周佳慧,林禮釗,吳惠貞,林偉鋒*
(1.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 510640;2.鶴山市東古調(diào)味食品有限公司,廣東 江門 529738)
醬油是以蛋白質(zhì)原料和淀粉質(zhì)原料為主,經(jīng)米曲霉等多種微生物共同發(fā)酵釀制而成的調(diào)味品[1],具有獨(dú)特的風(fēng)味、色澤和豐富的營養(yǎng)價(jià)值[2]。傳統(tǒng)上,醬油采用開放式的釀造工藝[3],是一個(gè)天然混合發(fā)酵的過程,曲霉、乳酸菌、酵母等外界微生物由于空氣流動(dòng)被帶入到曲料生產(chǎn)的環(huán)節(jié)中,然后在發(fā)酵階段加入一定量的鹽水進(jìn)行長時(shí)間的曬制,發(fā)酵周期長且醬油質(zhì)量受環(huán)境影響大。由于天然微生物制曲法生產(chǎn)的醬油難以進(jìn)行工廠的大規(guī)模生產(chǎn)來滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求,現(xiàn)代的醬油生產(chǎn)往往采用米曲霉純種制曲法,發(fā)酵工藝也從完全開放式曬池發(fā)酵轉(zhuǎn)換為密封性較佳的罐式發(fā)酵。醬油生產(chǎn)技術(shù)上的改良雖然能夠大幅度地縮短醬油的發(fā)酵時(shí)長,使生產(chǎn)過程更可控,提高醬油的穩(wěn)定性,但是也為醬油發(fā)酵帶來了弊端,純種制曲和封閉發(fā)酵方式這種過于單一的微生物體系,不能給醬油帶來足夠豐富的風(fēng)味。
半開放池式發(fā)酵結(jié)合了傳統(tǒng)及現(xiàn)代發(fā)酵工藝的特點(diǎn),在開放式曬池的基礎(chǔ)上設(shè)置了有一定高度的玻璃頂棚,保證充足日曬的同時(shí),又防止了雨水等污染物進(jìn)入曬池,降低外界環(huán)境對其中發(fā)酵微生物的影響。半開放式的曬池也為部分有利于醬油發(fā)酵的微生物的進(jìn)入提供了機(jī)會(huì),能夠豐富醬油的微生物發(fā)酵體系[4]。醬油發(fā)酵是多種微生物共同作用的過程,曲霉[5-6]能夠分解淀粉和蛋白質(zhì),生成還原糖、氨基酸等物質(zhì);乳酸菌[7]能在發(fā)酵前期產(chǎn)生乳酸等酸類物質(zhì),降低發(fā)酵體系的pH,進(jìn)一步為酵母[8-9]發(fā)揮作用提供條件,兩者產(chǎn)生的醇類、酯類等物質(zhì)為醬油貢獻(xiàn)了獨(dú)特的香氣[10]和風(fēng)味[11]。本研究擬從半開放池式發(fā)酵的高鹽稀態(tài)醬醪中分離純化微生物,探究其酶系組成及特點(diǎn),并從中篩選具有應(yīng)用潛力的優(yōu)質(zhì)菌種,為醬油的多種菌株混合制曲[12-13]或在發(fā)酵各階段投入不同種類的菌株提供理論和技術(shù)支持,使醬油發(fā)酵工藝得到進(jìn)一步改進(jìn)。
醬醪:由鶴山市東古調(diào)味食品有限公司提供;牛肉膏、細(xì)菌學(xué)蛋白胨、瓊脂、酵母提取粉:廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;氯化鈉、葡萄糖、可溶性淀粉、磷酸二氫鉀、乙酸鈉、檸檬酸三銨、硫酸鎂、硫酸錳:均為分析純,廣東廣試試劑科技有限公司;福林酚試劑、DNS試劑:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;脫脂奶粉:市售。
一號(hào)篩選培養(yǎng)基:在LB培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加氯化鈉50 g/L,脫脂奶粉20 g/L。二號(hào)篩選培養(yǎng)基:在MRS培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加氯化鈉50 g/L,脫脂奶粉20 g/L。三號(hào)篩選培養(yǎng)基:在PDA培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加氯化鈉50 g/L,脫脂奶粉20 g/L。脫脂牛奶培養(yǎng)基:脫脂奶粉20 g/L,氯化鈉50 g/L,瓊脂20 g/L,pH自然。淀粉培養(yǎng)基:在LB培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加氯化鈉50 g/L,可溶性淀粉2 g/L。種子培養(yǎng)基:細(xì)菌學(xué)蛋白胨10 g/L,酵母提取物5 g/L,氯化鈉10 g/L,pH為7.0。發(fā)酵培養(yǎng)基:細(xì)菌學(xué)蛋白胨10 g/L,酵母提取物5 g/L,氯化鈉50 g/L,pH為7.0。營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基:細(xì)菌學(xué)蛋白胨10 g/L,牛肉膏3 g/L,氯化鈉5 g/L,瓊脂20 g/L,pH為7.3。滅菌條件:121 ℃,滅菌20 min,脫脂奶粉110 ℃,單獨(dú)滅菌15 min。
