趙山山,楊曉艷,杜秋玲,張莎莎,王 磊,邸一桓,趙國忠,郝光飛*
(1.河北工程大學 生命科學與食品工程學院,河北 邯鄲 056000;2.天津科技大學 食品工程與生物技術學院 教育部食品營養(yǎng)與安全重點實驗室,天津 300457)
腌菜制品是贛南客家常上桌的傳統(tǒng)小菜,在客家菜中地位突出。由于贛州氣候因素,客家人多以堿性米制食品為主食,而贛南客家發(fā)酵蔬菜具有開胃、消食等特征,對人體腸胃能起到酸堿中和作用。酸芋荷是一種贛南特產,客家人用芋荷、辣椒、大蒜等腌制而成的一道美食佳肴,傳統(tǒng)加工工藝已有上千年的歷史,為色香味俱全的特色贛州小吃。
泡菜的生產是在食鹽的高滲透壓作用下以乳酸發(fā)酵為主的微生物發(fā)酵過程[1]。近年來,國內外學者對發(fā)酵蔬菜中的乳酸菌多樣性進行了分析,潘晴等[2]從四川老壇泡菜分離得到12株疑似乳酸菌,經(jīng)鑒定5株為植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、3株短乳桿菌(L.brevis)、2株腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、1株干酪乳桿菌(L.casei)和1株屎腸球菌(Enterococcus faecium)。MONIKA等[3]從印度傳統(tǒng)泡菜中分離出15株乳酸菌,經(jīng)過形態(tài)觀察、生理生化特征和16S rDNA序列分析鑒定為7株糞腸球菌(E.faecalis)、3株植物乳桿菌(L.plantarum)、2株戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)、1株腸膜明串珠菌(L.mesenteroides)、1株乳酸乳球菌(L.lactis)和1株腸球菌(Enterococcus sp.)。SAEEDI M 等[4]從伊朗自然發(fā)酵腌菜樣品中分離鑒定出小球菌(Pediococcus)、乳酸桿菌(Lactobacillus)、魏斯氏菌(Weissella)、腸球菌(Enterococcu)和明串珠菌(Leuconostoc)。
由此可見,發(fā)酵蔬菜中的豐富乳酸菌資源證明了發(fā)酵蔬菜是潛在的優(yōu)質乳酸菌的自然資源庫,其中具有生產應用價值的乳酸菌,成為制備不同種類的乳酸菌發(fā)酵劑的良好選擇[5]。乳酸菌是泡菜生產中的優(yōu)勢菌群,菌株性能與泡菜品質有直接關系[6]。敖曉琳等[7]從四川泡菜中篩選出兩株產酸能力良好的乳酸菌,經(jīng)鑒定為發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)和植物乳桿菌(L.plantarum),并通過人工接種兩種乳酸菌發(fā)酵蘿卜,提高了產品的質量。吳偉杰等[8]分離篩選一株具有優(yōu)良發(fā)酵性能的乳酸糞腸球菌WJ03,接種發(fā)酵蘿卜泡菜后縮短泡菜發(fā)酵周期,改善了泡菜風味。
本研究對江西贛州傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜酸芋荷中產酸乳酸菌進行分離純化及形態(tài)觀察、生理生化、分子生物學鑒定,旨在為傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜食品中的菌種多樣性提供依據(jù),為研究及改善傳統(tǒng)食品工業(yè)生產提供了原始數(shù)據(jù)及優(yōu)質的菌種來源。人工接種優(yōu)良乳酸菌發(fā)酵泡菜,為泡菜發(fā)酵工藝的優(yōu)化和工業(yè)化生產提供研究基礎。
1.1.1 材料
酸芋荷樣品:江西省贛州市寧都縣梅江鎮(zhèn)河東村采集的農家自制發(fā)酵食品。
1.1.2 培養(yǎng)基
MRS肉湯培養(yǎng)基、明膠液化培養(yǎng)基、接觸酶試驗培養(yǎng)基、H2S產生試驗培養(yǎng)基、硝酸鹽還原試驗培養(yǎng)基:國藥集團化學試劑有限公司;糖發(fā)酵培養(yǎng)基:上海晶純試劑有限公司。
