徐智虎,王雪酈,3*,劉雪婷,邱樹毅,周少奇
1(貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽,550025)2(貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院,貴州 貴陽,550025)3(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽,550025)4(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽,550025)
鎮(zhèn)遠(yuǎn)道菜作為黔菜中一種色香味俱全的腌菜制品,以當(dāng)?shù)厍嗖藶樵?經(jīng)莖皮剝離、鹽漬、日曬、搓揉、發(fā)酵等14道工藝加工而成,發(fā)酵后的道菜被賦予更豐富的味覺層次和更高的營養(yǎng)價(jià)值[1]。傳統(tǒng)道菜的生產(chǎn)以自然發(fā)酵為主,該過程中蔬菜受微生物生長、酸化、蛋白質(zhì)水解和低分子質(zhì)量化合物分解作用的影響,在發(fā)酵及儲(chǔ)存過程均存在亞硝酸鹽和生物胺積累現(xiàn)象[2-3]。
生物胺是一類含氮有機(jī)化合物,適量的生物胺可提高人體免疫力,但過量外源生物胺的攝入和累積將對(duì)機(jī)體產(chǎn)生諸多不利影響[4]。過去對(duì)生物胺研究的熱點(diǎn)主要集中于肉制品和水產(chǎn)品,除四川豆瓣醬、四川泡菜外,蔬菜中有關(guān)生物胺的研究相對(duì)較少。ANAL等[5]研究證實(shí)發(fā)酵蔬菜中生物胺主要有組胺、酪胺和丁二胺;DOEUN等[6]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵卷心菜中丁二胺、酪胺、組胺的含量分別高達(dá)108.90、60.66、37.01 mg/kg,而唐垚等[7]發(fā)現(xiàn)四川工業(yè)泡菜中尸胺的含量可高達(dá)(349.43±13.23) mg/kg。因此,抑制生物胺的產(chǎn)生對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜的安全具有重要意義。
發(fā)酵蔬菜中生物胺的產(chǎn)生與原材料的衛(wèi)生質(zhì)量、發(fā)酵工藝和儲(chǔ)存條件息息相關(guān)[8],雖有研究表明添加防腐劑[9],以及高壓、冷凍等物理手段[10-11]或真空包裝等技術(shù)可控制食品中生物胺的濃度,但這些技術(shù)同時(shí)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味及品質(zhì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響[12]。有研究指出,可通過抑制脫羧酶活性產(chǎn)胺菌的生長控制食品中生物胺的濃度,但諸如植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)、解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)、枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis)等[13-14]產(chǎn)胺菌卻也是傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜中的主導(dǎo)優(yōu)勢菌株,對(duì)γ-氨基丁酸[15]、抗氧化物[16]、有機(jī)酸[17]等物質(zhì)的形成以及產(chǎn)品的色澤和風(fēng)味起著重要作用,此外產(chǎn)胺菌的去除無法降低原料中已生成的生物胺[18]。近期研究發(fā)現(xiàn)生物胺含量的動(dòng)態(tài)變化取自于發(fā)酵過程中產(chǎn)胺菌和生物胺降解菌的動(dòng)態(tài)平衡,因此也可利用生物胺降解菌來控制食品中生物胺的含量[19],目前已報(bào)道的生物胺降解菌包括解淀粉芽胞桿菌(B.amyloliquefaciens)、肉葡萄球菌(Staphylococcuscarnosus)[20]、植物乳桿菌(L.plantarum)、清酒乳桿菌(Lactobacillussakei)[21]、黑曲霉(Aspergilliusniger)等[22]。
本文以不同發(fā)酵階段道菜為研究對(duì)象,創(chuàng)新性地利用雙層顯色培養(yǎng)技術(shù)和高效液相色譜技術(shù),從可培養(yǎng)主導(dǎo)菌中篩選出生物胺降解性能優(yōu)于生物胺產(chǎn)生性能的菌株,避免高濃度生物胺累積對(duì)人體造成的危害。利用形態(tài)學(xué)、生理生化、16S rDNA 分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)所篩菌株進(jìn)行鑒定,為鎮(zhèn)遠(yuǎn)道菜及傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜中生物胺含量的調(diào)控提供支撐。
