牟娟,劉芳,王興潔,劉愛平,敖曉琳,2,李建龍,劉書亮,2*
1(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,四川 雅安, 625014)2(四川農(nóng)業(yè)大學(xué),食品加工與安全研究所,四川 雅安, 625014)
食醋作為一種酸性調(diào)味品和防腐劑在世界范圍內(nèi)被普遍使用。中國(guó)傳統(tǒng)釀造食醋多以固態(tài)發(fā)酵為主,其工藝復(fù)雜且發(fā)酵處于開放環(huán)境,由復(fù)雜微生物菌群共同作用代謝產(chǎn)生眾多風(fēng)味物質(zhì),使食醋具有一定的營(yíng)養(yǎng)和獨(dú)特的風(fēng)味。由于傳統(tǒng)食醋釀造的開放式環(huán)境,食醋發(fā)酵、轉(zhuǎn)運(yùn)、暫存、陳釀及包裝過(guò)程管理不善,易導(dǎo)致食醋成品發(fā)生微生物污染[1]。污染的部分微生物能在食醋中生長(zhǎng)代謝引起食醋變質(zhì),主要表現(xiàn)為脹氣、產(chǎn)膜、發(fā)黏、返渾及沉淀增多等現(xiàn)象[2],其中脹氣主要表現(xiàn)為塑料袋(瓶)醋出現(xiàn)鼓包(瓶)現(xiàn)象,玻瓶醋開瓶時(shí)發(fā)生較大的爆破音甚至出現(xiàn)瓶炸裂現(xiàn)象,夏季尤為嚴(yán)重。這些變質(zhì)現(xiàn)象不僅影響食醋的感官、口感、體態(tài)及品質(zhì),也極大降低了食醋的營(yíng)養(yǎng)及應(yīng)用價(jià)值,給食醋產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了較大的困擾。目前引起食醋脹氣的微生物分為可培養(yǎng)和不可培養(yǎng)微生物[3-4],這類污染微生物及其對(duì)食醋的影響尚未明晰。采用高通量測(cè)序技術(shù)(highthroughput sequencing technology)對(duì)脹氣變質(zhì)食醋的微生物基因序列進(jìn)行分析,能夠快速鑒定脹氣變質(zhì)食醋中微生物的種屬和豐度[5]。本文主要對(duì)脹氣變質(zhì)食醋和正常食醋的理化指標(biāo)和感官指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,再結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù),了解引起食醋脹氣的細(xì)菌多樣性,從而為食醋產(chǎn)業(yè)中脹氣問題的解決提供理論基礎(chǔ)。
1.1.1 樣品
不同批次脹氣變質(zhì)食醋成品樣品(B1~B8)、生醋(C1~C4)、發(fā)酵醋醅(P1~P6)、正常食醋成品樣品(Z1~Z6)均采集于四川某麩醋廠。脹氣食醋高倍稀釋液樣品:采用脹氣變質(zhì)醋液進(jìn)行10倍遞增稀釋,取稀釋液接種于4°~5°無(wú)菌醋液培養(yǎng)至醋液產(chǎn)氣,選取最高稀釋液接種能引起脹氣的培養(yǎng)醋液,編號(hào)B9~B14。
1.1.2 主要試劑
NaOH、HCl、CuSO4、ZnSO4、鄰苯二甲酸氫鉀、亞甲基藍(lán)指示劑、酒石酸鉀鈉、冰乙酸、亞鐵氰化鉀[K4Fe(CN)6]、葡萄糖、甲醛溶液(均為AR級(jí)),均購(gòu)于成都市科隆化學(xué)品有限公司。
乙腈、甲醇(HPLC級(jí)),瑞典Oceanpak公司;乳酸、乙酸標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99.5%),天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;丙酮酸(純度≥99.5%),北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
PCA培養(yǎng)基:胰蛋白胨5.0 g,酵母浸粉2.5 g,葡萄糖1.0 g,瓊脂15.0 g,蒸餾水1 000 mL,pH(7.0±0.2),121 ℃滅菌15 min。用于菌落總數(shù)計(jì)數(shù)。
虎紅培養(yǎng)基:蛋白胨5.0 g,葡萄糖10.0 g,KH2PO41.0 g,MgSO40.5 g,瓊脂20.0 g,1/3 000孟加拉紅溶液100 mL,蒸餾水900 mL,氯霉素0.1 g,121 ℃滅菌15 min。用于霉菌酵母菌計(jì)數(shù)。
醋酸菌培養(yǎng)基:酵母粉10.0 g,葡萄糖10.0 g,蒸餾水1 000 mL,瓊脂20.0 g,121 ℃滅菌20 min,使用前添加30 mL無(wú)水乙醇。用于醋酸菌計(jì)數(shù)。
