張 登,楊春雪,馬 慧,廖祥儒,管政兵*
1.上海煙草集團(tuán)太倉海煙煙草薄片有限公司,江蘇省太倉市東方東路19號 215433 2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇省無錫市蠡湖大道1800號 214122
目前生產(chǎn)再造煙葉的工藝主要包括造紙法、輥壓法和稠漿法,其中造紙法產(chǎn)品不僅可改善煙葉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和燃燒性能,降低卷煙煙氣煙堿和焦油量,同時還能降低煙葉單耗從而節(jié)約生產(chǎn)成本,因此應(yīng)用最為廣泛[1-2]。造紙法制再造煙葉首先要對煙梗、片煙末進(jìn)行萃取,使可溶性物質(zhì)和纖維物質(zhì)分離,再將萃取后的煙梗、片煙末打漿處理,抄造成型,然后將可溶性物質(zhì)濃縮加料后噴灑于基片上,最后烘干、分切涂布后的基片制成再造煙葉[3]。研究表明,造紙法再造煙葉生產(chǎn)線上微生物種類繁多,其中一些功能性微生物在再造煙葉生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生酯類、醇類、萜類、酸類、酚類等香味物質(zhì)[4-5],且部分微生物還能降低有害物前體物質(zhì)的含量[6],另一些微生物的異常增殖會造成造紙法再造煙葉生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)腐敗、霉變等現(xiàn)象[7]。
高通量測序技術(shù),也稱第二代測序技術(shù),雖已較廣泛應(yīng)用于煙草微生物多樣性的分析,但應(yīng)用該技術(shù)分析再造煙葉生產(chǎn)過程中微生物多樣性的研究還較少。目前已報道的研究包括舒明等[8]對再造煙葉生產(chǎn)過程中的萃取液、濃縮液、醇化液進(jìn)行細(xì)菌群落多樣性高通量測序分析,顯示占主導(dǎo)地位的細(xì)菌種群是厚壁菌門,而厚壁菌門中的優(yōu)勢菌屬是乳桿菌屬(Lactobacillus)和賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus);王充等[9]采用高通量測序技術(shù)對再造煙葉濃縮液進(jìn)行了真菌和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析,顯示真菌種群中優(yōu)勢菌屬為釀酒酵母屬(Kazachstania)、假絲酵母屬(Candida)和Ogataea,細(xì)菌種群優(yōu)勢菌屬為乳桿菌屬(Lactobacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)和Aeribacillus。為進(jìn)一步了解再造煙葉生產(chǎn)過程微生物的多樣性及其分布與變化情況,通過高通量測序法對造紙法再造煙葉不同生產(chǎn)階段物料的細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行組成和豐度分析,探討細(xì)菌和真菌在生產(chǎn)過程物料中的分布及變化情況,旨在為再造煙葉生產(chǎn)中有益微生物資源的挖掘和有害微生物的管控提供理論依據(jù)。
再造煙葉生產(chǎn)線各物料樣品取自上海煙草集團(tuán)太倉海煙煙草薄片有限公司,樣品編號和名稱如圖1所示,分別為:BP_1片煙末,BP_2煙梗,BP_3預(yù)萃后煙梗,BP_4萃取后擠干物料,BP_5一級擠干后萃取液,BP_6離心后萃取液,BP_7濃縮液,BP_8新鮮涂布液,BP_9抄前漿料,BP_10凈化后白水,BP_11白水,BP_12一級漿料(擠干后煙梗和片煙末一級破碎),BP_13二級漿料(擠干后煙梗和片煙末二級破碎),BP_14損紙漿,BP_15沖漿白水(用于稀釋抄前漿的濃白水),BP_16基片,BP_17涂布液(放置2 h的涂布液),BP_18烘箱后再造煙葉,BP_19分切后再造煙葉,BP_20打包再造煙葉,BP_21木漿,BP_22木漿板(用于破碎成木漿),BP_23上毛毯積漿,BP_24再造煙葉成品(2016年),BP_25再造煙葉成品(2015年)。重復(fù)3次取樣,樣品采集后用無菌塑封袋或塑料瓶密封,液體樣品進(jìn)行離心后收集菌體沉淀,冰袋冷藏送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測序分析。