101-1AB電熱恒溫干燥箱,天津泰斯特儀器有限公司;YXQ-LS-75G立式壓力蒸汽滅菌鍋、BMJ-250C培養(yǎng)箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;JJJ-CJ-IFD型超凈工作臺(tái),蘇州市金凈凈化設(shè)備科技有限公司;正置熒光顯微鏡,奧林巴斯Olympus;FA-2004 N電子分析天平,上海菁海儀器有限公司;Heraeus Multifuge X3R冷凍離心機(jī),美國Thermo Fisher公司;721可見分光光度計(jì),上海菁華科技儀器有限公司;PCR 擴(kuò)增儀,德國 Jena;1260Infinity高效液相色譜儀,美國安捷倫有限公司。
試劑盒:細(xì)菌基因組DNA 提取試劑盒,天根生化科技(北京)有限公司。
精氨酸、賴氨酸、組氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、亞精胺、色胺、D-果糖、D-半乳糖、葡萄糖等均為國產(chǎn)分析純。
樣品及編號(hào):道菜樣品取自貴州省黔東南自治州鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣某食品加工企業(yè)道菜發(fā)酵車間,發(fā)酵前道菜記為JY0、發(fā)酵1 d后道菜記為FJ1、發(fā)酵5 d后道菜記為FJ5。
LB瓊脂培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10.0、酵母粉5.0、NaCl 10.0、瓊脂15.0,pH 6.8~7.2;121 ℃滅菌15 min。上述培養(yǎng)基去掉瓊脂即為LB肉湯培養(yǎng)基。
營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10.0、牛肉膏3.0、氯化鈉5.0、瓊脂20.0,pH 7.0 ~7.4。
生物胺檢測雙層培養(yǎng)基[23]:(1)底層培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨5.0、牛肉膏5.0、酵母膏5.0、葡萄糖0.5、NaCl 2.5、MgSO4·7H2O 0.4、MnSO40.03、K2HPO42.0、檸檬酸三銨2.0、CaCO30.1、FeSO40.04、維生素B10.01、磷酸吡哆醛0.05、瓊脂18.0、吐溫80 mL、氨基酸底物(色氨酸、精氨酸、賴氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸)各5.0,pH 5.2;115 ℃滅菌15 min。(2)上層培養(yǎng)基(g/L):溴甲酚紫0.06、瓊脂20.0,pH 5.2;121 ℃滅菌10 min。
生物胺降解培養(yǎng)基(MLB)(g/L):蛋白胨10.0、NaCl 10.0、生物胺(尸胺、酪胺、組胺、亞精胺、β-苯乙胺、色胺、丁二胺)各0.1,pH 6.8~7.2;121 ℃滅菌15 min。
液體糖發(fā)酵培養(yǎng)基、淀粉牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基、西蒙斯(Simons)氏檸檬酸鹽培養(yǎng)液、葡萄糖蛋白胨液體培養(yǎng)基、牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基、檸檬酸鐵銨培養(yǎng)基、以上培養(yǎng)基參考《伯杰細(xì)菌鑒定手冊》。
1.3.1 生物胺產(chǎn)生菌的篩選及純化
分別稱取10 g不同發(fā)酵階段的道菜,加入盛有90 mL無菌生理鹽水的錐形瓶中,制成稀釋度為10-1的道菜懸液,將其置于37 ℃搖床中振蕩培養(yǎng)30 min。取1 mL道菜懸液以10倍梯度制成10-2~10-6梯度濃度,取上述梯度道菜懸液以4分法接種至LB瓊脂培養(yǎng)基中,每個(gè)梯度重復(fù)3次。將平板置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 d后,挑取形態(tài)特征各異的菌株進(jìn)行劃線純化,直至得到純的單菌株后轉(zhuǎn)接至營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面,于4 ℃冰箱保藏。
