姚 燦,張 倩,3, 張 霞,3,,楊 濤,李國友,王愛軍,武志強(qiáng)
(1.中國科學(xué)院成都生物研究所,四川成都 610041;2.河北古順釀酒股份有限公司,河北邢臺 054000;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
我國白酒釀造歷史悠久,蒸餾酒的生產(chǎn)可追溯到西漢時期[1]。神曲酒是我國的歷史名酒,唐代邢州神曲酒更是十分有名。北魏賈思勰的《齊民要術(shù)》中記載了一種“神曲”,其特色在于藥曲,即在酒曲制作過程中加入野蓼、桑葉、荷葉等中藥材。據(jù)《齊民要術(shù)》記載,“神曲”相較普通曲而言,具有發(fā)酵力強(qiáng)、發(fā)酵周期稍短的特點(diǎn),即藥材中的活性成分會影響大曲微生物生態(tài),使得大曲中的功能微生物發(fā)生變化。此外,藥材中的香味物質(zhì)也可能會轉(zhuǎn)移到酒體中,形成具有獨(dú)特風(fēng)味并含有健康功能因子的白酒。
大曲,素有“酒之骨”之稱,蘊(yùn)含豐富的微生物資源和酶系,是白酒釀造的驅(qū)動力,具有糖化、發(fā)酵、生香、呈味的作用[2]。近年來,研究人員利用高通量測序技術(shù)針對白酒大曲樣品進(jìn)行了一系列微生物群落結(jié)構(gòu)的研究,發(fā)現(xiàn)微生物的群落結(jié)構(gòu)分布與大曲品質(zhì)密切相關(guān)[3]。夏玙等[4]結(jié)合實(shí)時熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和二代測序技術(shù),研究了熱風(fēng)干燥工藝對貯存期大曲中真菌群落的影響。趙金松等[5]采用非可培養(yǎng)技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計方法對大曲中的微生物群落和風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性分析。徐占成等[6]運(yùn)用宏基因組學(xué)技術(shù)對劍南春大曲真菌群落組成進(jìn)行了深入研究。
為研究“神曲”與普通中高溫大曲之間微生物群落組成的差異,本試驗(yàn)以河北古順釀酒股份有限公司生產(chǎn)的普通中高溫大曲、“神曲”普通曲和“神曲”荷葉曲為研究對象,利用高通量測序技術(shù)對3類古順大曲進(jìn)行深入分析,為“神曲”運(yùn)用于白酒生產(chǎn)提供一定理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。
普通中高溫大曲、“神曲”普通曲(加入野蓼、桑葉2 種中藥材)和“神曲”荷葉曲(加入野蓼、桑葉、荷葉3 種中藥材)(皆由河北古順釀酒股份有限公司提供),DNA 提取試劑盒(ZymoBIOMICS DNA Miniprep Kit 1.3.0)和其他分子實(shí)驗(yàn)材料(由成都羅寧生物科技有限公司提供)。
1.2.1 樣本DNA提取
采用ZymoBIOMICS DNA Miniprep Kit 1.3.0對樣本的基因組DNA 進(jìn)行抽提后,利用瓊脂糖凝膠電泳對DNA純度進(jìn)行檢測,保存于-20 ℃冰箱。
1.2.2 PCR擴(kuò)增
按指定測序區(qū)域,合成帶有Barcode 的特異引物分別對樣本的16S rDNA V4 區(qū)和ITS 2 區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增。
引物序列如下:
515F(5'-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3');
806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3');
ITS3 KYO2(5'-GATGAAGAACGYAGYRAA-3');
ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3');
PCR反應(yīng)體系見參考文獻(xiàn)[7]。
1.2.3 PCR產(chǎn)物定量
將樣本的PCR 產(chǎn)物進(jìn)行1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,使用膠回收試劑盒切膠回收PCR 產(chǎn)物,TE 緩沖液洗脫回收目標(biāo)DNA 片段。參照電泳檢測結(jié)果,將PCR 回收產(chǎn)物用Qubit 2.0(ThermoFisher 公司)進(jìn)行檢測定量,之后按照每個樣本的測序量要求,進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。
1.2.4 文庫構(gòu)建與測序