圖1 樣品來源分布流程圖Fig.1 Flow chart of sample sources and their distributions
采用基因組DNA提取試劑盒TruSeqTMDNA Sample Prep Kit(美國Illumina公司)制備樣品微生物基因組總DNA,提取結(jié)束后用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的DNA質(zhì)量,DNA樣品置于-20℃冰箱保存。
擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的引物為515F與907R,用于擴(kuò)增基因的V3-V4區(qū);擴(kuò)增真菌rRNA基因間隔區(qū)序列(ITS序列)的引物為ITS1F和ITS2R,用于擴(kuò)增ITS1區(qū)。PCR擴(kuò)增使用TransStart?Fastpfu DNA Polymerase試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司),所有樣品的PCR擴(kuò)增重復(fù)3次,將同一樣品的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測,使用AxyPrep DNA凝膠回收試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司)切膠回收PCR產(chǎn)物。參照電泳初步定量結(jié)果,將PCR產(chǎn)物用QuantiFluoTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)[普洛麥格(北京)生物技術(shù)有限公司]進(jìn)行檢測定量,之后按照每個樣品的測序量要求,進(jìn)行相應(yīng)比例混合,最后在Illumina MiSeq測序平臺(美國Illumina公司)對PCR產(chǎn)物序列進(jìn)行雙端測序。基因組DNA提取、文庫構(gòu)建與測序均在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。
原始的測序序列由Flash(version 1.2.11)軟件進(jìn)行雙端序列拼接,處理后的序列用QIIME(version 1.9.1)軟件在97%的相似水平下對優(yōu)化序列進(jìn)行OTU劃分。對OTU序列進(jìn)行物種注釋,進(jìn)而生成各分類學(xué)水平微生物豐度表。通過Mothur(version 1.30.2)α多樣性分析單個樣品的微生物物種多樣性,通過β多樣性比較不同樣品間細(xì)菌和真菌的群落組成和結(jié)構(gòu)差異,并分別利用香農(nóng)(Shannon)指數(shù)、Chao指數(shù)、物種豐富度指數(shù)(ACE)、有效數(shù)據(jù)覆蓋率(Goods coverage)指數(shù)和逆辛普森(Inverse Simpson)指數(shù)公式計算微生物多樣性指數(shù)。
2.1.1 測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計
提取再造煙葉生產(chǎn)過程中25個不同生產(chǎn)階段物料樣品的微生物基因組DNA,對細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4區(qū)PCR擴(kuò)增測序后,經(jīng)過濾和雙端拼接,結(jié)果顯示除樣品BP_22木漿板、BP_24再造煙葉成品(2016年)、BP_25再造煙葉成品(2015年)未獲得測序結(jié)果外,其余22個樣品共獲得了1 083 987條有效序列,平均長度為376 bp,得到644個OTU。使用Greengenes細(xì)菌分類學(xué)數(shù)據(jù)庫對每個OTU代表序列進(jìn)行物種注釋,共注釋得到21個門、43個綱、116個目、209個科、393個屬和543個種水平的細(xì)菌微生物。