將純化的單菌株接種至LB肉湯培養(yǎng)基中活化3次后制成濃度約為1×108CFU/mL的菌懸液,取100 μL涂布至生物胺檢測底層培養(yǎng)基中,于37 ℃培養(yǎng)48 h后在無菌條件下向底層培養(yǎng)基倒入上層培養(yǎng)基進(jìn)行顯色反應(yīng),在5 min內(nèi)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果,顯紫色的為陽性菌(產(chǎn)胺菌),不變色即黃色為陰性菌(不產(chǎn)胺菌),以不接種菌株的培養(yǎng)基作為空白對(duì)照。選取陽性菌株作為實(shí)驗(yàn)菌株,將顯色培養(yǎng)基中挑選出的生物胺產(chǎn)生菌轉(zhuǎn)接至營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面,置于4 ℃冰箱保藏。
1.3.2 生物胺降解菌的篩選
將1.3.1中篩選得到的生物胺產(chǎn)生菌接種至LB肉湯培養(yǎng)基中活化3次后制成濃度約為1×108CFU/mL的菌懸液,再以1%的接種量接種至MLB培養(yǎng)基中,以未接菌的MLB培養(yǎng)基為對(duì)照。置于37 ℃,120 r/min條件下培養(yǎng)6 d后取2 mL菌液,12 000 r/min離心10 min,取1 mL上清液與1 mL 0.4 mol/L的HClO4混勻制備成菌液樣品,樣品經(jīng)衍生后利用高效液相色譜測定生物胺含量,選擇生物胺降解率高以及生物胺降解種類多的菌株作為后續(xù)研究菌株,生物胺降解率按公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:X,生物胺降解率,%;ρ,對(duì)照組生物胺含量,mg/L;ρ1,實(shí)驗(yàn)組生物胺含量,mg/L。
本實(shí)驗(yàn)中生物胺的測定采用外標(biāo)法,相關(guān)試劑配制及方法參考文獻(xiàn)[24]。
1.4.1 生物胺混合標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作
準(zhǔn)確稱取色胺、β-苯乙胺、丁二胺、尸胺、組胺、亞精胺、酪胺各10 mg溶于0.1 mol/L的鹽酸中并定容至10 mL,配制成1 000 mg/L的各類生物胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,置于-20 ℃保存。取1 mL各類生物胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液混合至10 mL容量瓶中,用0.1 mol/L鹽酸稀釋成100 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)液,將上述混合標(biāo)準(zhǔn)液稀釋成50、25、15、10、5、2.5 mg/L,于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
取1 mL混合標(biāo)準(zhǔn)液經(jīng)柱前衍生后利用HPLC進(jìn)行測定,以峰面積(y)為縱坐標(biāo),生物胺質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo),繪制7種生物胺的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.4.2 生物胺柱前衍生
取1 mL混合標(biāo)準(zhǔn)液/待測樣品加入200 μL濃度為2 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至堿性,依次加入300 μL飽和NaHCO3緩沖液,2 mL 10 mg/mL的DNS-CL(丙酮配制),置于40 ℃下暗反應(yīng)45 min后加入100 μL氨水終止反應(yīng),最后以乙腈定容至5 mL,過0.22 μm濾膜,上機(jī)分析。
1.4.3 高效液相色譜條件
色譜分離條件:色譜柱為SHIMADZU C18-AQ(5 μm,250 mm×4.6 mm);流動(dòng)相A為水;流動(dòng)相B為乙腈;進(jìn)樣量20 μL;柱溫35 ℃;紫外檢測波長254 nm,梯度洗脫程序見表1。
表1 RP-HPLC測定生物胺的洗脫程序Table 1 RP-HPLC elution procedure to determine biogenic amines
1.5.1 形態(tài)學(xué)鑒定
將篩選得到的生物胺降解菌分別點(diǎn)接于LB瓊脂培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)48 h后觀察并記錄菌株的形態(tài)特征,經(jīng)革蘭氏染色后置于顯微鏡下觀察細(xì)胞的形狀。
1.5.2 生理生化測定
