)酵液中酯類種類豐富且含量最高,占所有揮發(fā)性物質(zhì)總量的51.70%,芽孢桿菌BCP0449所產(chǎn)醛類含量相對于其他幾種成分較高,占總量的57.97%。不同種類的物質(zhì)對于食醋釀造過程中風(fēng)味及品質(zhì)的影響不盡相同,羧酸類對食醋的呈酸性有影響,具有果香、脂肪香的酯類對山西老陳醋的香氣形成有重要作用,醛類的焦糖香、奶香和烤香對山西老陳醋色、香貢獻(xiàn)較大[21]。
本研究從山西老陳醋醋醅中篩選得到了3株不同產(chǎn)酸菌,分別為巴氏醋桿菌(Acetobactorpasteurianus)BCP0454、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)BCP0738和枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)BCP0449,其發(fā)酵產(chǎn)物中含有影響山西老陳醋風(fēng)味及品質(zhì)的功能成分。通過所產(chǎn)有機(jī)酸和風(fēng)味物質(zhì)兩方面對單菌功能特性進(jìn)行探究,分別得BCP0454具有較好產(chǎn)有機(jī)酸的能力,并且所產(chǎn)乙酸含量(4885.25 mg/100 mL)相對較高,在所產(chǎn)17種風(fēng)味物質(zhì)中羧酸類和醛類物質(zhì)含量最高;BCP0738能同時(shí)產(chǎn)生乳酸和乙酸(1225.79 mg/100 mL),產(chǎn)生的23種風(fēng)味物質(zhì)中酯類物質(zhì)含量最高達(dá)到51.70%;BCP0449能夠產(chǎn)2種有機(jī)酸,總量達(dá)到2108.24 mg/100 mL,同時(shí)能夠產(chǎn)生食醋中的重要功能成分乙偶姻及3種吡嗪類物質(zhì)。由于單菌發(fā)酵優(yōu)化及混菌發(fā)酵實(shí)驗(yàn)工作量大,在基于本研究的基礎(chǔ)上,課題組會(huì)采用正交、響應(yīng)面等方法繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)探究以及后續(xù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。有機(jī)酸和風(fēng)味物質(zhì)的形成是食醋釀造的關(guān)鍵工藝,而本研究通過探究微生物相應(yīng)的功能特性,豐富了山西老陳醋的菌種資源,也為生物強(qiáng)化在食醋釀造中的應(yīng)用提供微生物資源。