康曉樂,李東霓,李 晨,2,康紅艷,2,王妙姝,2,田洪濤,2,3*
(1 河北農(nóng)業(yè)大學食品科技學院 河北保定071001 2 河北新希望天香乳業(yè)有限公司 河北保定071001 3 國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 河北保定071001)
我國蘋果產(chǎn)量巨大,成熟蘋果味道酸甜可口,營養(yǎng)豐富,富含多種生物活性物質(zhì),如多糖、粗纖維、蛋白質(zhì)、維生素B1、維生素B2、維生素C 等多種成分,具有降膽固醇,降血壓,潤腸通便,促進新陳代謝等功效[1]。然而,近些年我國蘋果出現(xiàn)嚴重滯銷現(xiàn)象,不僅有損果農(nóng)收益,給整個蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展也造成了很大困擾,因此,增加蘋果的深加工力度,拓展蘋果產(chǎn)品種類具有重要意義。
酵素產(chǎn)品因其具有加速代謝、殺菌消炎等顯著的功效,而倍受國內(nèi)外消費者的歡迎。研究表明,酵素相關(guān)產(chǎn)品富含酚類、有機酸類、酶類、黃酮類等活性物質(zhì),可以輔助清除體內(nèi)廢物,促進淋巴細胞生長,具有解酒護肝,消炎抗菌,潤腸通便,美容抗衰等功效[2]。長期以來,食用酵素以自然發(fā)酵為主,多為混種共生發(fā)酵,發(fā)酵周期長,發(fā)酵過程中參數(shù)變化復雜。目前,學者對食用酵素的研究多集中于其代謝產(chǎn)物、抗氧化性能、酶活力等方面。對酵素產(chǎn)品發(fā)酵過程中微生物多樣性分析的文獻較少,而且,對于微生物多樣性分析,大多數(shù)學者采用傳統(tǒng)分離純化鑒定方法、PCR-DGGE 技術(shù)等。如:蔣增良[3]采用傳統(tǒng)方法從葡萄酵素中分離鑒定出3 種酵母菌。吳偉杰等[4]利用傳統(tǒng)法分離菌株,采用分子生物學方法鑒定蘿卜泡菜中的乳酸菌,共分離鑒定出12 個菌種,包括:植物乳桿菌、腸膜明串珠菌、乳酸腸球菌等。杜麗平等[5]采用聚合酶鏈式反應變性、梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術(shù)分析木瓜酵素自然發(fā)酵過程中細菌和酵母的多樣性及變化規(guī)律,結(jié)果顯示:主要有植物乳桿菌、假腸膜明串珠菌、類腸膜魏斯氏菌、釀酒酵母假絲酵母、畢赤酵母等。楊芳等[6]利用PCR-DGGE技術(shù),檢測6 種自然發(fā)酵酵素的優(yōu)勢菌,結(jié)果顯示:細菌分布于3 個屬5 個種,包括:乳桿菌屬、醋桿菌屬;優(yōu)勢酵母分布于3 個屬6 個種。以上結(jié)果表明,不同酵素中有相同的菌屬,也有其特有的菌屬,不同菌株在發(fā)酵中的作用有待深入研究。傳統(tǒng)分離鑒定法和PCR-DGGE 技術(shù)雖然可以在一定程度上反映樣本的物種組成和優(yōu)勢物種,但是不能全方位解析菌群組成和結(jié)構(gòu)。此外,采用傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)方法,培養(yǎng)的微生物種類有限,僅占環(huán)境樣品的1%~10%[7],可能會遺漏一些種類的微生物,甚至是在酵素發(fā)酵過程中起關(guān)鍵作用的微生物,導致無法解析發(fā)酵過程中微生物的組成、豐度及其變化情況。
宏基因組(Metagenome)是指在一定環(huán)境中所有微生物的基因總和。傳統(tǒng)培養(yǎng)方法不能培養(yǎng)出所有的微生物,而宏基因組學方法不依賴微生物培養(yǎng)而是直接提取樣品全部微生物的遺傳物質(zhì)[8],更全面的包含了環(huán)境樣品的微生物遺傳信息。應用第二代測序技術(shù)和生物信息學、系統(tǒng)生物學的數(shù)據(jù)分析方法,分析不同樣品中微生物的群落組成、豐度、物種多樣性,分析微生物與環(huán)境之間的影響,有利于全面認識微生物群落結(jié)構(gòu)。隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展,宏基因組學在很多行業(yè)得到廣泛應用。例如:基礎(chǔ)微生物學、海洋微生物學[9]、土壤學、醫(yī)學[10]、生態(tài)農(nóng)業(yè)、食品領(lǐng)域。