MRS培養(yǎng)基:蛋白胨10.0 g,牛肉膏10.0 g,酵母粉5.0 g,K2HPO42.0 g,檸檬酸二銨2.0 g,CH3COONa 5.0 g,葡萄糖20.0 g,吐溫-80 1 mL,MgSO40.58 g,MnSO40.25 g,瓊脂20.0 g,蒸餾水1 000 mL,pH 6.2~6.4,121 ℃滅菌15 min。用于乳酸菌計(jì)數(shù)。
1.1.4 儀器與設(shè)備
顯微鏡,日本OLYMPUS公司;LC-10A2010C HT液相色譜儀,日本Shimazu公司;Agilent 7890A-5979C氣相色譜質(zhì)譜儀,美國(guó)Agilent有限公司;My CyclerTM Thermal Cycler PCR儀,美國(guó)Bio-Rad公司;MINI-SUB CELL.GT電泳儀,美國(guó)伯樂公司。
1.2.1 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋的感官指標(biāo)對(duì)比評(píng)價(jià)
分別取相同酸度的脹氣變質(zhì)食醋和正常食醋樣品,對(duì)體態(tài)、色澤、黏度、渾濁度、沉淀量以及氣味進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。
1.2.2 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋理化指標(biāo)的對(duì)比分析
4°~5° 無(wú)菌醋液:將6°左右原醋液與蒸餾水按體積比2∶1混合后,115 ℃滅菌20 min。
樣品處理:取40 mL脹氣變質(zhì)醋樣離心得菌體沉淀,用4 mL無(wú)菌的4°~5° 醋液重懸沉淀,按接種量2%接入490 mL無(wú)菌4°~5° 醋液中混勻。將接種的混合醋液分裝于2個(gè)塑料軟瓶中,1瓶置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至脹氣(為脹氣變質(zhì)后食醋),另1瓶置于4 ℃冰箱中冷藏(為脹氣變質(zhì)前食醋或正常食醋),實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)[7]。
pH測(cè)定:采用pH計(jì)測(cè)定。
總酸含量測(cè)定:參考GB/T 5009.41—2003[8]。
氨基酸態(tài)氮含量測(cè)定:參考GB 5009.235—2016[9]。
還原糖含量測(cè)定:參考GB 5009.7—2016[10]。
總糖含量測(cè)定:亞鐵氰化鉀滴定法[11]。
1.2.3 脹氣變質(zhì)食醋和正常食醋的有機(jī)酸含量測(cè)定
樣品前處理:取10 mL醋樣分別加入K4Fe(CN)6(質(zhì)量濃度為106 g/L)溶液和ZnSO4(質(zhì)量濃度為300 g/L)溶液各2 mL,用水定容至100 mL,靜置30 min,用0.22 μm水相微孔濾膜過(guò)濾,再經(jīng)C18固相萃取小柱過(guò)濾,收集5 mL濾液供HPLC檢測(cè),每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。配制有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)混合液,根據(jù)峰面積繪制標(biāo)曲,HPLC條件參考文獻(xiàn)[12]。
1.2.4 脹氣變質(zhì)食醋和正常食醋的揮發(fā)性物質(zhì)含量測(cè)定
樣品處理及GC-MS條件參考文獻(xiàn)[13]。
數(shù)據(jù)處理:由NIST檢索譜庫(kù),選擇揮發(fā)性成分匹配度>80%的化合物,再根據(jù)峰面積歸一化來(lái)計(jì)算各化合物的相對(duì)含量(%)。
1.2.5 脹氣變質(zhì)食醋沉淀物鏡檢及脹氣變質(zhì)食醋微生物計(jì)數(shù)
取1 mL脹氣醋樣10 000 r/min離心1 min后得菌體,用200 μL無(wú)菌生理鹽水重懸菌體,然后革蘭氏染色鏡檢觀察菌體形態(tài)并照相[7]。
選擇不同批次脹氣變質(zhì)食醋樣品,用無(wú)菌生理鹽水進(jìn)行梯度稀釋,取100、10-1的樣品稀釋液1 mL于培養(yǎng)皿,傾注PCA培養(yǎng)基、虎紅培養(yǎng)基、醋酸菌培養(yǎng)基及MRS培養(yǎng)基,置于適宜條件下培養(yǎng)一定時(shí)間進(jìn)行平板計(jì)數(shù),每個(gè)稀釋度做2個(gè)平行。其中PCA平板于(30±1) ℃培養(yǎng)(48±2) h;虎紅平板于(28±1) ℃培養(yǎng)5 d;醋酸菌平板于(30±1) ℃培養(yǎng)(48±2) h;MRS平板于(36±1) ℃厭氧培養(yǎng)(72±2) h。
1.2.6 脹氣變質(zhì)食醋細(xì)菌多樣性分析
