鄭家銘,洪意,吳瑜凡,方太松,申進(jìn)玲,董慶利,王翔*
1(上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院,上海,200093)2(華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院分析測試中心,上海,200237) 3(上海海關(guān)動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心,上海,200135)
巴氏殺菌乳是采用低溫殺菌的一種鮮奶,適度的熱加工可以滅活生乳中的致病菌和部分腐敗菌,同時(shí)最大程度地保留了生乳天然的營養(yǎng)成分和優(yōu)良的感官品質(zhì)[1]。我國巴氏殺菌乳的消費(fèi)量約占乳品市場的20%,對(duì)標(biāo)乳業(yè)發(fā)達(dá)國家的90%,國內(nèi)巴氏殺菌乳仍具有可觀的發(fā)展空間[2-3]。巴氏殺菌工藝加工強(qiáng)度較低,終產(chǎn)品中仍有部分耐熱細(xì)菌或芽胞存活[4],因此巴氏殺菌乳常需要結(jié)合冷鏈進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn),且更低的儲(chǔ)運(yùn)溫度能延長其貨架期[5]。貯藏過程中溫度的失控可能會(huì)導(dǎo)致熱殺菌后存活的微生物細(xì)胞數(shù)量快速增加,并最終導(dǎo)致產(chǎn)品的變質(zhì)。巴氏殺菌乳的菌群結(jié)構(gòu)與其品質(zhì)密切相關(guān),而菌群結(jié)構(gòu)易受到環(huán)境溫度的影響[6-7],因此,了解貯藏過程的細(xì)菌多樣性變化對(duì)產(chǎn)品的貨架期預(yù)測和品質(zhì)判斷具有重要作用。
目前,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和細(xì)菌多樣性研究中應(yīng)用較為廣泛的是16S rRNA基因高通量測序,其具有高通量、高準(zhǔn)確度和高覆蓋等優(yōu)點(diǎn)[8],能迅速準(zhǔn)確揭示樣本微生物群落組成等信息。閆艷華等[9]應(yīng)用高通量測序技術(shù)分析了奶牛養(yǎng)殖場采奶環(huán)節(jié)中4個(gè)不同的操作對(duì)生鮮乳細(xì)菌多樣性的影響,發(fā)現(xiàn)生鮮乳的品質(zhì)與牛乳頭和采奶設(shè)備的潔凈程度密切相關(guān)。PORCELLATO等[10]對(duì)不同乳品廠生產(chǎn)的巴氏殺菌乳微生物多樣性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落的組成主要受生產(chǎn)月份和貯藏溫度的影響??梢钥闯觯咄繙y序技術(shù)的應(yīng)用為當(dāng)前的乳品中微生物多樣性研究提供了一個(gè)全面解析的手段。
本研究對(duì)溫度失控條件下巴氏殺菌乳中微生物組成進(jìn)行表征,通過細(xì)菌擴(kuò)增子測序技術(shù)分析巴氏殺菌乳貯藏過程中細(xì)菌群落多樣性和群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,分析其結(jié)構(gòu)及功能演變,為巴氏殺菌乳貯藏過程中微生物動(dòng)態(tài)變化研究及產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。
E.Z.N.A.Food DNA Kit食品基因組DNA提取試劑盒,美國Omega公司;DL 2 000 DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、10×Loading Buffer,上海捷瑞生物工程有限公司;TransStart FastPfu超高保真PCR酶,上海生工生物工程有限公司;平板計(jì)數(shù)瓊脂(PCA),青島海博生物公司。
Fresco 17高速冷凍離心機(jī)、Nano Drop 2000微量核酸蛋白定量儀,美國ThermoFisher公司;Gel Doc XR凝膠成像儀,美國Bio-Rad公司;Biometra TOne 96 G PCR儀,德國Analytik Jena公司;FC-B2V恒溫培養(yǎng)箱,德國MMM集團(tuán)。
1.2.1 樣品
巴氏殺菌乳購自上海本地超市,產(chǎn)品標(biāo)注的蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為3.1 g/100mL和3.5 g/100mL,2~6 ℃下保質(zhì)期為7 d。購買后放置于有冰袋的冷藏箱內(nèi)并立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,無菌分裝為3份,分別置于10、15、25 ℃貯藏。
1.2.2 基因組DNA提取及細(xì)菌總數(shù)測定
