李 斌,陳亞楠,孫 旭,程 爽
(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院 食品與生物工程學院(酒業(yè)學院),河南 鄭州 450046;2.湖北工業(yè)大學生物工程與食品學院,湖北 武漢 430068;3.河南省工業(yè)微生物資源與發(fā)酵技術重點實驗室,河南 南陽 473004)
黃酒含有氨基酸、低聚糖和微量元素等,營養(yǎng)豐富,是中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品的典型代表之一[1-2],其產(chǎn)地較廣,品種較多,包括紹興黃酒[3-4]、房縣黃酒[5-6]、廣東客家黃酒[7-8]等。黃酒中復雜的風味成分與傳統(tǒng)釀造過程中各種微生物的代謝密切相關,其中微生物主要來源于酒曲,酒曲品質(zhì)對酒的產(chǎn)率和品質(zhì)影響極大,故有“曲是酒之骨”之稱[9]。隨著“健康中國2030”規(guī)劃綱要的實施,作為傳統(tǒng)養(yǎng)生食品的黃酒產(chǎn)業(yè)將迎來極好的機遇[10]。
紅谷黃酒,作為河南南陽的特色黃酒,以紅酒谷作為原料,酒曲作為發(fā)酵劑,經(jīng)多種微生物發(fā)酵釀造而成。南陽紅酒谷,又稱紅谷、紅小米,谷粒琥珀色,是河南省南陽市瀕臨滅絕的特產(chǎn)農(nóng)作物,其蛋白質(zhì)與脂肪含量均高于糯米,富含多種維生素和營養(yǎng)物質(zhì),適合不同人群食用,屬于營養(yǎng)滋補佳品[11]。紅谷黃酒釀造過程中采用的酒曲主要有紅曲、大曲、小曲三種,因其黃酒顏色晶瑩透亮,口感綿甜醇香,備受南陽黃酒企業(yè)的推崇。2019年南陽因為紅谷黃酒的發(fā)展,被評為世界美酒特色產(chǎn)區(qū),中國九大黃酒產(chǎn)區(qū)之一[12]。目前,關于紅谷酒曲微生物多樣性研究的相關報道較少,嚴重制約了我省紅谷黃酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
高通量測序技術為認識黃酒釀造微生物多樣性提供了有利手段[13-14]。本研究采用Illumina MiSeq高通量測序技術對南陽紅谷黃酒釀造用曲(紅曲、大曲、小曲)中的微生物多樣性進行分析,以期解析紅谷黃酒中特殊風味感官特征產(chǎn)生的原因,并為后續(xù)對紅谷黃酒的研究與開發(fā)提供理論依據(jù),推動黃酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1.1.1 原料紅曲(A):河南潤之酒業(yè)有限公司;大曲(B)與小曲(C):鄧州市光照酒業(yè)有限公司。
1.1.2 試劑
Taq脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)聚合酶(5 U/μL):美國Thermo公司;E.Z.N.A.Soil DNA提取試劑盒:美國OMEGA公司;SanPrep柱式DNA膠回收試劑盒:生工生物工程(上海)股份有限公司;Qubit2.0 DNA檢測試劑盒:美國Life公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
Mastercycler聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)儀:德國Eppendorf公司;Pico-21臺式離心機:美國Thermo Fisher公司;GL-88B漩渦混合器:其林貝爾儀器制造有限公司;TND03-H-H混勻型干式恒溫器:拓能達科技有限公司;DYY-6C型電泳儀:北京六一儀器廠;GelDoc-ItTS3凝膠成像系統(tǒng):美國UVP公司;Illumina Miseq2500測序儀:美國Illumina公司。
1.3.1 DNA的提取
酒曲中微生物總DNA的提取按照DNA提取試劑盒說明書中的方法和步驟進行。將提取的DNA置于-20 ℃冰箱中保存待用。
1.3.2 聚合酶鏈式反應及測序
采用引物338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')對細菌的16S rDNA的V3-V4區(qū)域基因序列進行PCR擴增[15]。采用引物ITS1(5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3')和ITS2-Rev(5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3')對真菌的ITS基因序列進行PCR擴增[16]。