對(duì)測(cè)試樣品提取細(xì)菌總DNA,采用引物515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對(duì)細(xì)菌基因組16S rDNA的V4區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。使用Illumina公司建庫(kù)試劑盒構(gòu)建文庫(kù),對(duì)獲得的高通量測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和拼接,之后選取97%以上的序列作OTU聚類分析。最后使用QIME、Mothur和R等軟件對(duì)樣本進(jìn)行細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及物種差異分析。
色澤與風(fēng)味是衡量食醋品質(zhì)的重要指標(biāo)。食醋發(fā)酵過(guò)程由于微生物生長(zhǎng)代謝作用,產(chǎn)生酸類、酯類、醇類、羰基化合物、酚類物質(zhì)以及乙酸、乳酸、檸檬酸、琥珀酸及蘋果酸等非揮發(fā)性酸和揮發(fā)性酸,這些物質(zhì)共同賦予了食醋豐富的滋味[14]。優(yōu)質(zhì)食醋的色澤呈現(xiàn)黑褐色或透亮的紅棕色,其色澤主要是由釀醋過(guò)程中還原糖和氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)形成[14]。對(duì)脹氣食醋與正常食醋的感官指標(biāo)比較分析發(fā)現(xiàn)(表1),正常食醋液體清亮且呈紅棕色,醋香醇厚。而脹氣食醋發(fā)生明顯的產(chǎn)氣現(xiàn)象,顏色變深,搖動(dòng)后出現(xiàn)渾濁,液體流動(dòng)性變差,醋香弱且有淡腐臭味,瓶底明顯可見大量泥狀沉淀。因此,引起食醋產(chǎn)氣(脹氣)的微生物,可能由于其菌體自身繁殖及其代謝產(chǎn)物造成食醋產(chǎn)氣、渾濁及沉淀等現(xiàn)象[15-16]。
表1 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋感官品質(zhì)的差異Table 1 Sensory evaluation of swollen vinegar and normal vinegar
食醋中污染微生物能利用食醋的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝,將還原糖2次發(fā)酵生成乳酸和乙酸,導(dǎo)致食醋糖類物質(zhì)減少、總酸含量升高[17]。由表2可知,根據(jù)6批次脹氣食醋與正常食醋的平均值比較,脹氣食醋pH降低約0.05~0.10,說(shuō)明引起食醋脹氣變質(zhì)的污染微生物能夠適應(yīng)低pH環(huán)境且可以保持生長(zhǎng)繁殖。脹氣食醋總酸含量比正常食醋平均增加約為10%,孫文麗等[18]分析脹氣食醋的總酸含量比正常食醋高0.5倍,說(shuō)明脹氣變質(zhì)食醋的總酸含量增高。而總糖和還原糖分別約降低50%和60%,且由理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析可知(表3),總酸和還原糖之間具有一定相關(guān)性,其總酸-還原糖相關(guān)系數(shù)為0.596,顯著性系數(shù)為0.069。
表2 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋的理化指標(biāo)比較結(jié)果Table 2 Physical-chemical properties of swollen vinegar and normal vinegar
表3 理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of the physical-chemical properties
有機(jī)酸種類與含量對(duì)食醋的酸味品質(zhì)具有較大影響。脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋的有機(jī)酸含量結(jié)果如圖1所示,空白對(duì)照組不接種脹氣變質(zhì)食醋的菌體沉淀,其在37 ℃培養(yǎng)和4 ℃存放的結(jié)果一致,所測(cè)指標(biāo)沒有變化。所測(cè)6個(gè)不同批次的食醋發(fā)生脹氣變質(zhì)后,乳酸和乙酸含量分別平均升高約500、180 mg/100mL。脹氣食醋的乳酸含量達(dá)2 000 mg/100mL,一方面是由于四川麩醋中乳酸含量高于乙酸[19],另一方面是由于食醋中污染微生物通過(guò)多種代謝途徑產(chǎn)生乳酸。而丙酮酸的含量顯著減少,其機(jī)制是由于丙酮酸在生物代謝過(guò)程中作為重要的中間轉(zhuǎn)換物質(zhì),在污染微生物產(chǎn)生的乳酸脫氫酶作用下被轉(zhuǎn)化生成乳酸,在乙酸脫氫酶作用下被轉(zhuǎn)化生成乙酰輔酶A,進(jìn)而生成乙醇和乙酸,表明食醋脹氣污染微生物能夠?qū)⒈岽x生成乳酸和乙酸。