在10、15、25 ℃貯藏條件下,分別間隔24、12、4 h進(jìn)行牛奶樣品無菌取樣,分別獲得10、10、9個(gè)時(shí)期樣品。使用試劑盒對(duì)上述樣品進(jìn)行細(xì)菌基因組DNA提取,經(jīng)細(xì)菌收集、裂解,DNA分離、純化等步驟獲得細(xì)菌基因組DNA,并測定其濃度和純度。同時(shí)參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》使用PCA培養(yǎng)基對(duì)菌落總數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
1.2.3 16S rRNA基因擴(kuò)增及高通量測序
利用已提取的DNA作為模板,選擇特異性引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’),對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因的V3~V4區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。20 μL反應(yīng)體系:5×FastPfu Buffer 4 μL、2.5 mmol/L dNTPs 2 μL、Forward Primer(5 μmol/L)0.8 μL、Reverse Primer(5 μmol/L)0.8 μL、FastPfu Polymerase 0.4 μL、Template DNA 10 ng,補(bǔ)ddH2O至20 μL。PCR擴(kuò)增條件為:95 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s,共29個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸10 min[11]。測序由上海美吉生物公司使用Illumina Miseq PE300測序儀完成。
1.2.4 生物信息學(xué)分析
采用FLASH(v1.2)軟件[12]對(duì)測序的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。使用QIIME(v1.9)分析軟件[13]對(duì)低質(zhì)量的拼接序列進(jìn)行過濾,并去除嵌合體,得到優(yōu)質(zhì)序列。根據(jù)Uparse(v7.0)以97%相似性水平上對(duì)優(yōu)質(zhì)序列進(jìn)行聚類,得到可操作分類單元(operational taxonomic unit,OTU),以各OTU中豐度最高的序列作為代表序列,采用核糖體數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目(ribosomal database project,RDP)工具classifier貝葉斯算法對(duì)OTU代表序列進(jìn)行分類學(xué)比對(duì),物種分類數(shù)據(jù)庫使用的是Silva 138。在OTU水平上計(jì)算不同貯存溫度、時(shí)間樣品、Alpha多樣性、Beta多樣性。用稀疏曲線(rarefaction curve)和香農(nóng)指數(shù)曲線(Shannon index curve)評(píng)估不同測序深度時(shí)群落的多樣性,以評(píng)價(jià)各樣本的測序量是否合理。超1指數(shù)(Chao1 index)和辛普森指數(shù)(Simpson index)用于評(píng)估樣品貯藏過程中細(xì)菌群落的豐度和多樣性的變化。使用UniFrac距離對(duì)樣品之間進(jìn)行非加權(quán)的主坐標(biāo)分析(principal coordinate analysis,PCoA)。
同時(shí)利用R軟件[14]生成不同分類水平上(門、屬)的物種分布圖。使用Tax4Fun[15]對(duì)16S擴(kuò)增子數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組功能預(yù)測,其通過構(gòu)建Silva數(shù)據(jù)庫的16S分類譜系與KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數(shù)據(jù)庫中原核生物的分類譜系的線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)菌群基因功能的預(yù)測。本研究中涉及的序列數(shù)據(jù)已提交至NCBI(National Center of Biotechnology Information)數(shù)據(jù)庫,登錄號(hào)為PRJNA796711。
通過Illumina MiSeq高通量測序,29個(gè)樣品共產(chǎn)生了1 475 026條高質(zhì)量16S rRNA基因序列,10、15、25 ℃貯藏溫度下每個(gè)樣品平均分別產(chǎn)生44 730、68 753、50 728條。根據(jù)序列的97%相似性進(jìn)行OTU劃分,并按照最小樣本序列數(shù)進(jìn)行抽平,共得到2 258個(gè)OTU進(jìn)行進(jìn)一步分析。
