秦南南,夏俊芳,沈玉敏,牛晴偉,古麗娜孜,程怡媚
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052)
釀造醬油主要是用黃豆、小麥作為主要原料,經(jīng)多種微生物(曲霉、酵母菌和細(xì)菌)的聯(lián)合作用,釀制而成的一種受人們歡迎的調(diào)味品,內(nèi)含氨基酸、糖類、維生素等多種營養(yǎng)物質(zhì)[1]。這些營養(yǎng)易被多種微生物利用尤其夏季氣溫高的時(shí)候極易發(fā)生脹袋,發(fā)生產(chǎn)氣滲漏現(xiàn)象給產(chǎn)品造成巨大影響。針對(duì)上述出現(xiàn)脹袋現(xiàn)象的樣品,本研究從新疆某品牌脹袋醬油中篩選出兩株能引起脹袋的產(chǎn)氣菌株,通過形態(tài)學(xué)、生理生化、分子生物學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行種屬鑒定,并對(duì)菌株的溫度、酸堿性、鹽度特性進(jìn)行研究,分析熱殺菌時(shí)間、防腐劑對(duì)產(chǎn)氣微生物生長的影響,以期為脹袋醬油中產(chǎn)氣菌的研究奠定一定的基礎(chǔ)。
1.1.1試驗(yàn)材料
新疆某醬油企業(yè)提供的脹袋醬油、正常醬油。
1.1.2試驗(yàn)試劑
營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、LB肉湯培養(yǎng)基、馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基、高糖培養(yǎng)基:購于北京奧博星生物技術(shù)有限公司;山梨酸鉀、苯甲酸鈉、氯化鈉等(均為分析純):購于天津市盛淼精細(xì)化工有限公司;革蘭氏染色劑、孔雀綠染色劑:天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。
1.1.3試驗(yàn)儀器
LRH-280 型生化培養(yǎng)箱上海森信試驗(yàn)儀器有限公司;LDZX-40SCI 型高壓滅菌鍋上海申安醫(yī)療器械廠;722 可見分光光度計(jì)上海欣茂儀器有限公司;FE20 plus pH計(jì)上海梅特勒-托利多儀器有限公司; DJ100-3 型電子分析天平上海恒平科學(xué)儀器有限公司;Nikon E200光學(xué)生物顯微鏡北京瑞科中儀科技有限公司。
1.2.1多種培養(yǎng)基分離微生物
無菌條件下將正常醬油和脹袋醬油吸取25 mL于225 mL無菌生理鹽水中,振搖5~10 min制備菌懸液,在無菌條件下準(zhǔn)確吸取不同濃度梯度的菌液0.1 mL,涂布于多種培養(yǎng)基(高糖培養(yǎng)基、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基)表面,同時(shí)做空白對(duì)照,細(xì)菌37 ℃培養(yǎng),酵母菌、霉菌28 ℃培養(yǎng),連續(xù)2~5天觀察,對(duì)比脹袋醬油與正常醬油中分離出來的菌落形態(tài),將形態(tài)不同、懷疑是產(chǎn)氣微生物的菌株進(jìn)行劃線分離、純化,保存菌株備用。
1.2.2產(chǎn)氣微生物的驗(yàn)證
將可疑微生物分別接種到相應(yīng)的產(chǎn)氣驗(yàn)證培養(yǎng)基(選用最貼近醬油營養(yǎng)條件的培養(yǎng)基,醬油原油50 mL,蒸餾水50 mL,pH 5.5,加入杜氏管,115 ℃滅菌20 min)[2]。無菌條件下向滅菌后的產(chǎn)氣驗(yàn)證培養(yǎng)基管中加入1 mL的菌懸液,若為細(xì)菌,置于37 ℃培養(yǎng),若為霉菌和酵母菌,置于28 ℃培養(yǎng),連續(xù)觀察1~14天,觀察小導(dǎo)管中是否有氣泡生成,同時(shí)用生理鹽水做空白對(duì)照,若小導(dǎo)管中有氣泡生成,再從產(chǎn)氣的試管中分離其中的微生物觀察其性狀并與接種的菌落形態(tài)對(duì)比,觀察是否相同。
1.2.3產(chǎn)氣微生物的鑒定
1.2.3.1菌株形態(tài)及生理生化鑒定
將驗(yàn)證的產(chǎn)氣細(xì)菌進(jìn)行菌落特征、菌體形態(tài)(革蘭氏染色、芽孢染色)和生理生化實(shí)驗(yàn),參考《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)》和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)[3,4]。對(duì)于霉菌和酵母,也通過觀察菌落形態(tài)、菌體形態(tài)及生理生化,參考《真菌鑒定手冊(cè)》來鑒定其株屬[5]。
1.2.3.216S rDNA分子生物學(xué)鑒定