圖1 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋中有機(jī)酸含量變化Fig.1 Variation of organic acid content in swollen vinegar and normal vinegar注:*表示差異顯著(P<0.05)(下同)
對(duì)6組脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋樣本采用固相微萃取結(jié)合GC-MS測(cè)定其揮發(fā)性成分,同時(shí)使用SIMCA 14軟件分析風(fēng)味主成分。由圖2-A可知,脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋有明顯的分布區(qū)間距離,說(shuō)明食醋脹氣變質(zhì)前后的揮發(fā)性成分組成有較大的差別。由圖2-B可知,脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋的差異揮發(fā)性成分主要為乙酸、糠醛和糠醇。由圖3可知,脹氣變質(zhì)食醋中乙酸含量比正常食醋中增加約10%,糠醇含量明顯增加,增量約為5%(是正常食醋的2倍),而糠醛顯著性降低,減少量約為35%。當(dāng)食醋中糠醇含量為8 mg/L以上時(shí),則產(chǎn)生令人不悅的異味,導(dǎo)致食醋風(fēng)味變差,這與感官評(píng)價(jià)結(jié)果一致[20]。KOOPMAN等[21]以CupriavidusbasilensisHMF14為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)在醛還原酶和醇脫氫酶的作用下,糠醛能與糠醇互相轉(zhuǎn)化,與此同時(shí)糠醛在醛氧化酶的作用下可以轉(zhuǎn)化為糠酸,而該代謝途徑存在于不同微生物中,例如乳酸菌[22]。由此推測(cè)脹氣食醋中污染微生物也能通過(guò)醛還原酶將糠醛轉(zhuǎn)化生成糠醇。此外,脹氣食醋中苯甲醛含量稍有減少,苯甲醛具有杏仁味和焦糖味,是麩醋中含量最豐富的醛類物質(zhì)[23]。這些主要揮發(fā)性物質(zhì)的變化共同影響著食醋的風(fēng)味。
A-主成分分析圖;B-主成分圖圖2 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋主成分分析圖和主成分圖Fig.2 Principal component analysis diagram and principal component diagram of swollen vinegar and normal vinegar
圖3 脹氣變質(zhì)食醋與正常食醋中部分揮發(fā)性成分含量變化Fig.3 Variation of volatile components in swollen vinegar and normal vinegar
圖4為隨機(jī)抽取3批次脹氣食醋的沉淀鏡檢結(jié)果,均為細(xì)菌形態(tài),革蘭氏染色陽(yáng)性(G+),桿狀、單個(gè)排列,可初步判定食醋脹氣污染微生物為G+桿狀細(xì)菌。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)6批次脹氣食醋中菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌數(shù)、乳酸菌數(shù)及醋酸菌數(shù)進(jìn)行檢測(cè),所測(cè)脹氣食醋樣品均未檢出相關(guān)菌落,這與馬凈麗等[24]研究結(jié)果一致。因此推斷引起食醋脹氣的這類微生物不能被國(guó)標(biāo)規(guī)定方法檢出。也正是由于該類污染微生物在食醋生產(chǎn)中不能被檢出,在運(yùn)輸和售賣過(guò)程中由于受到搖晃、光照及溫度的影響,使污染微生物在醋液中大量滋生,致使食醋出現(xiàn)脹袋(瓶)、泡沫及沉淀增多等現(xiàn)象。
圖4 脹氣食醋鏡檢結(jié)果(10×100)Fig.4 The microscopic examination from swollen vinegar(10×100)
運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)脹氣食醋污染細(xì)菌菌群、醋醅與生醋細(xì)菌菌群進(jìn)行解析,科水平細(xì)菌群落結(jié)果如圖5所示,所有樣本中科水平上共計(jì)15種類群,其中乳桿菌科(Lactobacillaceae)在所有樣本中相對(duì)豐度最高且占比為85%。其次是醋酸桿菌科(Acetobacteraceae),主要集中在樣本P1、P4和C1,所占比例分別為2.28%、13.42%和3.33%,與醋醅及生醋中存在大量醋酸菌的結(jié)論一致。而其他科水平的細(xì)菌占比均較少,推測(cè)引起食醋變質(zhì)脹氣的細(xì)菌多為乳桿菌科。