PHS-3C pH計(jì) 上海雷磁儀器有限公司;ZHJH-C1214B超凈工作臺(tái)、ZXSD-B1270生化培養(yǎng)箱 上海智城分析儀器制造有限公司;GF-6100電子天平 日本AND公司;PHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;CX31光學(xué)顯微鏡 日本奧林巴斯公司;THZ-98C恒溫振蕩器 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;H1850R高速臺(tái)式冷凍離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)儀器開發(fā)有限公司;Thermal Cycler 2720 PCR儀 美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;SN510C立式壓力蒸汽滅菌鍋 重慶雅馬拓科技有限公司;BC/BD-200HET臥式冷藏冷凍轉(zhuǎn)換柜 青島海爾特種電冰柜有限公司;DYY-6C電泳儀 北京六一生物科技有限公司。
1.4.1 耐鹽高產(chǎn)酶微生物的篩選流程
耐鹽高產(chǎn)酶微生物的篩選流程見圖1。
圖1 篩菌過程Fig.1 Process of screening strains
1.4.2 耐鹽高產(chǎn)酶微生物的初篩
分別從曬池中選取發(fā)酵6,30,60 d的醬醪,按上、中、下三層采樣,稱取25 g醬醪和225 mL生理鹽水混合均勻后,取1 mL液體于裝有9 mL生理鹽水的試管中,混勻后用梯度稀釋法依次進(jìn)行稀釋,取10-2,10-3,10-4梯度樣品各100 μL分別涂布在氯化鈉濃度為5%、10%、15%的初篩培養(yǎng)基上,一號(hào)、二號(hào)篩選培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件為37 ℃,三號(hào)篩選培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件為30 ℃,分別靜置培養(yǎng)2~3 d后,菌落附近一旦有溶解圈出現(xiàn),就說明該菌株能生產(chǎn)蛋白酶。
1.4.3 耐鹽高產(chǎn)酶微生物的復(fù)篩
挑取周圍有溶解圈的菌落點(diǎn)種在脫脂牛奶培養(yǎng)基及淀粉培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)2 d后,測量脫脂牛奶培養(yǎng)基上菌落的蛋白溶解圈直徑,將碘液噴灑在淀粉培養(yǎng)基上,測量淀粉溶解圈直徑,挑取溶解圈與菌落直徑比(D/d值)較大的菌株,并在LB培養(yǎng)基上分區(qū)域劃線純化,將得到的單菌落接入種子培養(yǎng)基中,在37 ℃條件下培養(yǎng)12 h后,用移液槍接入甘油管保種,儲(chǔ)存在-40 ℃冰箱中。
1.4.4 菌株發(fā)酵液的酶活測定
在種子培養(yǎng)基中活化復(fù)篩保種的菌株,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)12 h后取1 mL活化后的液體轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培養(yǎng)基中,24 h后,取發(fā)酵液在4000 r/min下離心15 min,以上清液作為待測酶液,參照GB/T 23527-2009,用福林酚法測定蛋白酶活性。根據(jù)酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y=0.01033x+0.00269(R2=0.99973)計(jì)算發(fā)酵液中的蛋白酶活力。用DNS法測定淀粉酶活性[14],通過麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y=0.61518x-0.03618(R2=0.99996)計(jì)算發(fā)酵液中的淀粉酶活力。優(yōu)選高產(chǎn)蛋白酶菌株。
1.4.5 菌株產(chǎn)酶的穩(wěn)定性分析
將篩選得到的菌株進(jìn)行傳代產(chǎn)酶穩(wěn)定性分析,接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中,在37 ℃、200 r/min的條件下每隔24 h轉(zhuǎn)接1次,傳代20 d,隔天取發(fā)酵上清液測定蛋白酶活性。
1.4.6 菌種鑒定
1.4.6.1 菌落及菌體形態(tài)觀察