2.1.2 α多樣性指數(shù)分析
α多樣性分析結(jié)果如表1所示。在97%相似性水平下,樣品的OTU覆蓋率都大于99.8%,說明測序結(jié)果能夠真實反映再造煙葉生產(chǎn)中物料的細(xì)菌多樣性情況。此外,BP_4萃取后擠干物料的物種豐富度指數(shù)和Chao指數(shù)最高,說明萃取后擠干煙物料的細(xì)菌豐度最高。BP_8新鮮涂布液和BP_23上毛毯積漿的物種豐富度指數(shù)和Chao指數(shù)最低,說明新鮮涂布液和上毛毯積漿的細(xì)菌豐度和均勻性最低。BP_3預(yù)萃后煙梗的香農(nóng)指數(shù)和Inverse Simpson指數(shù)最高,說明預(yù)萃后煙梗的細(xì)菌多樣性程度最高。BP_8新鮮涂布液的香農(nóng)指數(shù)和Inverse Simpson指數(shù)最低,說明新鮮涂布液的細(xì)菌多樣性程度最低。
表1 樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)Tab.1 Bacterial diversity indexes of samples
2.1.3 屬水平的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析
再造煙葉生產(chǎn)線各物料在屬水平上的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析表明,樣品中主要的細(xì)菌屬有乳桿菌屬(Lactobacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和韋榮氏球菌屬(Veillonella)。由圖2可知,根據(jù)物料的走向和分布,優(yōu)勢菌屬相對豐度發(fā)生以下較大變化:最初煙梗的優(yōu)勢菌屬為魏斯氏菌屬(Weissella),片煙末的優(yōu)勢菌屬為青枯菌屬(Ralstonia),經(jīng)預(yù)萃和萃取后,乳桿菌屬(Lactobacillus)相對豐度明顯升高,其次為芽孢桿菌屬(Bacillus)和韋榮氏球菌屬(Veillonella)。其中,BP_7濃縮液、BP_8新鮮涂布液和BP_17放置2 h的濃縮液樣品中乳桿菌屬(Lactobacillus)相對豐度均在90%以上。BP_9抄前漿料經(jīng)長時間存放變成BP_23上毛毯積漿后,乳桿菌屬(Lactobacillus)相對豐度從75.98%大幅降低至1.78%,且鞘氨醇桿菌屬(Sphingobacterium)成為優(yōu)勢菌屬。而在BP_23上毛毯積漿經(jīng)過擠干壓榨成基片后,BP_16基片的菌群結(jié)構(gòu)又呈現(xiàn)與BP_9抄前漿料的細(xì)菌屬結(jié)構(gòu)相似的特點。
圖2 樣品在屬水平上的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)Fig.2 Bacterial community structure of samples at genus level
2.1.4 基于Bray-Curtis分析的屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)熱圖
圖3為基于Bray-Curtis分析并通過R語言工具繪制的樣品熱圖。由該圖可知乳桿菌屬(Lactobacillus)與諸多樣品關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),其次是芽孢桿菌屬(Bacillus)。BP_7濃縮液、BP_8新鮮涂布液和BP_17涂布液(放置2h的涂布液)樣品間差異最小,表明濃縮液和涂布液細(xì)菌物種及豐度最為相似。BP_9抄前漿料、BP_13二級漿料、BP_15沖漿白水、BP_18烘箱后再造煙葉、BP_19分切后再造煙葉和BP_20打包再造煙葉聚集成同一分支,說明這6種物料中細(xì)菌屬結(jié)構(gòu)差異性較小。BP_1片煙末、BP_2煙梗和BP_23上毛毯積漿距離最遠(yuǎn),表明片煙末、煙梗和上毛毯積漿與其他樣品的細(xì)菌多樣性及豐度差異最大。