從稀疏曲線(圖1-a)可以看出,隨著測序量的增加,新增OTU的速度變緩,同時(shí)Shannon指數(shù)曲線逐漸平穩(wěn)(圖1-b)。說明現(xiàn)有的測序量比較充足,能夠反映樣品中絕大部分的細(xì)菌物種信息。因此當(dāng)前測序量滿足進(jìn)行生物信息分析的條件。
a-稀疏曲線;b-Shannon指數(shù)曲線圖1 巴氏殺菌乳的稀疏曲線和Shannon指數(shù)曲線Fig.1 Rarefaction curves and Shannon index curves of pasteurized milk samples
在生態(tài)學(xué)研究中Chao1指數(shù)和Simpson指數(shù)是反映細(xì)菌群落Alpha多樣性的重要指標(biāo),Chao1指數(shù)數(shù)值與細(xì)菌群落豐富度呈正相關(guān),而Simpson指數(shù)數(shù)值越大細(xì)菌群落多樣性越低。在貯藏過程中巴氏殺菌乳的細(xì)菌菌群豐度隨時(shí)間變化(圖2)。3個(gè)溫度下的貯藏初期,細(xì)菌豐度波動(dòng)較??;10 ℃下貯藏到第5~7天細(xì)菌多樣性急劇下降,15、25 ℃條件下,多樣性驟降的區(qū)間分別發(fā)生在48~72 h和12~20 h;在貯藏后期巴氏殺菌乳中的細(xì)菌群落多樣性降低到較低的水平,說明體系中出現(xiàn)了優(yōu)勢菌種。Chao1指數(shù)與Simpson指數(shù)變化規(guī)律表明3個(gè)貯藏溫度下巴氏殺菌乳中細(xì)菌多樣性都是隨著貯藏時(shí)間增加而降低,但是降低發(fā)生的時(shí)間不同,而且貯藏溫度越低,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化越慢。丁瑞雪等[16]也發(fā)現(xiàn)巴氏殺菌乳在0 ℃貯藏能保持長時(shí)間的細(xì)菌多樣性,而在10 ℃的貯藏過程中群落的物種豐度下降較快。
a-10 ℃;b-15 ℃;c-25 ℃圖2 巴氏殺菌乳貯藏過程中Chao 1指數(shù)和Simpson指數(shù)變化Fig.2 Changes of Chao1 index and Simpson index during storage of pasteurized milk
使用Beta多樣性分析呈現(xiàn)不同溫度貯藏的巴氏殺菌乳間的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的相似性和差異性,在OTU水平上進(jìn)行UniFrac的非加權(quán)PCoA,結(jié)果如圖3所示,第一主坐標(biāo)和第二主坐標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為33.20%和10.65%。15 ℃及25 ℃貯藏的樣品呈現(xiàn)出一定的重疊現(xiàn)象,說明這兩個(gè)溫度貯藏的巴氏殺菌乳的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。而10 ℃貯藏的巴氏殺菌乳樣品呈現(xiàn)出一定的聚類趨勢,說明該溫度下貯藏的樣品相比于另外兩個(gè)溫度組具有特殊的群落結(jié)構(gòu)。
綜合以上多樣性分析,發(fā)現(xiàn)貯藏溫度會(huì)影響巴氏殺菌乳貯藏過程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),并且控制其中物種的演替速度,進(jìn)而影響產(chǎn)品的貨架期。
圖3 巴氏殺菌乳細(xì)菌群落的UniFrac非加權(quán)PCoAFig.3 PCoA of bacterial community in pasteurized milk based on unweighted UniFrac distance
基于OTU的物種分類分析,在相似性為97%水平下,不同樣品的細(xì)菌種類共注釋到32個(gè)門,其中含量最多的前5位依次為硬壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)和螺旋菌門(Spirochaetae)。由圖4可知,在3個(gè)恒定溫度保藏的巴氏殺菌乳,在貯藏過程中樣品的各細(xì)菌門的變化趨勢基本相同。硬壁菌門在貯藏始終占主導(dǎo)地位,在貯藏前期占比約為40%,貯藏后期硬壁菌門在菌群中進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢成為絕對(duì)優(yōu)勢細(xì)菌門,楊雪[17]對(duì)巴氏殺菌乳模擬自然腐敗過程也得到相同的結(jié)果。貯藏初期的次優(yōu)勢細(xì)菌門是變形菌門,隨著貯藏時(shí)間的延長,其序列數(shù)量變化呈現(xiàn)出與硬壁菌門相反的趨勢,表明在貯藏過程中兩者之間可能存在相互作用[18]。