MRS-碳酸鈣培養(yǎng)基:含1.5%碳酸鈣的MRS固體培養(yǎng)基。
1.1.3 化學試劑
氯化鈉、無水乙醇(均為分析純):天津歐博凱化工有限公司;牛膽鹽(生化試劑):美國Solarbio公司;脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)提取試劑盒:美國Invitrogen公司。
DHG-9070A電熱鼓風干燥箱、DHP-9162電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海一恒科學儀器有限公司;YXQ-LS-50SII立式壓力蒸汽滅菌鍋:上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;SW-CJ-2D型超凈工作臺:蘇州凈化設備有限公司;Microfuge 20高速離心機:美國貝克曼庫爾特公司;T100Thermal Cycler聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)儀、Power pac2000電泳儀、Universal Hood II凝膠成像儀:美國Bio-Rad公司。
1.3.1 乳酸菌的分離[9]
將各種樣品分別于MRS肉湯培養(yǎng)基中,37℃發(fā)酵24~48 h,在無菌條件下用無菌生理鹽水進行10倍稀釋,選取10-4、10-5、10-6、10-7稀釋度的稀釋液1 mL于無菌培養(yǎng)皿(每個稀釋梯度做3個平行)中,用MRS-碳酸鈣培養(yǎng)基澆注,待凝固后,37℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)48 h。挑取有明顯溶鈣圈的單菌落平板劃線,37℃培養(yǎng)48 h,并反復多次劃線、分離、純化。將得到的單菌落接種于MRS肉湯培養(yǎng)基中,37℃培養(yǎng)12 h,取1 mL培養(yǎng)液于4 500 r/min離心5 min,棄上清,菌體加入30%甘油重懸后-80℃保存,其余菌液用于后續(xù)實驗。
1.3.2 產酸菌株的篩選[10]
選取1.3.1溶鈣圈較大的菌株接種于MRS肉湯培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h,產酸量測定按照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》中的方法,用0.1 mol/L NaOH滴定,1%酚酞為指示劑。產酸量計算公式如下:
式中:c為氫氧化鈉標準滴定溶液濃度,mol/L;V1為樣品消耗氫氧化鈉溶液的體積,mL;V2為空白消耗氫氧化鈉溶液的體積,mL;m為樣品的質量,g。
1.3.3 產酸乳酸菌的形態(tài)觀察
觀察1.3.2中產酸能力較強的菌株單菌落的菌落色澤、形態(tài)、大小,并進行接觸酶試驗及革蘭氏染色、鏡檢。
1.3.4 乳酸菌耐酸能力測定[11]
1.3.2 中所述菌株的菌懸液5 000 r/min離心1~2 min,棄上清,用生理鹽水清洗菌體3次,pH 2.0的鹽酸重懸。酸處理2 h后分別用生理鹽水進行10倍梯度稀釋,并取適合稀釋度的稀釋液于無菌培養(yǎng)皿中,MRS培養(yǎng)基澆注平板,37℃培養(yǎng)48 h后,計菌落數(shù),計算乳酸菌的存活率。同時未經(jīng)酸處理的菌株作為對照。每個實驗重復3次,每株菌每次實驗做3個平行。乳酸菌耐酸存活率計算公式如下:
式中:N1為酸耐受2 h的活菌數(shù),CFU/mL;N0為酸耐受前的活菌數(shù),CFU/mL。
1.3.5 乳酸菌耐膽鹽能力測定[12]
1.3.2 中所述菌株的菌懸液5 000 r/min離心1~2 min,棄上清,生理鹽水清洗菌體3次后,0.3%膽鹽水重懸。處理2 h后進行10倍梯度稀釋,取適宜稀釋度的稀釋液于無菌培養(yǎng)皿中,MRS培養(yǎng)基澆注平板,37℃培養(yǎng)48 h后,計菌落數(shù),計算乳酸菌的存活率。同時未經(jīng)膽鹽處理的菌株作為對照。每個試驗重復3次,每株菌每次試驗做3個平行。乳酸菌耐膽鹽存活率計算公式如下:
式中:N1為膽鹽耐受2 h的活菌數(shù),CFU/mL;N0為膽鹽耐受前的活菌數(shù),CFU/mL。
1.3.6 乳酸菌耐鹽能力測定[11]
初篩:在無菌培養(yǎng)皿中倒入10 mL的MRS培養(yǎng)基,皿底斜放,凝固后,將培養(yǎng)皿放平,再在其上倒10 mL10%NaCl的MRS培養(yǎng)基,待凝固后,室溫靜置24 h,NaCl擴散平衡就制成耐鹽的濃度梯度平板。菌株在耐鹽濃度梯度平板上從NaCl濃度低到高的方向平行劃線,觀察菌株生長情況。
復篩:耐鹽初篩菌株的菌懸液以2%接種量(菌懸液濃度約為108CFU/mL)分別接種于不含NaCl及8%NaCl的MRS液體培養(yǎng)基中,37℃靜置培養(yǎng),每2 h測定培養(yǎng)液在波長600 nm處的吸光度值,根據(jù)吸光值繪制生長曲線。每個試驗重復3次,每株菌每次試驗做3個平行。
1.3.7 乳酸菌生理生化鑒定[9]
將試驗菌株進行明膠液化試驗、糖發(fā)酵試驗、吲哚產生試驗、硫化氫產生試驗、硝酸鹽還原試驗、乳酸菌生長溫度試驗、6%NaCl生長試驗,觀察試驗結果。
1.3.8 乳酸菌的16S rRNA基因序列分析[13]
乳酸菌基因組DNA的提?。喊凑誅NA提取試劑盒說明書提取。
乳酸菌16S rRNA基因序列的確定。PCR體系(25 μL):脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphate,dNTP)Mixture12.5μL,DNA模板1μL,正向引物(5'-AACTGAGTTTGATCCTGGCTC-3')、反向引物(5'-TACGGTTACCTTGTTACGACTT-3')各1 μL,無酶水9.5 μL。PCR反應程序:94℃預變性5 min;94℃變性30 s,42℃退火30 s,72℃延伸2 min,30個循環(huán);72℃終延伸10 min。擴增產物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,送至上海生物工程有限責任公司進行測序。
同源性分析:將測序得到的序列在美國國家生物技術信息中心(national center of biotechnology information,NCBI)網(wǎng)站上采用基本局部比對搜索工具(basic local alignmentsearch tool,BLAST)同源序列比對分析,從GenBank中得到參比標準菌株的16S rRNA基因序列,進行相關的同源性分析,最后運用MEGA7.0軟件構建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.3.9 泡菜發(fā)酵[14]
(1)泡菜制作工藝
將新鮮芋荷、豆角洗凈,晾干,切段,入壇,添加質量分數(shù)為6%的鹽水(蔬菜∶鹽水為1∶1)浸泡,添加乳酸菌(或不添加,自然發(fā)酵)。密封常溫放置發(fā)酵。
優(yōu)良乳酸菌接種于MRS液體培養(yǎng)基,37℃培養(yǎng)24 h后,5 000 r/min離心1~2 min,棄上清,生理鹽水清洗菌體,調整菌體濃度約為1×108CFU/mL,接菌量為3%。泡菜制作分為自然發(fā)酵組,人工接種A03c4組,人工接種A03d1組[15]。
(2)泡菜發(fā)酵過程中pH的測定
每24 h測定泡菜汁pH,使用標準緩沖液校準pH計后,浸入泡菜汁中,穩(wěn)定后讀數(shù),記錄pH值。
(3)感官評價
對3組泡菜進行感官評定。由20名專業(yè)人員組成評定小組,對發(fā)酵泡菜的色澤、氣味、質地、滋味進行評價,每一項滿分9分。感官評分標準見表1。
表1 泡菜感官評分標準Table 1 Sensory evaluation standards of pickles