圖3 基于Bray-Curtis分析的屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)熱圖Fig.3 Heat map of sample bacterial community structure at genus level based on Bray-Curtis analysis
2.1.5 生產(chǎn)過程各物料細(xì)菌群落主成分分析
物料樣品細(xì)菌群落組間PCA分析結(jié)果如圖4所示。主要成分PC1和PC2分別占64.95%和16.12%,兩種主要成分能夠解釋81.07%的物種差異性,能很好地區(qū)分生產(chǎn)過程中各樣品的細(xì)菌群落。BP_1片煙末、BP_2煙梗和BP_23上毛毯積漿和其他樣品距離最遠(yuǎn),表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異性最大。而BP_6離心后萃取液、BP_7濃縮液、BP_8新鮮涂布液和BP_17涂布液(放置2 h的涂布液)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似。BP_18烘箱后再造煙葉、BP_19分切后再造煙葉和BP_20打包再造煙葉的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似。PCA分析結(jié)果與2.1.4小節(jié)的熱圖結(jié)果基本一致。
圖4 不同樣品細(xì)菌屬水平群落PCA圖Fig.4 Principal component analysis of bacterial communities of different samples at genera level
2.2.1 測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計
對樣品的真菌基因組ITS1區(qū)測序,經(jīng)過濾和雙端拼接后,除樣品BP_22木漿板未得到測序結(jié)果外,24個樣品共獲得了1 690 404條有效序列,平均長度為219 bp,得到665個OTU。使用UNITE真菌分類學(xué)數(shù)據(jù)庫對每個OTU的代表序列進(jìn)行物種注釋,共注釋得到26個門、70個綱、157個目、281個科、165個屬和454個種水平的真菌微生物。
2.2.2 α多樣性指數(shù)分析
在97%相似性水平下,由表2可知樣品的OTU覆蓋率都在99.9%以上,說明測序結(jié)果能夠真實反映再造煙葉生產(chǎn)線的真菌多樣性情況。在各樣品中,BP_5一級擠干后萃取液的物種豐富度指數(shù)和Chao指數(shù)最高,說明一級擠干后萃取液的真菌豐度最高。BP_25再造煙葉成品(2015年)的物種豐富度指數(shù)和Chao指數(shù)最低,說明再造煙葉成品(2015年)的真菌豐度和均勻性最低。由表2可知,BP_13二級漿料和BP_18烘箱后再造煙葉的香農(nóng)指數(shù)和Inverse Simpson指數(shù)最高,說明二級漿料和烘箱后再造煙葉的真菌多樣性程度最高。其中BP_2煙梗的香農(nóng)指數(shù)和Inverse Simpson指數(shù)最低,說明煙梗的真菌多樣性程度最低。
表2 樣品真菌多樣性指數(shù)Tab.2 Fungal diversity indexes of samples
2.2.3 屬水平真菌群落結(jié)構(gòu)分析
由圖5可知,樣品中主要的真菌屬有假絲酵母屬(Candida)、曲霉屬(Aspergillus)、桑帕約氏酵母(Sampaiozyma)和絲孢酵母屬(Trichosporon)。在再造煙葉生產(chǎn)過程中,優(yōu)勢菌屬相對豐度發(fā)生如下變化:煙梗經(jīng)預(yù)萃后假絲酵母屬(Candida)相對豐度從64.88%降低至36.28%,曲霉屬(Aspergillus)成為優(yōu)勢菌屬。白水和各級漿料中的優(yōu)勢菌屬為假絲酵母屬(Candida)。濃縮液調(diào)配成涂布液后,桑帕約氏酵母(Sampaiozyma)取代假絲酵母屬(Candida)成為優(yōu)勢菌屬。經(jīng)過不斷的烘干和水分的降低,再造煙葉在打包后,耐干霉菌屬(Xeromyces)占比從1.89%增加到30.08%,成為打包再造煙葉的優(yōu)勢菌屬。對于成品再造煙葉,隨著存放時間的延長,新鮮再造煙葉、再造煙葉成品(2016年)和再造煙葉成品(2015年)的真菌菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,德巴利酵母屬(Debaryomyces)相對豐度逐漸增加。