a-10 ℃;b-15 ℃;c-25 ℃圖4 基于門水平的巴氏殺菌乳中細(xì)菌豐度變化Fig.4 Changes of bacterial abundance at the phylum level in pasteurized milk注:相對(duì)豐度<0.01的合并為其他(圖5同)
進(jìn)一步對(duì)巴氏殺菌乳細(xì)菌群落組成進(jìn)行分析,注釋到的物種豐度共計(jì)766個(gè)屬,其中豐度高于1%的屬共計(jì)7個(gè),分別為芽胞桿菌屬(Bacillus)、腸球菌屬(Enterococcus)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、螺菌科UCG-005屬(Oscillospiraceae)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、克雷伯氏菌屬(Klebsiella)和羅氏斯通氏菌屬(Ralstonia)。由圖5可知,10 ℃貯藏的巴氏殺菌乳在0~96 h內(nèi)其微生物多樣性保持恒定,樣品的細(xì)菌總數(shù)無明顯變化;貯藏96 h后,腸球菌屬和不動(dòng)桿菌屬等非優(yōu)勢菌屬的豐度逐漸下降,而芽胞桿菌屬的占比快速上升,與此同時(shí)菌落總數(shù)也在快速增加,芽胞桿菌屬占據(jù)優(yōu)勢,細(xì)菌群落多樣性下降。15 ℃貯藏的樣品在前36 h內(nèi),腸球菌屬先增加后減少,其余大部分菌屬的豐度在保持一個(gè)動(dòng)態(tài)恒定的階段,但是傳統(tǒng)平板的計(jì)數(shù)上,可培養(yǎng)的微生物數(shù)量從2.1 lgCFU/mL 增加到4.0 lgCFU/mL;在48~108 h內(nèi)芽胞桿菌屬的豐度快速上升,成為貯藏后期的優(yōu)勢菌屬,菌落總數(shù)也在不斷增加。巴氏殺菌乳在25 ℃貯藏的細(xì)菌菌落結(jié)構(gòu)變化更加快速,貯藏4 h后腸球菌屬的豐度明顯下降,貯藏到12 h,微生物的數(shù)量增加了1個(gè)數(shù)量級(jí),繼續(xù)貯藏12 h,細(xì)菌總數(shù)達(dá)到7.3 lgCFU/mL,超出限量標(biāo)準(zhǔn),細(xì)菌組成與另外兩個(gè)溫度結(jié)果相似,芽胞桿菌屬仍是貯藏后期的優(yōu)勢菌屬。
a-10 ℃;b-15 ℃;c-25 ℃圖5 巴氏殺菌乳細(xì)菌屬水平上菌落豐度及菌落總數(shù)Fig.5 Bacterial abundance at the genus level and aerobic bacterial count in pasteurized milk
基于Tax4Fun方法對(duì)巴氏殺菌乳中細(xì)菌群落進(jìn)行基因組功能預(yù)測,該方法主要是通過構(gòu)建SILVA分類與KEGG數(shù)據(jù)庫中原核生物分類間的線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物群落功能的預(yù)測。本研究中獲得了264個(gè)預(yù)測的通路功能,其中豐度前15的功能如圖6所示。其中涉及氨基酸、核苷酸和糖類等代謝通路的有8項(xiàng),3個(gè)溫度下隨著貯藏時(shí)間的推移,嘧啶、嘌呤等核苷酸代謝功能通路豐度下降,精氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸代謝通路豐度增加,絲氨酸和蘇氨酸代謝通路豐度基本保持不變,此外,在貯藏過程中淀粉和蔗糖等糖類代謝通路豐度下降,發(fā)揮膜運(yùn)輸及信號(hào)傳導(dǎo)等環(huán)境信息處理功能的通路豐度下降,氨酰合成及核糖體合成通路豐度下降,氨基酸和核苷酸糖代謝通路豐度在10 ℃和15 ℃貯藏過程中保持恒定,而在25 ℃貯藏過程中逐漸增加。由圖6可知3個(gè)溫度貯藏下的牛奶整體功能類型變化趨勢相似,個(gè)別功能通路存在一定差異。
a-10 ℃;b-15 ℃;c-25 ℃圖6 巴氏殺菌乳中細(xì)菌功能預(yù)測分布Fig.6 Function prediction distribution of bacteria in pasteurized milk
巴氏殺菌乳經(jīng)過適度的熱加工處理,保留了生乳中大量的營養(yǎng)成分及風(fēng)味物質(zhì),深受消費(fèi)者的喜愛。研究表明,巴氏殺菌乳的變質(zhì)主要是熱加工后殘留細(xì)菌及后污染的細(xì)菌生長和繁殖所引起[19],在巴氏殺菌工藝中,生乳內(nèi)大部分微生物被殺滅,部分耐熱性細(xì)菌及芽胞存活并殘留。這些微生物在后期的貯藏過程中緩慢復(fù)蘇并生長,合適的貯藏條件下貨架期內(nèi)其品質(zhì)和安全是可以保證的,但是在貯藏溫度失控的情況下,殘留細(xì)菌的生長代謝加快,造成產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。因此,探索溫度失控條件下巴氏殺菌乳貯藏過程中微生物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量控制及貨架期預(yù)測,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