采用細(xì)菌通用引物27F:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3';1492R:5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3',對(duì)產(chǎn)氣菌株的16S rDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖電泳分離后DNA回收試劑盒割膠回收和純化,將PCR產(chǎn)物送金唯智生物科技有限公司進(jìn)行測(cè)序,將得到的16S rDNA序列在NCBI-GenBank進(jìn)行BLAST分析,找到序列最相近的微生物種類,其相似度達(dá)96%以上認(rèn)為是同一種菌[6-8]。
1.2.4產(chǎn)氣微生物的耐溫性、耐鹽性、耐pH的特性分析
將產(chǎn)氣菌接種到LB肉湯管中,并使接種后菌濃度達(dá)到108cfu/mL,測(cè)定在不同溫度(4,10,25,30,35,40,45 ℃)、不同鹽濃度(0%,3%,5%,7%,9%,11%,13%,15%,17%,19%,21%)及不同初始 pH 值(3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,8.0)下的生長情況,平行3次并設(shè)置空白對(duì)照管,測(cè)定菌液的OD600 nm值。
1.2.5熱殺菌時(shí)間對(duì)產(chǎn)氣微生物生長的影響
將產(chǎn)氣菌接種到LB肉湯管中,接種后菌濃度達(dá)到108cfu/mL。對(duì)菌株選用85 ℃和100 ℃的處理溫度,處理時(shí)間:0,5,10,15,20,25,30 min,LB肉湯于37 ℃培養(yǎng)24 h,每個(gè)處理3個(gè)平行并設(shè)置空白對(duì)照,測(cè)定菌液的OD600 nm值。
1.2.6防腐劑苯甲酸鈉、山梨酸鉀對(duì)產(chǎn)氣微生物生長的影響
GB 2760-2014食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定苯甲酸鈉和山梨酸鉀在醬油中的最大使用量是1.0 g/kg,分別設(shè)置濃度為0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.0 g/kg梯度防腐劑濃度,將制備好的菌懸液接種到含有不同濃度防腐劑的LB肉湯試管中,以接菌但不含防腐劑為對(duì)照組,LB肉湯于37 ℃培養(yǎng)24 h后測(cè)定菌液的OD600 nm值(每個(gè)處理3個(gè)平行并設(shè)置空白對(duì)照)。然后選擇合適的防腐劑濃度水平,根據(jù)下列公式計(jì)算抑菌率:
IR(%)=(k0-k)/k0×100。
式中:IR為抑菌率(%);k0為不添加防腐劑對(duì)照組的菌落數(shù)(cfu/mL);k為添加防腐劑的菌落數(shù)(cfu/mL)。
1.2.7模擬殺菌方案對(duì)比
準(zhǔn)備數(shù)支10 mL正常醬油經(jīng)過121 ℃滅菌30 min確定無菌,人為接種1環(huán)產(chǎn)氣菌株單菌落,設(shè)計(jì)4組試驗(yàn):先加入終濃度為0.7 g/kg的苯甲酸鈉再于85 ℃滅菌15 min;先加入終濃度為0.7 g/kg的山梨酸鉀再于85 ℃滅菌15 min;先于85 ℃滅菌15 min再加入終濃度為0.7 g/kg的苯甲酸鈉;先于85 ℃滅菌15 min再加入終濃度為0.7 g/kg的山梨酸鉀,分別在37,4 ℃培養(yǎng)后采用涂布平板法計(jì)算菌落數(shù),平行測(cè)定3次取其平均值,以無菌水為空白對(duì)照。
本實(shí)驗(yàn)沒有分離出酵母菌和霉菌,用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基分離脹袋醬油K1和正常醬油K2時(shí),可以看到細(xì)菌數(shù)目有明顯差異(見圖1),對(duì)比K1,K2分離平板,根據(jù)細(xì)菌菌落形態(tài)的不同,共分離、純化出 4株細(xì)菌菌株,編號(hào)為Z1,Z2,Z3,Z4,并于 4 ℃冰箱中用營養(yǎng)瓊脂斜面保藏備用,結(jié)果見圖2,菌落特征見表1。
圖1 K1和K2樣品營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基分離結(jié)果Fig.1 Nutrient AGAR separation results of sample K1 and K2
圖2 Z1,Z2,Z3,Z4菌株?duì)I養(yǎng)瓊脂分離結(jié)果Fig.2 Nutrient AGAR separation results of sample Z1, Z2, Z3 and Z4 strains
表1 Z1,Z2,Z3,Z4菌株菌落特征Table 1 Colony characteristics of Z1, Z2, Z3 and Z4 strains
表2 產(chǎn)氣驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of gas production verification
續(xù) 表