從江西省贛州市寧都縣梅江鎮(zhèn)河東村采樣的發(fā)酵蔬菜酸芋荷中分離篩選得到103株產酸細菌,選取具有明顯溶鈣圈、菌落呈圓形凸起、濕潤且邊緣整齊的菌株進行產酸能力的測定。產酸類細菌在MRS-碳酸鈣培養(yǎng)基上產生溶鈣圈,溶鈣圈的直徑大小反映出菌株產酸能力的強弱。選取溶鈣圈直徑較大且產酸量較大的15株菌(見表2)進行后續(xù)實驗。
表2 產酸乳酸菌的篩選結果Table 2 Screening results for acid-producing lactic acid bacteria
15株菌形態(tài)學特征結果見表3。由表3可知,15株菌進行革蘭氏染色,結果均為革蘭氏陽性(G+)。鏡檢結果顯示,A02c2、A02d2、A02e1、A02e9、A02f3、A02f4、A03c4、A03c5、A03d1、A03d3共10株菌的菌體成桿狀,A02d5、A02e5、A02f1、A03c1、A03c3共5株菌的菌體呈短桿狀。各菌株的接觸酶(過氧化氫酶)試驗結果均為陰性。15株菌初步滿足乳酸菌的特征,為疑似乳酸菌。
表3 不同菌株形態(tài)學特征Table 3 Morphological characteristics of different strains
乳酸菌經(jīng)口進入胃腸道后,由于人體胃液中pH較低,一般介于1.5~2.0,只有少數(shù)能夠適應胃液的強酸環(huán)境。因此,乳酸菌要經(jīng)過胃液進入腸道發(fā)揮作用,必須對低pH有一定的耐受能力。不同菌株的酸耐受能力結果見表4。由表4可知,分離得到的15株菌在pH 2.0的環(huán)境中處理2 h后活菌數(shù)仍可以達到108CFU/mL以上,耐酸存活率均>96%,說明15株菌都具有良好的耐酸能力。
表4 不同菌株的酸耐受能力Table 4 Acid resistance of different strains
人體小腸膽鹽濃度通常為0.03%~0.30%,乳酸菌進入腸道,會受到小腸膽鹽的抑制,因此乳酸菌進入并且定植腸道,發(fā)揮益生作用,就必須能夠耐受0.3%膽鹽濃度。如表5所示,不同的乳酸菌對膽鹽的耐受力不同,其中菌株A02e1、A03d3膽鹽處理2 h后,平板內無菌落生長,而菌株A03c4、A03d1膽鹽處理2h后,膽鹽耐受能力最好,菌株A03c4活菌數(shù)達108CFU/mL,菌株A03d1活菌數(shù)達106CFU/mL。
表5 不同菌株的膽鹽耐受能力Table 5 Bile salt resistance of different strains
實驗菌株在NaCl濃度梯度平板上平行劃線進行耐鹽性能的初篩,培養(yǎng)48 h后發(fā)現(xiàn)15株菌均能在NaCl濃度梯度培養(yǎng)基表面生長,但是隨著NaCl濃度的升高,菌株生存能力逐漸降低,其中菌株A02e1、A02e9、A02f3、A02f4、A03c4、A03d1、A03d3在NaCl培養(yǎng)基濃度高的一側生長較好,選取這7株菌在不含有NaCl及含有8%NaCl的MRS培養(yǎng)基中生長,對其耐鹽能力進行復篩,結果見圖1。
如圖1a所示,初篩得到的7株菌株在不含NaCl的培養(yǎng)基中生長,其中菌株A03d3、A03d1、A02f3、A02e1、A02f4、A02e9的延滯期較短,培養(yǎng)2 h后進入對數(shù)期,培養(yǎng)12 h即進入穩(wěn)定期;而菌株A03c4延滯期較長,生長較為緩慢,培養(yǎng)14 h后進入穩(wěn)定期。
如圖1b所示,7株菌株在含有8%NaCl的MRS培養(yǎng)基中菌株生長時均受到不同程度的抑制。菌株A03c4延滯期最長,約10 h;菌株A02f3延滯期最短,培養(yǎng)3 h后進入對數(shù)期。菌株A03d1、A03d3、A02f4、A02e9和A02e1在含有8%NaCl的環(huán)境中生長時延滯期依次遞增。
圖1 在無鹽(a)及8%NaCl濃度(b)條件下各菌株的生長曲線Fig.1 Growth curves of the strains under the condition of without NaCl(a)and with 8%NaCl(b)