本研究以自然發(fā)酵蘋果酵素為試驗材料,通過對細菌16S rDNA V3-V4 區(qū)和真菌ITS1 區(qū)分析的宏基因組學技術(shù),探明蘋果酵素在自然發(fā)酵過程中微生物的多樣性及其菌群動態(tài)變化規(guī)律,為進一步篩選蘋果酵素自然發(fā)酵優(yōu)良的優(yōu)勢微生物菌種,研制高效直投式發(fā)酵劑,實現(xiàn)人工控制發(fā)酵蘋果酵素系列新產(chǎn)品,提高蘋果酵素產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量,提供理論依據(jù)。
新鮮成熟蘋果,河北丹鳳山農(nóng)業(yè)科技有限公司。白砂糖(食品級),百樂超市;娃哈哈純凈水;VC(分析純級),天津市鑫鉑特化工有限公司;5 L玻璃罐。
FLC-3 超凈臺,哈爾濱市東聯(lián)公司;YXQSG46-280S 型不銹鋼手提式壓力蒸汽滅菌器,上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱、FA1004A 電子天平、ABI GeneAmpR9700 型PCR 儀,上海博迅實業(yè)有限公司。
1.2.1 樣品制備 用無菌水將蘋果洗凈,于無菌操作臺中晾干,去核,去除果蒂,切片。白砂糖和蒸餾水用紫外線殺菌30 min,按質(zhì)量比將白砂糖∶蘋果∶水=1∶8∶10 加入到已滅菌的玻璃罐中[11],添加0.006%的VC[12],置于30 ℃培養(yǎng)箱,靜置發(fā)酵40 d[13]。
1.2.2 樣品采集 在超凈工作臺中取蘋果酵素發(fā)酵第10,20,35 天的樣品45 mL 加入滅菌的離心管中,-80 ℃冰箱保存,用于宏基因組研究。
1.2.3 宏基因組測序流程
1) 樣品處理 分別取在-20 ℃保存的3 個時期的酵素樣品,12 000 r/min,4 ℃離心10 min,棄上清,取沉淀用于DNA 抽提。
2) DNA 抽提 根據(jù)E.Z.N.A.Rsoil 試劑盒(Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.) 說明書進行總DNA 抽提,DNA 濃度和純度利用NanoDrop2000 檢測,利用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 提取質(zhì)量。
3) PCR 擴增采用引物1737F(GGAAG T AAAAGTCGTAACAAGG) 和2043R(GCTGCGTT CTTCATCGATGC)對真菌ITS1 區(qū)進行擴增。采用引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)對細菌16S rDNA V3-V4 區(qū)進行擴增。
4) Illumina Miseq 測序 使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR 產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,Union City,CA,USA) 進行純化,Tris-HCl 洗脫,2%瓊脂糖電泳檢測。利用QuantiFluorTM-ST(Promega,USA)進行熒光檢測定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(Illumina,San Diego,USA)標準操作規(guī)程將純化后的擴增片段構(gòu)建PE 2*300 的文庫。