PCR擴增體系:10×PCR buffer 5 μL,脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphate,dNTP)0.1 mmol/L,DNA 10 ng,正向及反向引物各0.5 μmol/L,TaqDNA聚合酶0.05 U,用雙蒸水(ddH2O)補充至50 μL。
PCR擴增條件:94 ℃預變性3 min;94 ℃變性30 s,45 ℃退火20 s,65 ℃延伸30 s,共計5個循環(huán);然后進行94 ℃變性20 s,45 ℃退火20 s,65 ℃延伸30 s,共計20個循環(huán);最后72 ℃延伸5 min。
采用瓊脂糖凝膠電泳對PCR擴增產(chǎn)物進行檢測,利用SanPrep柱式DNA膠回收試劑盒對DNA回收。利用Qubit 2.0 DNA檢測試劑盒對回收的DNA進行精確定量,依托生工生物工程(上海)股份有限公司進行Illumina MiSeq高通量測序。
1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析
測序獲取原始序列,將雙末端序列融合成為一個方向的序列并進行質(zhì)量控制(quality control,QC)[15]。采用1.2.3 Flash軟件融合雙末端序列,通過各樣品的barcode使數(shù)據(jù)回歸樣品,并對各樣品序列做質(zhì)量控制。采用V0.20.4 Prinseq軟件對序列閱讀框的3'端進行質(zhì)控,截掉堿基質(zhì)量值<20的數(shù)據(jù),提高后續(xù)序列融合比率;通過1.2.3 Flash軟件融合雙末端序列,使其形成一條序列;采用Prinseq V0.20.4軟件去除各樣品的引物序列、堿基長度<200 bp的序列、低復雜度序列和低質(zhì)量序列;去除非靶區(qū)域序列及嵌合體,首先采用Mothur軟件(1.30.1)的Pre.cluster模塊校正測序錯誤,校正過程當中允許的最大錯配為1/150。其次,采用軟件Mothur內(nèi)的Uchime功能模塊,以Silva數(shù)據(jù)庫中的序列作為模板,去除嵌合體及非靶區(qū)域序列。使用Usearch軟件,對前述得到的優(yōu)化序列按97%的相似度進行操作分類單元(operational taxonomic units,OTU)劃分,計算樣品中微生物Alpha多樣性指數(shù),構(gòu)建香農(nóng)指數(shù)曲線,并統(tǒng)計分析細菌和真菌群落信息。
2.1.1 序列的拼接
采用Illumina Miseq測序平臺得到A、B、C樣本對應的細菌原始序列分別為50 431條、64 293條、48 952條,其平均堿基長度分別為466.44 bp、466.54 bp、462.65 bp;經(jīng)拼接、過濾,分別得到有效序列48 758條、62 575條、47 403條,其平均堿基長度分別為427.70 bp、427.38 bp、423.17 bp。
2.1.2 基于操作分類單元不同酒曲樣品的聚類分析
基于OTU對3種紅谷黃酒酒曲樣本的細菌菌群進行聚類分析,繪制OTU在不同酒曲樣本中分布的韋恩圖[17],結(jié)果見圖1。
圖1 不同酒曲樣品中細菌菌群OTU分布韋恩圖Fig.1 Venn diagram of OTU distribution of bacterial community in different Jiuqu samples
由圖1可知,紅曲A、大曲B、小曲C樣本中OTU數(shù)目分別為57個、364個、228個;A、B、C樣本特有的OTU數(shù)目分別為19個、262個、137個;A與B樣本共有的OTU數(shù)目為36個,A與C樣本共有的OTU數(shù)目為25個,B與C樣本共有的OTU數(shù)目為89個,A、B、C樣本共有的OTU數(shù)目為23個。結(jié)果表明,大曲與小曲之間細菌菌群相似性較高,大曲和紅曲間細菌菌群相似度較低。
2.1.3 Alpha多樣性分析