注:“-”代表無產(chǎn)氣現(xiàn)象,“+-”代表微弱產(chǎn)氣,“+”代表有明顯產(chǎn)氣,“+”的個(gè)數(shù)越多代表產(chǎn)氣越明顯。
由表2可知,接種脹袋醬油樣品的3支試管在觀察期(1~14天)都有產(chǎn)氣現(xiàn)象,且隨著天數(shù)增多,產(chǎn)氣現(xiàn)象越明顯;接種Z2,Z3 的試管,在觀察期(14天)中未看到產(chǎn)氣現(xiàn)象;接種Z1,Z4 的試管,接種1天后試管產(chǎn)氣,隨著天數(shù)增多,產(chǎn)氣現(xiàn)象加強(qiáng);將產(chǎn)氣管中的微生物分離于營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基與接種菌株對(duì)比,發(fā)現(xiàn)菌落形態(tài)一致。由此可見,菌株Z1,Z4為導(dǎo)致醬油脹袋的產(chǎn)氣微生物,產(chǎn)氣現(xiàn)象見圖3。
圖3 菌株的產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The gas production results of strains
2.3.1傳統(tǒng)鑒定結(jié)果
2.3.1.1菌株形態(tài)觀察
圖4 Z1菌株在營養(yǎng)瓊脂(A)和LB液體培養(yǎng)基(B)及革蘭氏染色形態(tài)(C)和芽孢染色結(jié)果(D)Fig.4 Morphology of Z1 strain on NA(A),LB liquid medium(B), Gram staining (C) and spore staining(D)
圖5 Z4菌株在營養(yǎng)瓊脂(A)和LB液體培養(yǎng)基(B)及革蘭氏染色形態(tài)(C)和芽孢染色結(jié)果(D)Fig.5 Morphology of Z4 strain on NA(A),LB liquid medium(B),Gram staining (C) and spore staining(D)
由圖4和圖5可知,Z1,Z4菌株在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基的菌落形態(tài)見表1,Z1菌株呈不規(guī)則圓形性狀,同心環(huán)膜狀,表面質(zhì)地干燥褶皺,乳白色,底部濕潤,無光澤,不透明,Z4菌株呈不規(guī)則圓形形狀,鋸齒狀邊緣,乳白色,中間凸起,質(zhì)地較為粘稠且松軟,不透明;LB肉湯培養(yǎng)液輕微渾濁,表面有完整菌膜,菌膜呈灰白色;通過革蘭氏染色、芽孢染色等結(jié)果得出2株菌均為革蘭氏陽性芽孢桿菌。
2.3.1.2菌株生理生化特性
產(chǎn)氣菌株糖醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3, Z1菌株能發(fā)酵葡萄糖、蔗糖、甘露醇并且產(chǎn)酸,Vp反應(yīng)陰性,明膠液化快,酪素分解迅速,分解硝酸鹽。Z4菌株能發(fā)酵葡萄糖、麥芽糖、乳糖等多種糖、醇產(chǎn)酸,分解硝酸鹽、水解淀粉。參考《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)》和《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》,初步鑒定Z1菌株為巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium),Z4菌株為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。
表3 兩株菌株生理生化特性Table 3 Biochemical characteristics of two strains
續(xù) 表
注:“+”為陽性反應(yīng),“-”為陰性反應(yīng),“+-”為弱陽性。
2.3.216S rDNA鑒定結(jié)果
PCR擴(kuò)增獲得約1500 bp目標(biāo)產(chǎn)區(qū)(見圖6), Z1菌株的16S rDNA序列長度為1420 bp,Z4菌株的16S rDNA序列長度為1415 bp,將得到的序列上傳至NCBI-GenBank,進(jìn)行BLAST同源性檢索分析。由表4可知,Z1菌株的16S rDNA與Bacillusmegateriumstrain H3-2菌株的該基因序列的匹配度為1.00,且序列長度最接近,與2.3.1傳統(tǒng)方法鑒定的結(jié)果一致,故Z1菌株為巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)。由表5可知,Z4菌株的16S rDNA與Bacillussubtilisstrain BS-5菌株的該基因序列的匹配度為1.00,且序列長度最接近,與2.3.1傳統(tǒng)方法鑒定結(jié)果一致,所以Z4菌株為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)。