采用聚類分析來(lái)探索所有樣本中的不同細(xì)菌,圖6為占屬水平最高的前10個(gè)屬的豐度熱圖。所測(cè)樣本的乳桿菌屬(Lactobacillus)豐度最高,在樣本B7、B12、B13中含量均高于97%。其次是未分類的乳桿菌屬(unclassifiedLactobacillus),在B3和B11樣本中豐度約為50%,占比相對(duì)較高。此外,醋酸桿菌屬(Acetobacter)豐度主要集中在醋醅P4中,為12%,其他醋醅及生醋樣品中豐度略低,而其在部分產(chǎn)氣醋樣B1、B3和B8中的豐度較低,可能與食醋帶有一些醋酸桿菌屬死菌體有關(guān)。綜上可知,在測(cè)試樣本中屬水平豐度最高的是Lactobacillus和unclassifiedLactobacillus兩個(gè)屬,表明引起食醋脹氣變質(zhì)的細(xì)菌主要為乳桿菌屬細(xì)菌,且存在于發(fā)酵醋醅及生醋中,在食醋生產(chǎn)后工序過(guò)程中可能發(fā)生2次污染導(dǎo)致該類細(xì)菌進(jìn)入包裝醋產(chǎn)品中,進(jìn)而在適宜溫度條件下生長(zhǎng)導(dǎo)致食醋脹氣變質(zhì)。這與ENTANI等[25]及翟磊等[26]于脹氣變質(zhì)食醋源分離獲得耐酸乳桿菌屬于乳桿菌屬的結(jié)果一致。在已有報(bào)道中,通常采用平板法和高通量測(cè)序?qū)γ洑馐炒字械奈⑸镞M(jìn)行鑒定,研究表明引起食醋脹氣的微生物主要有Lactobacillus、芽孢桿菌屬(Bacillus)、甲烷球菌屬(Methanococcus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)及鐵丸球菌(Ferroglobus)[18,27-28],其中普遍存在的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌有Lactobacillus和Bacillus細(xì)菌,其在脹氣變質(zhì)食醋中數(shù)量分別增長(zhǎng)了35倍和100倍[28]。這些細(xì)菌對(duì)酸或熱有抗性,加之目前食醋后處理工藝設(shè)施設(shè)備相對(duì)較差,因此在食醋釀造及后處理中較難防控2次污染或殺滅脹氣菌[29]。由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的脹氣變質(zhì)食醋中細(xì)菌并不能通過(guò)常規(guī)微生物培養(yǎng)方法檢出,包括采用MRS平板無(wú)乳酸菌菌落檢出,結(jié)合高通量測(cè)序結(jié)果推測(cè)這類乳桿菌屬細(xì)菌為不可培養(yǎng)或難培養(yǎng)微生物,與現(xiàn)有報(bào)道存在較大差異,今后有必要進(jìn)行深入研究。
圖5 科水平柱狀圖Fig.5 Mcrobial community bartplot on family level
圖6 10個(gè)最高豐度細(xì)菌屬水平熱圖Fig.6 The heatmap of the 10 highest abundance bacteria genera
通過(guò)比較脹氣食醋與正常食醋理化性質(zhì),發(fā)現(xiàn)脹氣食醋的pH降低、總酸含量增加、總糖和還原糖含量降低;乳酸和乙酸含量升高,而丙酮酸含量明顯降低。分析食醋揮發(fā)性成分發(fā)現(xiàn),脹氣變質(zhì)食醋中的乙酸和糠醇含量升高,而糠醛苯甲醛含量降低。微生物指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果為脹氣食醋中存在大量G+桿菌,而這些細(xì)菌不能通過(guò)常規(guī)培養(yǎng)方法檢出,說(shuō)明引起食醋脹氣的微生物可能為不可培養(yǎng)或難培養(yǎng)微生物。此外,基于Illumina MiSeq對(duì)脹氣變質(zhì)食醋、高倍稀釋液樣品、醋醅及生醋中細(xì)菌16S rDNA的高通量測(cè)序分析,表明所有測(cè)試樣品豐度最高的細(xì)菌為L(zhǎng)actobacillus和unclassifiedLactobacillus,推斷引起食醋產(chǎn)氣變質(zhì)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為乳桿菌屬,其可能為不可培養(yǎng)或難培養(yǎng)微生物,并存在于醋醅及生醋中,食醋產(chǎn)品受到其2次污染導(dǎo)致脹氣變質(zhì)。本研究揭示了脹氣變質(zhì)食醋的理化性質(zhì)及污染微生物種類,為食醋產(chǎn)業(yè)脹氣變質(zhì)菌的防控提供了理論依據(jù)。