香農(nóng)(Shannon)指數(shù)、ACE指數(shù)、超1(Chaol)指數(shù)和辛普森(Simpson)指數(shù)是常用于描述微生物群落物種多樣性的Alpha多樣性指數(shù),這4個多樣性指數(shù)可以對群落物種組成的豐富度進行綜合性的評價[18-19]。Chao1指數(shù)(或ACE指數(shù))越大,表明群落的物種豐富度越高;Shannon指數(shù)越大,表明群落中物種多樣性越高;Simpson指數(shù)越大,表明群落中物種多樣性越低;覆蓋率越大,表明樣本中序列沒有被測出的概率越低,若覆蓋率>97%,則證明本次取樣是合理的[20]。紅谷黃酒不同酒曲中細菌菌群的Alpha多樣性指數(shù)分析結(jié)果見表1。
表1 不同酒曲樣品中細菌菌群的Alpha多樣性指數(shù)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of Alpha diversity indexes of bacterial community in different Jiuqu samples
由表1可知,紅曲A樣本的Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)均最小,Simpson指數(shù)最大,證明其物種豐富度、多樣性最低;大曲B樣本的Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)最大,Simpson指數(shù)最小,表明大曲B物種豐富度、多樣性最高;小曲C樣本的細菌群落物種的豐富度和多樣性則處于紅曲A與大曲B之間。3個樣品的覆蓋率均>99%,說明測序結(jié)果能反映樣品的真實情況。
為了比較樣本的測序數(shù)據(jù)量不同時物種豐富度(香農(nóng)指數(shù))的大小和判斷樣本的測序數(shù)據(jù)量的合理性,以抽取的序列數(shù)目為橫坐標,香農(nóng)指數(shù)為縱坐標繪制稀疏性曲線[15],結(jié)果見圖2。由圖2可知,3個樣品細菌菌群豐富度的大小為B>C>A,且隨著抽取的序列數(shù)目的增加,香農(nóng)指數(shù)基本穩(wěn)定不變,曲線趨向平坦,說明測序數(shù)據(jù)量漸進合理。
圖2 不同酒曲樣品細菌菌群的香農(nóng)指數(shù)曲線Fig.2 Shannon index curves of bacterial community in different Jiuqu samples
2.1.4 菌群結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)物種分類學分析結(jié)果,統(tǒng)計各樣本細菌菌群在不同層級上的物種數(shù)量,結(jié)果見表2。
表2 不同酒曲樣品細菌菌群在不同層級上物種數(shù)量的分析統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Analysis and statistical results of the number of species in different levels of bacterial community of different Jiuqu samples
由表2可知,紅曲A樣品在不同層級上的物種數(shù)量最少,小曲C樣品次之,大曲B樣品最多,即大曲中的細菌菌群結(jié)構(gòu)最復雜,紅曲中的細菌菌群結(jié)構(gòu)最簡單。在屬水平上,基于高通量測序技術對紅谷黃酒酒曲的細菌種類和相對豐度進行分析,根據(jù)相對豐度將樣本中菌屬分為優(yōu)勢菌屬(相對豐度≥1.0%)和次要菌屬(相對豐度<1.0%),且將次要菌屬歸類于其他(Others),其結(jié)果見表3。
表3 不同酒曲樣品中細菌菌屬及相對豐度分析結(jié)果Table 3 Analysis results of bacterial genus and relative abundance in different Jiuqu samples