Illumina MiSeq 平臺文庫構(gòu)建[14]:①連接“Y”字形接頭;②使用磁珠篩選去除接頭自連片段;③利用PCR 擴增進行文庫模板的富集;④氫氧化鈉變性,產(chǎn)生單鏈DNA 片段。利用Illumina 公司的Miseq PE300 平臺進行測序。原始數(shù)據(jù)上傳至NCBI 數(shù)據(jù)庫中。
Illumina MiSeq 平臺測序原理[15](此部分操作由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成):①DNA片段的一端與引物堿基互補,固定在芯片上;②另一端隨機與附近的另外一個引物互補,也被固定住,形成“橋(bridge)”;③PCR 擴增,產(chǎn)生DNA 簇;④DNA 擴增子線性化成為單鏈。⑤加入改造的DNA 聚合酶和帶有4 種熒光標記的dNTP,每次循環(huán)只合成1 個堿基;⑥用激光掃描反應板表面,讀取每條模板序列第一輪反應所聚合上的核苷酸種類;⑦將“熒光基團”和“終止基團”化學切割,恢復3' 端粘性,聚合第2 個核苷酸;⑧統(tǒng)計每輪收集到的熒光信號結(jié)果,獲知模板DNA 片段的序列。原始測序序列使用Trimmomatic 軟件質(zhì)控,使用FLASH 軟件進行拼接。
1.2.4 生物信息分析流程 樣品數(shù)據(jù)分析由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。MiSeq 測序得到的PE reads 首先根據(jù)overlap 關(guān)系進行拼接,同時對序列質(zhì)量進行質(zhì)控和過濾,區(qū)分樣本后選出與OTU 代表序列相似性在97%以上的序列進行OTU 聚類分析和物種分類學分析?;贠TU 聚類分析結(jié)果,進行多種多樣性指數(shù)(Chao,Ace,Shannon,Simpson)分析、Alpha 多樣性分析[16];基于分類學信息,在屬分類水平上進行群落結(jié)構(gòu)統(tǒng)計。根據(jù)以上結(jié)果分析蘋果酵素自然發(fā)酵不同時期的細菌和真菌的組成、多樣性、相對豐度以及動態(tài)變化。
通過離心收集菌體,提取樣品中總DNA,然后對細菌16S rDNA V3-V4 區(qū)和真菌ITS1 區(qū)進行PCR 擴增,利用2%瓊脂糖凝膠電泳進行驗證,結(jié)果見圖1。
圖1表明,細菌16S rDNA V3-V4 區(qū)擴增后凝膠電泳檢測條帶長度在500 bp 左右。真菌ITS1區(qū)擴增后凝膠電泳檢測條帶長度約為300 bp。說明PCR 產(chǎn)物目的條帶大小正確,濃度合適,可進行后續(xù)試驗,利用QuantiFluorTM-ST(Promega,USA)進行檢測定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(Illumina,SanDiego,USA)標準操作規(guī)程,將純化后的擴增片段構(gòu)建PE 2*300 的文庫。
對序列采用隨機抽樣的方法,以抽到的序列數(shù)與它們對應的物種數(shù)目或多樣性指數(shù),構(gòu)成稀釋曲線[17]。用來比較測序數(shù)據(jù)量不同的樣本中物種的多樣性、均一性或豐富度,也可用來說明樣本的測序數(shù)據(jù)量是否合理。當曲線趨向平坦時,說明測序數(shù)據(jù)量足夠大,可以較完整的反映樣本的物種信息。結(jié)果見圖2和圖3。
圖1 不同時期樣本微生物DNA 片段PCR 擴增結(jié)果Fig.1 PCR amplification results of sample microbial DNA fragments in different periods
圖2 3 個樣本中細菌的測序稀釋曲線Fig.2 The rarefaction curve of bacteria in 3 samples
圖3 3 個樣本中真菌的測序稀釋曲線Fig.3 The rarefaction curve of fungi in 3 samples