圖5 樣品在屬水平上的真菌群落結(jié)構(gòu)Fig.5 Sample fungal community structure at genus level
2.2.4 基于Bray-Curtis分析的屬水平真菌群落結(jié)構(gòu)熱圖
由圖6可知,假絲酵母屬(Candida)與諸多樣品關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),其次是曲霉屬(Aspergillus)。BP_9抄前漿料與BP_13二級漿料樣品間差異性最小,即抄前漿料和二級漿料的真菌物種多樣性最為相似。BP_7濃縮液、BP_8新鮮涂布液、BP_17涂布液(放置2 h的涂布液)和BP_20打包再造煙葉聚集成同一分支,說明該4種物料中真菌物種多樣性差異性較小。由于再造煙葉成品(2016年)存在大量其他真菌屬以及再造煙葉成品(2015年)中德巴利酵母屬(Debaryomyces)有較高豐度,使得兩者與其他樣品的真菌物種多樣性差異最大。
圖6 基于Bray-Curtis的屬水平真菌群落結(jié)構(gòu)熱圖Fig.6 Heat map of sample fungal community structure at genus level based on Bray-Curtis analysis
利用高通量測序技術(shù)對再造煙葉生產(chǎn)中25個物料樣品進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA V3-V4區(qū)和真菌ITS序列分析,其中木漿板未得到細(xì)菌和真菌測序結(jié)果,推測原因是木漿原料為漂白針葉木漿(化學(xué)漿),其加工過程加入了較多的漂白劑,且木漿板本身營養(yǎng)物質(zhì)匱乏,微生物很難存活,導(dǎo)致木漿板細(xì)菌和真菌數(shù)量極少,故沒有獲得測序結(jié)果。另外,2015年再造煙葉樣品和2016年再造煙葉樣品未獲得細(xì)菌測序結(jié)果,推測原因為再造煙葉成品存放環(huán)境密閉干燥、水活度低,不適宜大多數(shù)微生物的存活。
除片煙末、上毛毯積漿和再造煙葉成品,總體上,其他物料樣品在細(xì)菌屬水平上的優(yōu)勢菌屬為乳桿菌屬(Lactobacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和韋榮氏球菌屬(Veillonella),在真菌屬水平上優(yōu)勢菌屬為假絲酵母屬(Candida)、曲霉屬(Aspergillus)、桑帕約氏酵母(Sampaiozyma)和絲孢酵母屬(Trichosporon),這與前人報道[8-9]的再造煙葉生產(chǎn)中物料的優(yōu)勢菌屬大體一致;部分不一致的結(jié)果如釀酒酵母屬(Kazachstania)在本研究中為非優(yōu)勢菌屬,可能原因是由不同生產(chǎn)線和生產(chǎn)原料來源導(dǎo)致的微生物差異。所有物料樣品中,片煙末中特有一個細(xì)菌優(yōu)勢屬——青枯菌屬(Ralstonia),這與汪漢成等[10]報道的利用高通量測序健康煙草植株細(xì)菌多樣性獲得的結(jié)果相符,其研究結(jié)果顯示青枯菌屬(Ralstonia)為優(yōu)勢細(xì)菌屬,相對豐度為40.61%。上毛毯積漿的優(yōu)勢細(xì)菌屬為鞘氨醇桿菌屬(Sphingobacterium),該菌屬也為趙豐等[11]在造紙過程中發(fā)現(xiàn)的可培養(yǎng)的優(yōu)勢細(xì)菌屬之一。