由表3可知,紅曲A樣品中有優(yōu)勢細菌屬4個,分別是Burkholderia、Acetobacter、Bacillus、Lactobacillus,相對豐度分別為92.10%、3.70%、2.20%、1.40%;小曲C樣品中有優(yōu)勢細菌屬6個,分別為Weissella、Lactococcus、Pseudomonas、Leuconostoc、Pediococcus、Hydrogenophaga,其中Weissella相對豐度最高,為41.1%;大曲B樣品中有優(yōu)勢細菌屬10個,分別為Kroppenstedtia、Bacillus、Weissella、Staphylococcus、Lactobacillus、Kosakonia、Pseudomonas、Hydrogenophaga、Salmonella、Pediococcus,其中Kroppenstedtia、Bacillus、Weissella、Staphylococcus相對豐度較高,分別為20.5%、20.3%、15.0%、10.2%。陳慧穎等[21]對濃香型白酒酒醅中微生物多樣性研究發(fā)現(xiàn),Kroppenstedtia為樣品中的優(yōu)勢菌屬;沈毅等[22]研究發(fā)現(xiàn),Kroppenstedtia是醬香型郎酒高溫大曲中的優(yōu)勢菌屬;杜丹等[23]研究發(fā)現(xiàn),Kroppenstedtia是謝村黃酒酒曲的優(yōu)勢菌屬(相對豐度為41.6%);劉蕓雅等[24]研究發(fā)現(xiàn),紹興黃酒麥曲中的主要優(yōu)勢細菌屬為Bacillus、Lactobacillus、Lactococcus等。Bacillus是大多數(shù)酒曲中的優(yōu)勢菌屬,可能由于其耐高溫的特點[25]。上述優(yōu)勢細菌屬與本研究的細菌屬有部分重合。
使用核糖體數(shù)據(jù)庫項目(ribosomal database project,RDP)classifier[26]方法得到各個層級上每個OTU對應的物種分類信息,基于屬水平,通過物種豐度熱圖對各樣本的細菌群落結(jié)構(gòu)組分及樣本間細菌群落結(jié)構(gòu)組分的差異進行研究,結(jié)果見圖3。圖中顯示平均相對豐度最高的前50種物種分類信息,剩余的物種分類合并成Other。
圖3 基于屬水平紅谷黃酒酒曲樣品細菌菌群相對豐度分析熱圖Fig.3 Heat map of relative abundance of bacterial community in red-millet Huangjiu Jiuqu based on genus level
由圖3可知,大曲B樣品與小曲C樣品距離較近,細菌菌群分布較相似。紅曲A樣品與大曲B樣品、小曲C樣品相比,差異細菌屬主要是伯克霍爾德菌(Burkholderia);大曲B樣品與紅曲A樣品、小曲C樣品相比,差異細菌屬主要是棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、克呂沃爾菌屬(Kluyvera)、糖多孢菌屬(Saccharopolyspora)、大洋芽胞桿菌屬(Oceanobacillus)、Kroppenstedtia、科薩克氏菌屬(Kosakonia);小曲C樣品與紅曲A樣品、大曲B樣品相比,差異細菌屬主要是微小桿菌屬(Exiguobacterium)、巨球菌屬(Macrococcus)、泛菌屬(Pantoea)。大曲B樣品中優(yōu)勢細菌種類最多,其次是小曲C樣品,紅曲A樣品中優(yōu)勢細菌種類最少。未檢測出酒曲樣品中細菌菌群在種水平上的分類,可能是因為16SrDNA有很高的保守性,對親緣關系較近的物種種屬不容易分辨。
2.2.1 序列的拼接
采用Illumina Miseq測序平臺得到A、B、C樣本對應的真菌原始序列分別為57 458條、59 007條、58 267條,其平均堿基長度分別為274.84 bp、287.03 bp、195.57 bp;經(jīng)拼接、過濾,分別得到有效序列57 342條、58 976條、58 039條,其平均堿基長度分別為230.47 bp、244.22 bp、152.84 bp。
2.2.2 基于操作分類單元不同酒曲樣品的聚類分析
基于OTU對3種紅谷黃酒酒曲樣本的真菌進行聚類分析,OTU在不同酒曲樣本中分布的韋恩圖見圖4。
圖4 不同酒曲樣品中真菌菌群OTU分布韋恩圖Fig.4 Venn diagram of OTU distribution of fungal community in different Jiuqu samples
由圖4可知,紅曲A、大曲B、小曲C樣本中OTU數(shù)目分別為37個、218個、126個;A、B、C樣本特有的OTU數(shù)目分別為25個、180個、87個;A與B樣本共有的OTU數(shù)目為9個、A與C樣本共有的OTU數(shù)目為10個、B與C樣本共有的OTU數(shù)目為36個、A、B、C樣本共有的OTU數(shù)目為7個。結(jié)果表明,大曲與小曲之間真菌菌群相似性較高。
2.2.3 Alpha多樣性分析
紅谷黃酒不同酒曲中真菌菌群的Alpha多樣性指數(shù)分析結(jié)果見表4。