將活化后的高產(chǎn)蛋白酶的菌株涂布到LB固體培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)24 h后,觀察其菌落特征并挑取單菌落進(jìn)行革蘭氏染色,在顯微鏡下觀察其菌體形態(tài)。
1.4.6.2 生理生化試驗(yàn)
將活化后的高產(chǎn)蛋白酶的菌株涂布在營養(yǎng)瓊脂平板上,37 ℃培養(yǎng)24 h后,挑取單菌落于2 mL生理鹽水中混勻,取100 μL菌液加入芽孢桿菌生化鑒定管中,培養(yǎng)數(shù)天后觀察小管顏色變化。同時(shí),取活化后的菌液1 mL加入帶有杜氏小管的發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)4 d后,通過觀察杜氏小管中是否產(chǎn)生氣泡來檢測菌株是否產(chǎn)氣。根據(jù)菌株的生理生化結(jié)果,查閱《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊》和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》,按照書中提到的鑒定方法分析篩選得到菌株的生理生化特征。
1.4.6.3 菌株的16S rDNA鑒定
對篩選得到的菌株進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增,用試劑盒提取篩選得到的菌株的基因組DNA,以其為模板,上下游引物為細(xì)菌通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和1492R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)。PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系(30 μL):DNA 1 μL,上下游引物各1 μL,2×PCR Mix 15 μL,剩下由ddH2O補(bǔ)足至30 μL。PCR條件:95 ℃預(yù)變性5 min,95 ℃變性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸75 s,35次循環(huán),72 ℃修復(fù)延伸5 min。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳后,將擴(kuò)增產(chǎn)物送至廣州天一輝遠(yuǎn)基因科技有限公司測序,序列結(jié)果在NCBI數(shù)據(jù)庫中比對,根據(jù)序列同源性利用MEGA-X軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
1.4.7 菌株的生長特性
將活化后的菌株以1%的接種量接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中,在37 ℃、200 r/min條件下培養(yǎng)48 h。0~24 h每隔2 h取發(fā)酵液測定OD600值、pH值,以時(shí)間為橫坐標(biāo),OD600值、pH值為縱坐標(biāo)繪制菌株生長曲線及pH值曲線;0~48 h每隔6 h取發(fā)酵上清液測定蛋白酶活力,以時(shí)間為橫坐標(biāo),蛋白酶活力為縱坐標(biāo)繪制菌株產(chǎn)酶曲線;0~24 h每隔3 h取發(fā)酵液測定總酸(以乳酸計(jì))及氨基酸態(tài)氮含量,以時(shí)間為橫坐標(biāo),總酸及氨基酸態(tài)氮含量為縱坐標(biāo)繪制菌株總酸及氨基酸態(tài)氮含量變化曲線。
使用Origin 9.65軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表繪制,SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行差異顯著性分析。
氨基酸態(tài)氮含量和還原糖含量是體現(xiàn)醬油品質(zhì)的重要指標(biāo),與發(fā)酵體系中的蛋白酶及淀粉酶活力密切相關(guān)[15]。所以本試驗(yàn)主要考察菌株分泌蛋白酶和淀粉酶能力,目的是篩選出不同于醬油發(fā)酵的傳統(tǒng)微生物,豐富菌種資源。菌株分泌的蛋白酶能夠水解培養(yǎng)基中的脫脂奶粉,從而使菌落周圍乳白色的培養(yǎng)基變?yōu)橥该鞯娜芙馊?。同理,菌株分泌的淀粉酶能夠?qū)⑴囵B(yǎng)基中的淀粉水解成糊精、麥芽糖、葡萄糖等物質(zhì),導(dǎo)致菌落周圍的培養(yǎng)基不能與碘反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)色絡(luò)合物,從而形成溶解圈。經(jīng)過多次涂布及純化后,從初篩培養(yǎng)基中挑選了63株蛋白酶酶活較好的菌株,繼續(xù)采用脫脂牛奶培養(yǎng)基和淀粉培養(yǎng)基對菌株進(jìn)行蛋白酶及淀粉酶復(fù)篩,測量溶解圈直徑,發(fā)現(xiàn)有15株菌在菌落周圍形成明顯的蛋白溶解圈及淀粉溶解圈,其溶解圈直徑見表1。分別將15株菌株命名為ST-1、ST-2、ST-3、ST-4、ST-5、ST-6、ST-7、ST-8、ST-9、ST-10、ST-11、ST-12、ST-13、ST-14、ST-15。