15株菌生理生化試驗結果如表6所示,結合《伯杰細菌鑒定手冊》[16]和《乳酸細菌分類鑒定及實驗方法》[9]。這15株菌初步滿足乳酸菌的特征,為疑似乳桿菌,其中菌株A02c2、A02e1、A02e9、A02f3、A02f4、A03c4、A03d1、A03d3的發(fā)酵特征與植物乳桿菌一致,可以發(fā)酵葡萄糖、麥芽糖、乳糖、半乳糖、海藻糖等大部分糖類,但是不能發(fā)酵鼠李糖,能在15℃條件下生長,45℃條件下不生長,因此初步鑒定這8株菌為植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)。菌株A02d2、A03c5具有乳桿菌屬的特征,且與干酪乳桿菌具有相似的糖發(fā)酵特征,可以發(fā)酵葡萄糖、乳糖、半乳糖等,不能發(fā)酵棉子糖、阿拉伯糖,因此初步鑒定這2株菌為干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)。菌株A02d5、A02e5、A02f1、A03c1、A03c3除了具有乳桿菌屬的特征外,還可以發(fā)酵麥芽糖、蔗糖、半乳糖、果糖、苦杏仁苷等多種糖類,但不能發(fā)酵纖維二糖、鼠李糖、甘露醇、山梨醇,根據(jù)其生理生化特征將這5株菌初步鑒定為短乳桿菌(Lactobacillus brevis)。
表6 15株菌生理生化試驗結果Table 6 Physiological and biochemical test results of 15 strains
續(xù)表
乳酸菌表型特征鑒定主要是通過乳酸菌的菌落形態(tài)特征和生理生化特征來鑒定,通常只能鑒定到屬[17]。KHALIL M I等[18]根據(jù)菌落形態(tài)和生理生化特性從鮮奶、巴氏殺菌奶、酸奶樣品中分離的13株乳酸菌中,鑒定出7株屬于乳桿菌屬,6株屬于乳酸桿菌屬。表型特征相似,并不代表基因型親源關系相近,必須利用基因型特征來進一步鑒定[19]。在16S rRNA基因序列比對中,對屬和種的界定為:屬于同一個屬的最低同源性為95%[20],當同源性>97%時,屬于同一個種[21],如尹雪等[22]運用16S rRNA基因序列和系統(tǒng)發(fā)育對從新疆傳統(tǒng)發(fā)面面肥中分離得到的3株乳酸菌進行種屬鑒定,鑒定出一株同源性為100%的類芽孢桿菌,兩株同源性為100%的芽孢桿菌。因此16S rRNA基因序列的測定與比對被廣泛用于細菌分類地位的確定。
各乳酸菌總DNA提取后,使用通用引物分別對其16S rRNA基因序列進行擴增,經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,擴增大小約為1 500 bp的產物送至上海生工生物工程股份有限公司進行測序。測序結果在NCBI網(wǎng)站進行BLAST同源序列的比對分析,并使用MEGA7.0軟件構建系統(tǒng)發(fā)育樹,結果見圖2。
圖2 基于16S rDNA基因15株菌的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of 15 strains based on 16S rDNA genes
由圖2可知,菌株A02d2、A03c5與Lactobacillus casei ATCC334(Genbank登陸號:KC429784)的同源性高達100%,這兩株菌被鑒定為干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)。菌株A02e1、A02e9、A03c4、A02c2、A03d1、A02f3、A02f4、A03d3與Lactobacillus plantarum ST-III(Genbank登陸號:FJ423546)的同源性分別為99.21%、99.71%、99.86%、99.86%、99.86%、99.93%、99.86%、100%,這8株菌被鑒定為植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)。菌株A02d5、A02f1、A02e5、A03c1、A03c3與Lactobacillus brevis ATCC 367(Genbank登陸號:NR_075024)的同源性高達100%,這5株菌被鑒定為短乳桿菌(Lactobacillus brevis)。