表4 不同酒曲樣品中真菌菌群的Alpha多樣性指數(shù)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of Alpha diversity indexes of fungal community in different Jiuqu samples
由表4可知,大曲B樣本的Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)最大,Simpson指數(shù)最小,證明其群落物種豐富度、多樣性最高;紅曲A樣本的Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)最小,Simpson指數(shù)最大,表明紅曲A樣本物種豐富度、多樣性最低;小曲C樣本的真菌群落物種多樣性和豐富度則處于A樣本與B樣本之間。3個樣本的覆蓋率均>99%,說明測序結(jié)果能反映樣本的真實情況。
不同酒曲樣品真菌菌群的香農(nóng)指數(shù)曲線見圖5。由圖5可知,3個樣本真菌菌群豐富度的大小為B>C>A,且隨著抽取的序列數(shù)目的增加,香農(nóng)指數(shù)基本穩(wěn)定不變,曲線趨向平坦,說明測序數(shù)據(jù)量漸進合理。
圖5 不同酒曲樣品真菌菌群的香農(nóng)指數(shù)曲線Fig.5 Shannon index curves of fungal community in different Jiuqu samples
2.2.4 菌群結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)物種分類學分析結(jié)果,統(tǒng)計各樣本真菌菌群在不同層級上的物種數(shù)量,結(jié)果見表5。
由表5可知,紅曲A樣品在不同層級上的物種數(shù)量最少,小曲C樣品次之,大曲B樣品最多,即大曲B樣品中的真菌菌群結(jié)構(gòu)最復雜,紅曲A樣品中的真菌菌群結(jié)構(gòu)最簡單。基于種水平對紅谷黃酒酒曲的真菌種類和相對豐度進行分析,根據(jù)相對豐度將樣本中菌屬分為優(yōu)勢菌屬(相對豐度≥1.0%)和次要菌屬(相對豐度<1.0%),且將次要菌屬歸類于其他(Others),其結(jié)果見表6。
表5 不同酒曲樣品真菌菌群在不同層級上物種數(shù)量的分析統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Analysis and statistical results of the number of species in different levels of fungal community of different Jiuqu samples
表6 不同酒曲樣品中真菌菌種及相對豐度分析結(jié)果Table 6 Analysis results of fungal genus and relative abundance in different Jiuqu samples
由表6可知,紅曲A樣品中有優(yōu)勢真菌種2個,分別為Monascus purpureus、Aspergillus niger;小曲C樣品中有優(yōu)勢真菌種6個,分別為Rhizopus arhizus、Candida tropicalis、Wickerhamomyces anomalus、Aspergillus flavus、Penicillium citrinum、Mucor indicus,其中Rhizopus arhizus所占比例最大,為4.93%;大曲B樣品中有優(yōu)勢真菌種8個,其中Thermoascus aurantiacus、Aspergillus flavus所占比例較大,相對豐度分別為36.81%、25.25%,其余依次為Thermomyceslanuginosus、Xeromycesbisporus、Rhizomucorpusillus、Rasamsonia composticola、Candida tropicalis、Aspergillus cibarius。杜貞娜等[27]研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)紹興黃酒釀造過程中,子囊菌門(Ascomycota)占有絕對優(yōu)勢;陳亮亮等[28]從浙江古越龍山紹興酒股份有限公司麥曲中篩選出一株Aspergillus niger與米曲霉蘇-16混合制曲,混合熟曲的發(fā)酵性能優(yōu)于單一菌種熟曲的發(fā)酵性能。