表1 菌株在不同平板上的溶解圈直徑Table 1 Diameters of dissolution circles of strains on different plates mm
續(xù) 表 mm
由于平板溶解圈的大小還與菌落大小及酶的擴(kuò)散速率等影響因素有關(guān),因此平板溶解圈的大小不能作為判斷菌株產(chǎn)酶能力的直接依據(jù),還需要對15株菌株進(jìn)行搖床發(fā)酵測定酶活。各菌株的蛋白酶活力和淀粉酶活力見表2。綜合考量下,由于菌株ST-1、ST-6、ST-12的蛋白酶活力均能達(dá)40 U/mL,且淀粉酶活力都超過20 U/mL,因此選擇這3株菌株進(jìn)行后續(xù)的研究。
表2 不同菌株的酶活結(jié)果Table 2 Results of enzymatic activities of different strains U/mL
菌株在傳代培養(yǎng)的過程中有基因丟失的風(fēng)險(xiǎn),會(huì)造成菌株變異,使得其代謝產(chǎn)物發(fā)生變化。菌株的傳代穩(wěn)定性是該菌運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵,如果菌株在傳代過程中容易發(fā)生變異,就會(huì)限制其使用次數(shù),增加工業(yè)生產(chǎn)成本。因此,為了評估菌株產(chǎn)酶能力的傳代穩(wěn)定性,分別考察了菌株ST-1、ST-6、ST-12傳代后的產(chǎn)酶能力,結(jié)果見圖2。
圖2 菌株的傳代穩(wěn)定性Fig.2 Generation stability of strains
由圖2可知,傳代20次后,3株菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶的能力均有所下降,其中,菌株ST-12產(chǎn)蛋白酶的能力下降最為明顯,而菌株ST-1傳代20次后其蛋白酶活力和淀粉酶活力仍可分別達(dá)到第1代的90%和86%。因此,選擇產(chǎn)酶傳代穩(wěn)定性最高的菌株ST-1作為進(jìn)一步研究的對象。
菌株ST-1在LB 固體培養(yǎng)基上的菌落呈乳白色不透明狀,表面粗糙,有褶皺,中間微凸,邊緣不規(guī)則,有少許黏性,易于挑取。菌體經(jīng)革蘭氏染色后利用普通顯微鏡進(jìn)行觀察,100倍顯微鏡下菌體的形態(tài)見圖3。菌體為紫色,呈桿狀,有芽孢,確定菌株ST-1為革蘭氏陽性菌。
圖3 菌株ST-1的菌落菌體形態(tài)和芽孢形態(tài)Fig.3 Colony and spore morphology of strain ST-1
生理生化試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 菌株ST-1的生理生化鑒定結(jié)果Table 3 Physiological and biochemical identification results of strain ST-1
由表3可知,菌株ST-1對淀粉、酪素、明膠等具有水解能力,V-P試驗(yàn)呈陽性,能夠利用檸檬酸鹽,分解D-木糖和D-甘露醇,還原硝酸鹽,與倪鑫鑫等[16]的試驗(yàn)結(jié)果類似。根據(jù)《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊》和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》中芽孢桿菌屬的特征描述,初步確定菌株ST-1屬于芽孢桿菌屬。
在醬油的工業(yè)化生產(chǎn)中,常出現(xiàn)由微生物大量繁殖而引起的醬油脹罐發(fā)渾的現(xiàn)象[17-19],給工廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于芽孢桿菌有較強(qiáng)的耐受性,已有研究人員在脹氣變質(zhì)的醬油中篩選出了個(gè)別能引起醬油脹氣變質(zhì)的芽孢桿菌,因此,對菌株ST-1進(jìn)行產(chǎn)氣檢測試驗(yàn)非常有必要。菌株ST-1產(chǎn)氣檢測結(jié)果見圖4。
圖4 菌株ST-1產(chǎn)氣檢測結(jié)果Fig.4 Gas production test results of strain ST-1
由圖4可知,菌株ST-1在發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)4 d后,杜氏小管中沒有氣泡產(chǎn)生,證明該菌株不會(huì)引起醬油脹氣變質(zhì)。