圖6 菌株的16S rDNA擴(kuò)增電泳結(jié)果Fig.6 The results of strains' 16S rDNA electrophoresis
注:M表示Maker;1,2,3分別是Z1菌株、Z4菌株、陰性質(zhì)控。
表4 Z1菌株16S rDNA的BLAST結(jié)果Table 4 The BLAST results of 16S rDNA of Z1 strain
表5 Z4菌株16S rDNA的BLAST結(jié)果Table 5 The BLAST results of 16S rDNA of Z4 strain
2.4.1溫度對(duì)產(chǎn)氣菌生長的影響
圖7 溫度對(duì)Z1,Z4 2株菌生長的影響Fig.7 The effect of temperature on the growth of Z1 and Z4 strains
由圖7可知,在4,10 ℃培養(yǎng)時(shí),Z1和Z4培養(yǎng)液吸光值幾乎為0,說明該溫度下菌株生長能力很弱,當(dāng)在10~30 ℃時(shí),隨著溫度的升高,Z1,Z4 2株菌快速生長,最適生長溫度為36~38 ℃,溫度高于40 ℃時(shí),2株菌生長速率減緩但仍能生長,且吸光值均在0.2以上,表明2株菌具有較強(qiáng)耐溫性。
2.4.2鹽度對(duì)產(chǎn)氣菌株生長的影響
Z1,Z4 2株菌在含不同鹽度的培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h后,測(cè)得的菌液OD600 nm的變化值見圖8,整體來看,隨著氯化鈉含量的增加,吸光值逐漸下降,氯化鈉含量5%時(shí)生長狀況較好,Z1,Z4吸光值分別為0.233,0.245,說明2株菌在一定氯化鈉濃度范圍內(nèi),有利于菌體生長,隨著鹽度的升高,菌體生長能力逐漸減弱,但在15%~21%鹽度范圍內(nèi),菌體仍能緩慢生長,而正常醬油鹽含量一般是15%左右,表明2株產(chǎn)氣菌有較強(qiáng)耐鹽性,可以在醬油環(huán)境中存活下來。
圖8 鹽度對(duì)Z1,Z4 2株菌生長的影響Fig.8 The effect of salinity on the growth of Z1 and Z4 strains
2.4.3pH對(duì)產(chǎn)氣菌株生長的影響
圖9 pH對(duì)Z1,Z4 2株菌生長的影響Fig.9 The effect of pH on the growth of Z1 and Z4 strains
圖10 pH對(duì)Z1,Z4 2株菌菌膜形成的影響Fig.10 The effect of pH on the formation of Z1 and Z4 strains' biofilms
由圖9,圖10可知,在pH 3.5~5.0范圍內(nèi),Z1,Z4 2株菌生長緩慢,菌液澄清且沒有形成菌膜, pH在5.0~7.0時(shí),菌株生長能力隨著pH的增大而增大,當(dāng)pH>5.5時(shí),培養(yǎng)液渾濁且形成菌膜,Z1,Z4 2株菌均在pH值為7.0時(shí)有最大吸收值,隨著pH>7.0時(shí),菌液OD值逐漸下降,可見2株菌均適合在略酸、偏中性環(huán)境下生長,正常醬油pH范圍為4.5~5.5,此酸度也適于產(chǎn)氣菌株的生長,隨著產(chǎn)氣菌的生長繁殖新陳代謝,醬油酸度逐漸會(huì)增加,引起醬油腐敗變質(zhì)。
圖11 100 ℃和85 ℃高溫處理不同時(shí)間對(duì)Z1,Z42株菌生長的影響Fig.11 The effect of heat treatment at different time at 100 ℃ and 85 ℃ on the growth of Z1 and Z4 strains
由圖11可知,85 ℃對(duì)Z1,Z4菌株的處理時(shí)間為15 min,菌液濃度變化不大;處理時(shí)間由15 min增加到30 min時(shí),菌液濃度下降,但吸光值仍在0.2以上,且隨著滅菌時(shí)間的延長,菌濃度又開始上升(25~30 min),可能是因?yàn)閆1和Z4菌株的耐熱性都較強(qiáng),當(dāng)處理溫度較低時(shí)仍有耐熱菌存活,溫度適宜又重新繁殖生長。100 ℃時(shí),隨著處理時(shí)間的增長,菌液吸光值也隨之下降,處理25 min時(shí)2菌株吸光值幾乎接近于0??梢姴捎?5 ℃很難將菌株殺死,采用100 ℃的溫度殺菌時(shí)至少要處理25 min,才能將Z1,Z4滅活。
2種防腐劑(苯甲酸鈉、山梨酸鉀)對(duì)Z1,Z4 2株菌株生長的影響,見圖12。隨著防腐劑濃度的增大,對(duì)菌株的抑菌效果也逐漸增強(qiáng),0.7 g/kg時(shí)幾乎已觀察不到菌膜,對(duì)于Z1菌株,0.7 g/kg苯甲酸鈉的抑菌效果高于同濃度山梨酸鉀9.7%,對(duì)于Z4菌株,0.7 g/kg苯甲酸鈉的抑菌效果高于同濃度山梨酸鉀16.25%,所以苯甲酸鈉的抑菌效果要明顯優(yōu)于山梨酸鉀的抑菌效果。由于醬油中添加防腐劑的含量不得超過1 g/kg,從安全角度考慮,我們選用0.7 g/kg為最佳濃度,計(jì)算抑菌率,苯甲酸鈉對(duì)2株菌的抑菌率都在99%以上,見表6。