圖2和圖3顯示,在97%相似度水平上,起初曲線直線上升是由于3 個樣品中分別對細菌和真菌的測序量少,不足以覆蓋樣品中物種數(shù),隨測序量增加,物種數(shù)急速增加;之后曲線趨于平緩,說明隨測序量增大,物種數(shù)不再增加,測序量足夠大,能夠較完整的反映蘋果酵素樣本中絕大部分的微生物信息。
為保證分析結(jié)果的可靠性,既要有充足的測序數(shù)據(jù)量,也要保證序列的質(zhì)量,因此,測序后要對原始數(shù)據(jù)進行過濾處理,得到優(yōu)化序列。然后在去除嵌合體序列后進行OTU 聚類分析。高通量測序結(jié)果見表1和表2。
表1 細菌高通量測序數(shù)據(jù)Table 1 High-throughput sequencing data of bacteria
表2 真菌高通量測序數(shù)據(jù)Table 2 High-throughput sequencing data of fungi
表1和表2可知,通過提取樣品DNA,對細菌338F-806R 區(qū)擴增得到細菌的優(yōu)化序列數(shù)135 033 個,優(yōu)化堿基數(shù)目59 756 429 個;對真菌1737F-2043R 區(qū)擴增,Illumina MiSeq 平臺測序數(shù)據(jù)處理之后,得到真菌的優(yōu)化序列數(shù)227 417 個,優(yōu)化堿基數(shù)目72 649 655 個,表明本次結(jié)果可信度高。結(jié)果顯示蘋果酵素自然發(fā)酵3 個時期樣本中包含細菌Species 數(shù)386 個,聚類分析得到466個OTU。真菌Species 數(shù)5 個,聚類分析得到8 個OTU。
基于OUT 聚類分析結(jié)果,Chao 常用來估計物種總數(shù),Ace 可估計群落中OUT 數(shù)目的指數(shù),Shannon 和Simpson 用于估算微生物多樣性,Shannon 數(shù)值越大則多樣性越高,而Simpson 指數(shù)值越大則多樣性越低[18]。結(jié)果見表3和表4。
表3 蘋果酵素的細菌多樣性指數(shù)Table 3 Bacteria diversity index of apple fermented beverage
表4 蘋果酵素的真菌多樣性指數(shù)Table 4 Fungal diversity index of apple fermented beverage
由表3可知,蘋果酵素自然發(fā)酵不同時期樣品中,細菌多樣性指數(shù)Chao 和Ace 值先減小后增大,表明在整個發(fā)酵時期細菌的物種總數(shù)存在先減少再增多的變化過程。第10 天Shannon 值最大而Simpson 值最小,表明蘋果酵素在發(fā)酵前期細菌多樣性最高。由表4可知,3 個樣品隨發(fā)酵時間的延長,真菌多樣性指數(shù)Chao 值和Ace 有所增大,表明在發(fā)酵過程中,真菌物種數(shù)有所增多。Shannon 值逐漸增大而Simpson 值逐漸減小,表明真菌多樣性隨著發(fā)酵時間的延長有所增多。細菌的Chao 值、Ace 值和Shannon 值均比真菌的高,Simpson 值比真菌低,說明細菌多樣性大于真菌的多樣性。
Alpha 多樣性圖,以Chao,Shannon,Ace,Simpson,Coverage 為度量標準,采用柱形圖展現(xiàn)結(jié)果,可以反映一個特定區(qū)域或者生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種的多樣性。不同時期樣本細菌和真菌的Alpha 多樣性分別見圖4和圖5。
圖4和圖5顯示,蘋果酵素自然發(fā)酵第10 天的樣品可以檢測到337 種細菌,4 種真菌;第20天的樣品可以檢測到79 種細菌,5 種真菌;第35天的樣品可以檢測到299 種細菌,5 種真菌。
本課題組在此之前對桑葚自然發(fā)酵酵素宏基因組學的研究發(fā)現(xiàn),細菌物種數(shù)也存在先降低后增加的過程。田偉[19]研究的四川泡菜中也存在發(fā)酵中期微生物多樣性降低的現(xiàn)象。本研究結(jié)果提示,自然發(fā)酵過程中可能存在優(yōu)勢菌的富集,抑制其它菌生長的現(xiàn)象。