將提取到的菌株的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增后,得到一段長度約為1500 bp的序列,瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果見圖5。將所獲序列提交NCBI進(jìn)行BLAST分析,菌株ST-1的系統(tǒng)發(fā)育樹見圖6。
圖5 菌株ST-1的16S rDNA瓊脂糖凝膠電泳圖Fig.5 16S rDNA agarose gel electrophoresis of strain ST-1
圖6 菌株ST-1的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.6 Phylogenetic tree of strain ST-1
由圖6可知,菌株ST-1與菌珠BacillusamyloliquefaciensNBRC 15535(登錄號(hào):NR 041455.1)的親緣關(guān)系最近,序列相似性為99.72%,結(jié)合菌株形態(tài)及生理生化鑒定結(jié)果,鑒定該菌株為解淀粉芽孢桿菌。
菌株ST-1的生長曲線見圖7中a,適應(yīng)期為0~2 h,菌株在適應(yīng)期內(nèi)合成必需量的酶、輔酶或某些中間產(chǎn)物,以適應(yīng)新的培養(yǎng)環(huán)境。對數(shù)生長期為2~10 h,且在2~8 h時(shí)生長最為旺盛,濃度快速升高,此時(shí)期的菌株活力最強(qiáng)。12 h后,菌株ST-1進(jìn)入穩(wěn)定期,個(gè)體形態(tài)及生理指標(biāo)都較為穩(wěn)定,利于菌種取樣保存。該菌株的穩(wěn)定期與對數(shù)生長期均較短,表明菌株更傾向于消耗有機(jī)物,而穩(wěn)定期長則有利于菌株產(chǎn)生代謝物質(zhì)[20]。菌株的pH變化曲線見圖7中b,在0~4 h時(shí)發(fā)酵液pH略微下降,隨后持續(xù)上升,符合菌株的總酸變化情況,菌株在生長前期大量繁殖,使得培養(yǎng)基pH降低,在生長穩(wěn)定后,細(xì)菌分泌蛋白酶,分解蛋白胨等氮源,形成銨態(tài)氮,導(dǎo)致培養(yǎng)基pH升高。菌株的發(fā)酵產(chǎn)酶曲線見圖7中c,當(dāng)發(fā)酵30 h后,發(fā)酵液中蛋白酶酶活達(dá)到最高值70.21 U/mL。菌株的氨基酸態(tài)氮含量變化曲線見圖7中d,培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)被微生物分泌的蛋白酶分解,導(dǎo)致發(fā)酵液中氨基酸態(tài)氮含量逐漸上升。
圖7 菌株ST-1生長過程中理化指標(biāo)的變化Fig.7 Changes of physical and chemical indexes during the growth of strain ST-1
采用梯度稀釋法和平板溶解圈法從半開放式曬池中的高鹽稀態(tài)醬醪中篩選出1株耐鹽芽孢桿菌ST-1,搖床發(fā)酵1 d后,其蛋白酶活力為62.08 U/mL,淀粉酶活力為31.17 U/mL。菌株ST-1傳代20次后酶活穩(wěn)定,其菌落呈乳白色不透明狀,表面粗糙,有褶皺,中間微凸,邊緣不規(guī)則,有少許黏性;對淀粉、酪素、明膠等具有水解能力,V-P試驗(yàn)呈陽性,能夠利用檸檬酸鹽,分解D-木糖和D-甘露醇,還原硝酸鹽。結(jié)合16S rDNA序列分析,鑒定該菌株為解淀粉芽孢桿菌。
解淀粉芽孢桿菌是兼性厭氧菌,有運(yùn)動(dòng)性,在自然界中分布廣泛,常用于食品的微生物發(fā)酵[21],有一定的耐鹽能力,能夠產(chǎn)蛋白酶及淀粉酶。目前,人們多采用在醬油釀造過程中添加耐鹽乳酸菌及酵母的方法來促進(jìn)醬油風(fēng)味物質(zhì)的形成,提高產(chǎn)品品質(zhì),而對醬醪中芽胞桿菌的研究較少。但近年來,許多研究人員對醬油發(fā)酵過程中的微生物動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了細(xì)致的探索[22],發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌也對醬油發(fā)酵起著不可忽視的重要作用[23-25]。張夢寒[26]將解淀粉芽孢桿菌JY06的突變株C12和E6添加至醬醪中用于醬油發(fā)酵,結(jié)果發(fā)現(xiàn)能有效降低醬油中的氨基甲酸乙酯含量和瓜氨酸含量;吳博華等[27]、張麗杰等[28]將篩選得到的芽孢桿菌用于醬油制曲,鹽鹵發(fā)酵后發(fā)現(xiàn)醬油中的吡嗪類物質(zhì)含量顯著提高。本研究中解淀粉芽孢桿菌ST-1產(chǎn)中性蛋白酶能力較強(qiáng),后期可對該菌株的產(chǎn)酶能力進(jìn)行優(yōu)化,研究該菌株在醬油發(fā)酵過程中的應(yīng)用,為醬油發(fā)酵工藝提供優(yōu)秀的菌種資源。