2.8.1 泡菜發(fā)酵過程中pH變化
乳酸菌發(fā)酵泡菜過程中產生乳酸,使得發(fā)酵蔬菜具有特殊的風味,并且不破壞蔬菜的品質。結合菌株產酸、耐酸、耐膽鹽、耐鹽能力結果,選取兩株優(yōu)良菌種A03d1、A03c4人工接種發(fā)酵泡菜。
泡菜發(fā)酵過程中pH值的變化結果見圖3。由圖3可知,3組發(fā)酵泡菜的初始pH值基本相同,均為6.40±0.03。無論是自然發(fā)酵還是人工接種乳酸菌發(fā)酵,發(fā)酵0~3 d的pH值下降較為明顯,3 d后pH值趨于平緩。生產過程中添加乳酸菌加速了泡菜的發(fā)酵,人工接種泡菜的兩組pH值明顯低于自然發(fā)酵組。人工接種乳酸菌組的pH值下降較快,相比自然發(fā)酵組,縮短了發(fā)酵泡菜達到泡菜所需pH值的發(fā)酵時間,提高了發(fā)酵泡菜的生產率。此外,由于菌株A03d1產酸能力較高,因此,接種菌株A03d1組發(fā)酵泡菜過程中的pH值下降所用時間短于接種菌株A03c4組。
圖3 泡菜發(fā)酵過程中p H變化Fig.3 Changes of pH value during pickles fermentation process
為了提高泡菜生產效率和降低生產成本,縮短發(fā)酵時間是非常重要的,乳酸菌發(fā)酵泡菜可快速增加發(fā)酵體系中乳酸菌數(shù)量,降低pH值,有效縮短泡菜發(fā)酵時間;產酸性能可以增加發(fā)酵過程中酸性環(huán)境,抑制其他細菌生長,提高泡菜生產的安全性。
2.8.2 發(fā)酵泡菜感官評價
3組發(fā)酵泡菜感官評分結果見表7。由表7可知,綜合色澤、氣味、質地、滋味評分,感官評分從高到低依次為人工接種A03d1發(fā)酵>人工接種A03c4發(fā)酵>自然發(fā)酵。自然發(fā)酵組色澤評分優(yōu)于其他兩組,但氣味、質地和滋味評分較低,證明了人工接種乳酸菌發(fā)酵泡菜可以提高泡菜的品質和風味。人工接種A03d1、A03c4評分有所差異,說明菌種不同發(fā)酵泡菜的品質也有所不同。
表7 發(fā)酵泡菜感官評分結果Table 7 Sensory evaluation results of fermented pickles
本研究篩選出的15株產酸菌經(jīng)形態(tài)、生理生化特征及16S rRNA分子生物學鑒定為8株植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、5株短乳桿菌(Lactobacillus brevis)和2株干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)。通過耐酸、耐膽鹽、耐滲透壓能力的測定,15株產酸菌的酸耐受和耐鹽能力較好,在pH 2.0的酸性環(huán)境中處理2 h后活菌數(shù)并沒有明顯的下降,且均能在含有6%NaCl的環(huán)境中生長。菌株A03c4、A03d1則具有較高的耐膽鹽能力,在0.3%膽鹽環(huán)境中處理2 h活菌數(shù)仍保持在106CFU/mL以上,確定為優(yōu)良菌株。人工接種乳酸菌A03c4、A03d1發(fā)酵泡菜,確定了人工接種乳酸菌在泡菜發(fā)酵中的作用,保證了泡菜品質。
乳酸菌在發(fā)酵食品的制備中應用愈加廣泛。優(yōu)良菌種的篩選,為食品發(fā)酵劑的開發(fā)提供基礎微生物資源。對傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的乳酸菌多樣性進行分析,從中篩選出具有生產價值的優(yōu)良菌株,為用于制備泡菜的乳酸菌提供借鑒,為傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的轉型和食品發(fā)酵劑的開發(fā)提供科學依據(jù)。