從萃取到制涂布液過程中,水溶性糖含量明顯升高且滲透壓變大,而乳桿菌屬(Lactobacillus)具有兼性厭氧、耐酸糖和生長溫度范圍廣的特性,因此該過程中細(xì)菌乳桿菌屬(Lactobacillus)相對豐度逐漸增加,而真菌假絲酵母屬(Candida)相對豐度總體逐漸降低。在抄造過程中,損紙漿和木漿攜帶的韋榮氏球菌屬(Veillonella)具有厭氧特性,因而只在制漿后的液體物料中為優(yōu)勢屬;白水經(jīng)離心凈化后,乳桿菌屬(Lactobacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、韋榮氏球菌屬(Veillonella)相對豐度均有一定程度降低;漿料經(jīng)過逐步的烘干工藝變成干物料后,不耐熱微生物如乳桿菌屬(Lactobacillus)、韋榮氏球菌屬(Veillonella)、絲孢酵母屬(Trichosporon)以及鞘氨醇桿菌屬(Sphingobacterium)相對豐度降低;再造煙葉成品分切打包過程中,細(xì)菌屬和真菌屬種類、總數(shù)量和相對豐度基本保持不變。再造煙葉成品在長時間放置儲存后,由于再造煙葉本身水分含量較低以及存放環(huán)境干燥密閉,抑制了大部分微生物的生長,但兼性厭氧的德巴利酵母屬(Debaryomyces)可能由于適應(yīng)性較強(qiáng)[12]而相對豐度逐漸增加,成為再造煙葉成品樣品的主要優(yōu)勢真菌屬。由此可見,在再造煙葉的生產(chǎn)過程中,微生物種類多樣性整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,原因是過程物料多為固液混合物,并且營養(yǎng)物質(zhì)相對均勻和豐富,同時過程環(huán)境濕熱,有利于各類微生物的生長和繁殖,而原料和成品為固態(tài),含水率低,存放環(huán)境相對密閉干燥,不利于微生物的生長和繁殖。
優(yōu)勢細(xì)菌屬乳桿菌屬(Lactobacillus)的大量繁殖會消耗再造煙葉中的糖類等有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量乳酸,導(dǎo)致涂布液和白水腐敗變酸,從而影響再造煙葉品質(zhì)。該菌屬制約著涂布液的儲存周期和白水的循環(huán)使用次數(shù),導(dǎo)致生產(chǎn)過程需要定期對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)清洗[13],因此采用合適的方法降低/抑制再造煙葉生產(chǎn)線乳桿菌屬(Lactobacillus)的生長繁殖對于提升生產(chǎn)中的連續(xù)性和穩(wěn)定性非常有必要。優(yōu)勢真菌屬曲霉屬(Aspergillus)在再造煙葉儲藏過程中易引起霉變[14];同時該屬中也存在一些有利于煙草香氣提升的菌種,高文霞等[15]從煙葉中分離篩選出的一株曲霉菌Aspergillus sp.SZ14可明顯增加煙葉中有機(jī)酸和石油醚的含量從而提升煙草品質(zhì),所以對于曲霉屬(Aspergillus)微生物可進(jìn)行針對性管控。
芽孢桿菌屬(Bacillus)細(xì)菌在生產(chǎn)過程各物料樣品中均有分布,該菌屬微生物不僅具有耐高溫的特點,很多菌種還具有很強(qiáng)的酶分泌能力,如枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)等能分泌蛋白酶、淀粉酶、果膠酶到胞外,進(jìn)而通過降解萃取液與濃縮液中的蛋白質(zhì)、淀粉、果膠等生物大分子物質(zhì)而促進(jìn)產(chǎn)香,因而該菌屬可作為有益的微生物資源進(jìn)行挖掘利用[16-17]。
利用高通量測序技術(shù)對再造煙葉生產(chǎn)過程中各物料樣品微生物群落多樣性進(jìn)行了分析,結(jié)果共檢測出393個細(xì)菌屬和165個真菌屬,各物料在加工過程中細(xì)菌屬的豐度和種類變化相對較小,而真菌屬的變化相對較大??傮w上,物料樣品在細(xì)菌屬水平上的優(yōu)勢菌屬為乳桿菌屬(Lactobacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和韋榮氏球菌屬(Veillonella),真菌屬水平上優(yōu)勢菌屬為假絲酵母屬(Candida)、曲霉屬(Aspergillus)、桑帕約氏酵母(Sampaiozyma)和絲孢酵母屬(Trichosporon),且在再造煙葉的生產(chǎn)過程中,微生物種類多樣性整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。