使用統(tǒng)計學的分析方法,將多個樣本的群落結(jié)構(gòu)放在一起對比分析,既可以觀測樣本在不同分類水平上的群落結(jié)構(gòu),也可以觀測其變化規(guī)律。本試驗在屬水平上分析蘋果酵素不同時期樣品微生物群落結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化,結(jié)果見圖6、圖7。
由圖6可知,宏基因組測序技術(shù)顯示,此蘋果酵素樣本中細菌組成在屬水平上分類主要有乳桿菌屬(Lactobacillus)、葡萄糖酸桿菌屬(Gluconobacter)、乳酸乳球菌屬(Lactococcus)、魏斯氏屬(Weissella)、明串珠菌屬(Leuconostoc)、醋酸菌屬(Acetobacter),還有少量其它菌(Others)。乳桿菌屬是第1 階段豐度最大的菌屬,占比為58.73%,第2,3 階段有所下降,占比分別為49.08%,56.34%,然而仍是主要菌屬。葡萄糖酸桿菌屬占比先增加后降低,分別為20.42%,34.72%,24.64%。乳酸乳球菌在所測得的3 個階段占比變化不大,3 個時期分別為6.51%,8.25%,8.12%。明串珠菌屬占比分別為2.15%,1.97%,1.76%。醋酸菌屬在第1,2 階段占比極少,分別為0.97%,1.10%,第3 階段增加到3.27%。魏斯氏菌屬占比分別為1.84%,0.98%,2.18%。第1 階段其它菌占比為9.38%,第2,3 階段占比逐漸下降為3.90%,3.69%。本研究結(jié)果表明,蘋果酵素自然發(fā)酵過程一直存在乳酸菌發(fā)酵。葡萄糖酸桿菌貫穿發(fā)酵始終,該菌含有多種酶類,可以產(chǎn)生多種重要化合物,這些化合物在發(fā)酵中起著重要作用,可能影響發(fā)酵過程中抗氧化性能的變化。酵素中酶活力的強弱可能與葡萄糖酸桿菌中富含酶有關(guān)。醋酸菌在后期有所增長,說明后期可能存在醋酸發(fā)酵。明串珠菌呈逐漸下降的趨勢,說明其可能是前期啟動發(fā)酵的菌株。魏斯氏屬是異型發(fā)酵,與產(chǎn)品的風味形成相關(guān)。
圖4 細菌Alpha 多樣性分析Fig.4 The Alpha diversity analysis of bacteria
圖5 真菌Alpha 多樣性分析Fig.5 The Alpha diversity analysis of fungi
由圖7可知,蘋果酵素自然發(fā)酵樣本中真菌的物種多樣性比細菌少,在屬水平上主要有酵母屬(Saccharomyces)、漢遜酵母屬(Hanseniaspora)、接合酵母屬(Zygosacharomyces),還有少量未知菌占比較低。第1 階段:接合酵母屬占89.5%,漢遜酵母屬占9.7%;第2 階段:接合酵母屬占18.2%,漢遜酵母屬占60.6%,酵母屬占19.3%;第3 階段:接合酵母屬占80.3%,漢遜酵母屬占8.7%,酵母屬占9.4%。本研究結(jié)果表明,接合酵母屬是第1 階段和第3 階段的主要菌株,漢遜酵母屬是第2 階段的主要菌株。酵母菌是發(fā)酵工業(yè)中經(jīng)常被利用的菌種,如啤酒和果酒的發(fā)酵[20]。有些酸馬奶的發(fā)酵也采用酵母菌[21]。由此可見,酵母菌在發(fā)酵過程中起到很重要的作用。馮彥君[22]、楊培青[23]已將酵母菌應用于人工控制發(fā)酵酵素中。
圖6 3 個樣品在屬水平上的細菌組成Fig.6 The bacterial composition of three samples at genus
本課題組在此之前對桑葚自然發(fā)酵酵素宏基因組學的研究發(fā)現(xiàn),乳桿菌屬占比達80%~90%,葡萄糖酸桿菌占比不足1%,研究結(jié)果與本研究有所差距。桑葚自然發(fā)酵酵素中的真菌主要為酵母屬和漢遜酵母屬,在種類和豐度上與本研究有所差異??赡苁怯捎谏]睾吞O果的生長環(huán)境、地區(qū)、季節(jié)不同,其表面附著微生物也有差異;制作工藝、發(fā)酵溫度、物料比例不同等,造成菌的種類及豐度有所差異。2 個研究的共同之處為主要菌種相似,并且真菌多樣性都比較低,遠比細菌多樣性少。均存在酵母屬、漢遜酵母屬、乳桿菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、乳酸乳球菌屬、魏斯氏屬、明串珠菌屬和醋酸菌屬。