通過16S rRNA基因擴(kuò)增子高通量測序技術(shù)對(duì)不同貯藏條件下巴氏殺菌乳的微生物多樣性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明,在測定3個(gè)溫度的貯藏過程中,巴氏殺菌乳中細(xì)菌多樣性都逐漸降低,芽胞桿菌屬是引起巴氏殺菌乳自然腐敗變質(zhì)最主要的細(xì)菌屬。此結(jié)果與MUGADZA等[20]分析延長貨架期(extended shelf life,ESL)牛奶貯藏過程中細(xì)菌群落演變的研究結(jié)果一致。芽胞桿菌屬在自然界中分布廣泛,其形成的高耐熱芽胞能抵抗生乳的熱加工環(huán)節(jié),部分細(xì)菌還會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的毒素[21],對(duì)乳品安全和消費(fèi)者健康產(chǎn)生威脅。RASOLOFO等[22]通過微濾及添加CO2來抑制牛奶貯藏過程中嗜濕性腐敗細(xì)菌的生長;LI等[23]使用二次熱加工,第一次加熱將芽胞桿菌減少到可接受的范圍,第二次則是滅活萌發(fā)的芽胞,以延長牛奶的保質(zhì)期。這些措施進(jìn)一步保證了牛奶的安全,但過度加熱會(huì)降低營養(yǎng)價(jià)值、影響風(fēng)味。平衡乳品營養(yǎng)質(zhì)量和微生物安全以及經(jīng)濟(jì)成本的關(guān)系,仍然是巴氏奶加工需要持續(xù)探索的問題。
非培養(yǎng)方法的分子生物學(xué)手段能檢測出樣本內(nèi)部的活菌和死菌,傳統(tǒng)的菌落總數(shù)檢測方法可以定量食品內(nèi)可培養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量,這兩種方法各有優(yōu)勢,又互相補(bǔ)充[24]。在本研究中這兩種方法顯現(xiàn)出某些值得關(guān)注的共同特征:第一,牛奶貯存初期,可培養(yǎng)的細(xì)菌處在延滯期,這個(gè)階段細(xì)菌多樣性基本恒定;第二,細(xì)菌總數(shù)的對(duì)數(shù)增長期與物種多樣性指數(shù)驟降的時(shí)間區(qū)間基本重合,但前者往往持續(xù)的更長,說明在牛奶貯藏過程的中后期,只有單一的物種或者菌屬在快速生長,這點(diǎn)在細(xì)菌菌落組成上得到證實(shí)。這說明基于16S rRNA基因的細(xì)菌多樣性分析方法可輔助判斷巴氏殺菌乳的貨架期,而腐敗初期占比上升的芽胞桿菌屬可作為品質(zhì)下降的指示菌屬。
在Tax4Fun功能預(yù)測分析中,樣品中存在豐富的細(xì)胞代謝及環(huán)境信息處理功能相關(guān)基因,這些基因豐度的演變與乳品的品質(zhì)相關(guān)[25]。在3個(gè)溫度下的貯藏初期,牛奶中游離氨基酸的含量較少,氨基酸代謝通路的豐度較低,隨著貯藏時(shí)間的延長,牛奶中蛋白質(zhì)水解成氨基酸,微生物利用精氨酸、脯氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等氨基酸為生命活動(dòng)提供能量,此類氨基酸代謝通路豐度上升。該功能分析結(jié)論與李蕊等[26]實(shí)測巴氏殺菌乳幾種常見的氨基酸含量變化的結(jié)果一致。NIYAZBEKOVA等[27]對(duì)山羊奶進(jìn)行微生物群落組成及功能預(yù)測分析,發(fā)現(xiàn)成熟乳相比于初乳,其細(xì)胞代謝、遺傳信息處理及環(huán)境信息處理通路的豐度上升,與本文的結(jié)果相同。有研究表明異源生物降解和代謝、脂類代謝相關(guān)的途徑與乳品風(fēng)味之間存在相關(guān)性,因此這些基因可作為乳品感官質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)[28]。本研究中,巴氏殺菌乳在3個(gè)溫度的貯存過程中功能通路豐度變化基本相同,可能與微生物菌群變化相同有關(guān)。
本研究通過高通量測序技術(shù)揭示了不同貯藏溫度下巴氏殺菌乳貯藏過程中細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)及功能演變規(guī)律,檢測到32個(gè)細(xì)菌門,766個(gè)細(xì)菌菌屬,多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)表明貯藏過程中細(xì)菌結(jié)構(gòu)組成逐漸單一化,是巴氏殺菌乳品質(zhì)下降在菌相分析上的特征。芽胞桿菌屬貯藏初期盡管相對(duì)豐度較低,但在溫度失控的貯藏條件下仍對(duì)巴氏殺菌乳的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)品質(zhì)有較大影響,且溫度越高影響越大。本研究結(jié)果有助于了解溫度對(duì)巴氏殺菌乳細(xì)菌群落組成的影響,為巴氏殺菌乳的品質(zhì)控制提供理論依據(jù)。