使用試劑盒TruSeq DNA PCR-Free Sample Prep Kit 進(jìn)行文庫構(gòu)建;采用PE250 測序方式,使用Hiseq Rapid SBS Kit v2 作為測序試劑盒、上機(jī)測序。
原始數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接、過濾得到可供后續(xù)分析的高質(zhì)量目標(biāo)序列。在97%相似性水平上進(jìn)行OTU(Operational Taxonomic Units)聚類并挑選出OTU的代表性序列,使用SILVA 數(shù)據(jù)庫確定物種分類信息,獲得細(xì)菌或真菌從門到屬水平下的種類及相對豐度。
2.1.1 細(xì)菌門水平群落組成圖(圖1)
圖1 表明,在3 類大曲(普通曲(PT)、“神曲”普通曲(SP)、“神曲”荷葉曲(SH))中,厚壁菌門(Firmicutes)與放線菌門(Actinobacteria)相對豐度總和均超過98.5%,細(xì)菌中厚壁菌門占絕對優(yōu)勢,相對豐度皆超過97.1%。表明3 類大曲的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上相似。
2.1.2 細(xì)菌屬水平群落組成圖(圖2)
從屬水平分類上,不同大曲中微生物的種類分析結(jié)果見圖2。3 類大曲中,魏斯氏菌屬(Weissella)、乳桿菌屬(Lactobacillus)和片球菌屬(Pediococcus)3 類微生物的相對豐度總和達(dá)到89.8%。魏斯氏菌屬和乳桿菌屬是3 類大曲中的優(yōu)勢物種,二者相對豐度總和超過83.4%。說明3 類古順大曲中的細(xì)菌皆以乳酸菌為主要微生物。除上述3類微生物之外,腸球菌屬(Enterococcus)、毛螺菌屬(Lachnospiraceae)、高溫放線菌屬(Thermoactinomyces)、鏈球菌屬(Streptococcus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、腎桿菌屬(Renibacterium)、糖多孢菌屬(Saccharopolyspora)等相對豐度較低的微生物在3類大曲中也被檢測到。
2.2.1 真菌門水平群落組成圖(圖3)
基于真菌ITS 基因聚類分析,3 類大曲在門水平上的結(jié)果見圖3。結(jié)果表明,子囊菌門(Ascomycota)與毛霉亞門(Mucoromycota)2類微生物是3類大曲中的優(yōu)勢微生物,二者相對豐度總和超過99.3%,其中子囊菌門占絕對優(yōu)勢,其相對豐度高達(dá)94.4%,在SH 中達(dá)到了96.3%;毛霉亞門的相對豐度則介于3.0%~4.9%之間。
2.2.2 真菌屬水平群落組成圖(圖4)
在屬水平上,3 類大曲的主要微生物結(jié)構(gòu)分布如圖4 所示。結(jié)果表明,熱子囊菌屬(Thermoascus)和曲霉屬(Aspergillus)是PT、SP 和SH 中的優(yōu)勢真菌,其相對豐度總和分別占比93.3%、84.9%、56.4%;在3類大曲樣品中,熱子囊菌屬的相對豐度范圍為30.8%~74.2%,SP 與SH 接近(30.8%、33.7%),最大值出現(xiàn)于PT樣品(74.2%);曲霉屬的相對豐度范圍為19.1%~54.1%,PT 與SH 相接近(19.1%、22.7%),最大值出現(xiàn)在SP 樣品(54.1%)。根毛霉菌屬(Rhizomucor)在所有樣品中的相對豐度差異較?。ū3衷?.5%左右)。根據(jù)方差分析(ANOVA)結(jié)果,嗜熱真菌屬(Thermomyces)在3 類大曲中有顯著差異(p<0.05),其在SH 樣品的相對豐度達(dá)到36.7%,而在PT 樣品中僅為0.3%,說明嗜熱真菌屬是SH樣品中的主要真菌群類。
大曲是白酒釀造的糖化發(fā)酵菌劑,是決定白酒出酒率及口感風(fēng)味的關(guān)鍵所在,而大曲微生物又是決定大曲品質(zhì)的核心因素之一[8-9]。本研究利用高通量測序技術(shù)對古順3 類大曲的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明,3 類大曲中的細(xì)菌主要為厚壁菌門,并以乳酸菌群為優(yōu)勢菌,“神曲”中的原核微生物的物種多樣性及相對豐度與普通曲無顯著差異;真菌則以子囊菌門為主,其中熱子囊菌屬和曲霉屬是3 類大曲中共有的優(yōu)勢真菌,方差分析結(jié)果表明,嗜熱真菌屬在“神曲荷葉曲”中是主要真菌群類。譚崇堯等[10]對不同地域濃香型大曲微生物的分析結(jié)果中表明,長江中游和江淮地區(qū)的大曲中真菌主要為曲霉屬,北方派有酵母和嗜熱高溫菌(熱子囊菌屬和嗜熱真菌屬)為主要優(yōu)勢菌的差異。由此可見,在真菌群落結(jié)構(gòu)方面,古順普通曲與以嗜熱高溫菌為優(yōu)勢菌的北方派相似;“神曲普通曲”則接近于以曲霉屬為主的長江中游和江淮地區(qū);而“神曲荷葉曲”(以熱子囊菌屬、曲霉屬和嗜熱真菌屬為主要真菌群類)則更接近于以嗜熱高溫菌為主要優(yōu)勢菌的北方派。