雖然酵素產(chǎn)品消費市場十分火熱,在2018年12月21日中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布了QB/T 5323-2018《植物酵素》,規(guī)定了植物酵素的產(chǎn)品分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則及標志、包裝、運輸和貯存要求,然而其發(fā)酵機理和發(fā)酵工藝尚未十分明確。因此,探索酵素在自然發(fā)酵過程中微生物的多樣性及其菌群的動態(tài)變化規(guī)律,對于了解自然發(fā)酵酵素潛在質(zhì)量安全問題,以及進一步分離優(yōu)勢菌株,開發(fā)人工可控發(fā)酵酵素,具有十分重要的理論意義和實踐應用價值。
圖7 3 個樣品在屬水平上的真菌組成Fig.7 The fungal composition of three samples at genus
酵素在自然發(fā)酵過程中,存在微生物種類多,發(fā)酵機制復雜,過程不易控制,產(chǎn)品品質(zhì)難以保證等問題,通過宏基因組學技術(shù)可以對蘋果酵素自然發(fā)酵不同時期樣品進行微生物多樣性分析。本研究結(jié)果表明,蘋果酵素自然發(fā)酵過程中微生物種類十分豐富,其中,細菌生物多樣性遠遠大于真菌生物多樣性。通過屬水平分析細菌和真菌的種類和豐度可知,乳桿菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、接合酵母屬和漢遜酵母屬是發(fā)酵過程中的優(yōu)勢菌屬。由此推斷蘋果酵素自然發(fā)酵過程存在酵母菌發(fā)酵和乳酸菌發(fā)酵,以及其它發(fā)酵途徑。酵母菌能分解環(huán)境中可利用的糖產(chǎn)生酒精和二氧化碳,釀酒酵母可以抑制雜菌生長[24]。乳酸發(fā)酵產(chǎn)生乳酸、乙酸、酒精以及其它風味物質(zhì),使體系的pH 值降低,抑制了某些不耐酸菌的生長。Bergillos-meca等[25]研究植物乳桿菌C4 可以在體外調(diào)節(jié)腸道微生物群,促進一些和代謝相關(guān)的微生物種群的變化和SCFA 生產(chǎn)的轉(zhuǎn)移,說明酵素加速代謝的作用可能與植物乳桿菌相關(guān)。葡萄糖酸桿菌屬和醋酸菌屬可將中間產(chǎn)物葡萄糖酸和酒精轉(zhuǎn)化為醋酸以及其它風味成分。此外,明串珠菌屬和魏斯氏屬可產(chǎn)生乙醇、乙酸、甘露醇等物質(zhì),對酵素的風味有一定影響[24]。由于發(fā)酵過程中,不同發(fā)酵階段微生物的種類和數(shù)量也發(fā)生變化,各種生化反應和微生物間相互作用,賦予了蘋果酵素獨特的風味和營養(yǎng)價值。
綜上所述,蘋果酵素自然發(fā)酵過程中存在著菌種的動態(tài)變化,菌株之間的相互作用機理及某些菌株在不同時期發(fā)揮的作用和作用機制有待探索發(fā)現(xiàn)。本研究通過宏基因組學技術(shù),分析蘋果酵素自然發(fā)酵過程中微生物的種類、豐度和動態(tài)變化,探明了蘋果酵素自然發(fā)酵過程中的優(yōu)勢菌株,為進一步篩選獲得蘋果酵素自然發(fā)酵中的優(yōu)勢菌株,研制高效直投式發(fā)酵劑,實現(xiàn)人工控制發(fā)酵蘋果酵素系列新產(chǎn)品,提高蘋果酵素產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量安全水平,推動蘋果深加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了理論依據(jù)。