紅曲霉是一種藥食兩用絲狀真菌,可以代謝多種酶類并能促進底物分解[29-30]。解文利等[31]利用紫紅曲霉與銀杏葉進行雙向發(fā)酵可以提高銀杏葉藥汁總黃酮含量,并促進紫紅曲霉生物量的生長。本研究發(fā)現(xiàn)在紅谷黃酒酒曲中也存在上述幾種霉菌。在黃酒釀造過程中,酒曲中含有的霉菌,例如毛霉、根霉、米曲霉以及少量的黑曲霉和青霉,這些真菌會產(chǎn)生大量的酶促使淀粉轉(zhuǎn)化為糖,經(jīng)過漫長的發(fā)酵過程后,這些糖類會部分殘留下來,殘留下來的糖主要是葡萄糖,還有少量的麥芽糖和糊精,它們共同賦予了酒體甜味和粘稠感[32]。
通過物種豐度熱圖對各樣本的真菌群落結(jié)構(gòu)及樣本間真菌群落結(jié)構(gòu)的差異進行研究,結(jié)果見圖6。圖6中顯示平均相對豐度最高的前50種物種分類信息,剩余的物種分類合并成Other。
圖6 基于種水平紅谷黃酒酒曲樣品真菌菌群相對豐度分析熱圖Fig.6 Heat map of relative abundance of fungal community in red-millet Huangjiu Jiuqu based on species level
由圖6可知,大曲B樣品與小曲C樣品的真菌菌群分布較相似。紅曲A樣品與大曲B樣品、小曲C樣品相比,差異真菌種主要是Monascus purpureus;大曲B樣品與紅曲A樣品、小曲C樣品相比,差異真菌種主要是Thermoascus aurantiacus、Thermomyces lanuginosus、Xeromyces bisporus、Rhizomucor pusillus、Rasamsonia composticola、Aspergillus cibarius、Thermomyces dupontii、Thermoascus crustaceus;小曲C樣品與紅曲A樣品、大曲B樣品樣品相比,差異真菌種主要是Rhizopus arrhizus、Wickerhamomyces anomalus、Mucor indicus、Penicillium citrinum。大曲B樣品中優(yōu)勢真菌種類最多,其次是小曲C樣品,紅曲A樣品中優(yōu)勢真菌種類最少。3種酒曲真菌菌群中相對豐度差異較大,主要集中在子囊菌和霉菌,這可能是因為環(huán)境因子、制曲工藝以及原材料等對3種釀造用曲菌落結(jié)構(gòu)差異的影響。
綜上,3種酒曲樣品的細菌菌群結(jié)構(gòu)在各分類水平的數(shù)量分布均高于真菌菌群,進一步說明紅谷黃酒酒曲中細菌菌群的多樣性高于真菌菌群。
利用Illumina MiSeq高通量測序技術對紅谷黃酒酒曲(紅曲、大曲、小曲)中的微生物多樣性進行分析發(fā)現(xiàn),大曲的微生物菌群物種多樣性最高,紅曲的最低,且兩者間的微生物群落結(jié)構(gòu)差異最大。紅曲中優(yōu)勢細菌屬為伯克霍爾德氏菌屬(Burkholderia)、醋酸桿菌屬(Acetobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)等,優(yōu)勢真菌種為紫紅曲霉(Monascus purpureus)、黑曲霉(Aspergillus niger)等;大曲中優(yōu)勢細菌屬為克羅彭斯特菌屬(Kroppenstedtia)、芽孢桿菌屬、魏斯氏菌屬(Weissella)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)等,優(yōu)勢真菌種為嗜熱子囊菌(Thermoascus aurantiacus)、黃曲霉(Aspergillus flavus)、疏綿狀嗜熱絲孢菌(Thermomyces lanuginosus)等;小曲中優(yōu)勢細菌屬為魏斯氏菌屬、乳球菌屬(Lactococcus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等,優(yōu)勢真菌種為少根根霉菌(Rhizopus arhizus)、熱帶假絲酵母(Candida tropicalis)、異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)等。該研究成果為進一步研究優(yōu)化黃酒制曲工藝、提高酒曲質(zhì)量指明了方向,具有重要的理論和實踐意義。