圖12 不同濃度防腐劑對(duì)Z1,Z4 2株菌生長的影響Fig.12 The effect of different concentration of preservatives on the growth of two strains
表6 0.7 g/kg防腐劑濃度對(duì)Z1,Z42株菌生長的影響Table 6 The effect of 0.7 g/kg concentration of preservatives on the growth of two strains
考慮醬油營養(yǎng)價(jià)值,設(shè)計(jì)4組殺菌試驗(yàn),結(jié)果見表7,表明一旦樣品中污染Z1,Z4菌株,結(jié)合采用防腐劑和巴氏滅菌并不能完全殺滅,但采用先滅菌再接入防腐劑的方式可以將危害盡可能降低到最低水平,其中苯甲酸鈉抑菌效果優(yōu)于山梨酸鉀。
表7 模擬殺菌試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of bactericidal simulation
在本研究中我們采用平板分離、產(chǎn)氣驗(yàn)證、生理生化及分子生物學(xué)鑒定出引起醬油漲袋的產(chǎn)氣微生物為巨大芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌,2株菌在環(huán)境中非常常見,雖不是致病菌但生化實(shí)驗(yàn)表明2株菌能發(fā)酵多種糖類產(chǎn)酸產(chǎn)氣,若殘存在醬油產(chǎn)品中,在夏季氣溫高時(shí)必引起脹袋,張小麗等[9]從浙江紹興某廠脹袋醬油中也分離出巨大芽孢桿菌,可見東西地域相差如此遠(yuǎn)卻分離出一致的產(chǎn)氣菌株,必須嚴(yán)格控制將其殺滅。同時(shí)對(duì)2株菌溫度、耐鹽性及其pH等特性研究,成品醬油普通滅菌很難殺死菌株,本研究采用熱處理、防腐輔助結(jié)合抑制芽孢桿菌,發(fā)現(xiàn)滅菌后添加防腐劑有較好抑菌作用且苯甲酸鈉抑菌效果優(yōu)于山梨酸鉀,可以將危害盡可能降低到最低水平,但要想在源頭上去除產(chǎn)氣菌對(duì)醬油生產(chǎn)的危害,只有加強(qiáng)工廠生產(chǎn)環(huán)境,對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控,避免二次污染。
參考文獻(xiàn):
[1]吳婷,宋江,王遠(yuǎn)亮.中國醬油釀造工藝[J].中國調(diào)味品,2012,37(6):1-3.
[2]張小麗.脹袋醬油中產(chǎn)氣微生物的分離、鑒定與特性研究[D].杭州:浙江工商大學(xué),2015.
[3]東秀珠,蔡妙英.常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.
[4]Buhanan R E,Gibbons N E.Bergey's manual of determinative bactertology[M].Beijing:Science Press,1984.
[5]魏景超.真菌鑒定手冊(cè)[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1979.
[6]Wei C L,Chao S H,Tsai W B,et al.Analysis of bacterial diversity during the fermentation of inyu, a high-temperature fermented soy sauce,using nested PCR-denaturing gradient gel electrophoresis and the plate count method[J].Food Microbiology,2013,33(2):252-261.
[7]Yin W F,Tung H J,Sam C K,et al.Quorum quenchingBacillussonorensisisolated from soya sauce fermentation brine[J].Sensors,2012,12(4):4065-4073.
[8]Cui Y,Qu X,Li H,et al.Isolation of halophilic lactic acid bacteria from traditional Chinese fermented soybean paste and assessment of the isolates for industrial potential[J]. European Food Research and Technology,2012,234(5):797-806.
[9]張小麗,蔣予箭,李峰.導(dǎo)致醬油脹袋微生物的分離與鑒定[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2014,40(7):51-55.