參考第8版《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊》完成糖發(fā)酵、淀粉水解、檸檬酸鹽利用試驗(yàn)、甲基紅試驗(yàn)(M.R試驗(yàn))、Voges-Proskauer試驗(yàn)(V.P試驗(yàn))、吲哚試驗(yàn)、明膠液化試驗(yàn)、硫化氫試驗(yàn)、丙二酸鹽利用試驗(yàn)等生理生化試驗(yàn)。
1.5.3 分子生物學(xué)鑒定
將活化后的菌株接入30 mL LB肉湯培養(yǎng)基中,于37 ℃、180 r/min 條件下培養(yǎng)24 h。以細(xì)菌基因組提取試劑盒(上海生工生物工程有限公司)提取DNA。采用細(xì)菌16S rDNA 通用上游引物27 F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和下游引物1492 R(5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)對(duì)生物胺降解菌進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。細(xì)菌 PCR 擴(kuò)增總體系為25 μL,其中細(xì)菌 DNA模板2 μL、2×TaqPCR Master Mix 12.5 μL、上下游引物各1 μL、ddH2O 8.5 μL。細(xì)菌 PCR 擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性1 min,55 ℃退火1 min,72 ℃延伸2 min,35個(gè)循環(huán),然后72 ℃延伸10 min。
DNA產(chǎn)物送上海生工生物工程有限公司測序,為提高序列的準(zhǔn)確度,測序采用雙向測序。測序結(jié)果序列在 NCBI 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行 BLASTn 分析比對(duì),選取同源性較高的菌株序列作為參照,用MEGA 5.0軟件進(jìn)行菌株系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建,完成菌種的鑒定。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0和Excel 2010進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)和分析,用Origin 9.0 Pro軟件作圖,表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。
由圖1可知,7種生物胺在35 min內(nèi)都能很好地得到分離,并依此確定了各生物胺標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間,說明此方法具有良好的分離檢測生物胺的效果。
1-色胺;2-β-苯乙胺;3-丁二胺;4-尸胺;5-組胺;6-酪胺;7-亞精胺圖1 生物胺混合標(biāo)品HPLC圖Fig.1 HPLC chromatogram of bio-amine mixed standards
7種不同濃度生物胺混合標(biāo)品經(jīng)高效液相測定后,以峰面積(y)為縱坐標(biāo),生物胺質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,回歸方程及相關(guān)系數(shù)如表2所示,7種生物胺在2.5~100 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系較好,R2>0.997,說明采用HPLC法定量測定樣品中的生物胺具有良好的可靠性。
表2 七種生物胺的回歸方程和相關(guān)系數(shù)Table 2 Regression equations and correlation coefficients of the seven biogenic amines
利用LB瓊脂培養(yǎng)基從不同發(fā)酵階段的鎮(zhèn)遠(yuǎn)道菜樣品中分離出42株細(xì)菌,將其分別接種至生物胺檢測雙層培養(yǎng)基培養(yǎng)48 h后,經(jīng)顯色反應(yīng)篩選出32株生物胺產(chǎn)生菌。顯色結(jié)果見圖2。
a-顏色反應(yīng)陰性;b-顏色反應(yīng)陽性圖2 生物胺顯色反應(yīng)Fig.2 Biogenic amine color reaction
將道菜中篩選出的32株生物胺產(chǎn)生菌接種至以外源生物胺為氮源的MLB培養(yǎng)基中培養(yǎng)6 d,利用HPLC法測定其生物胺降解率。由表3、圖3可知,FJ5-002-003、FJ5-002-005、FJ5-002-007、LS1-002-011、LS1-003-002共5株菌對(duì)酪胺的降解率較高,均在50%以上,最高可達(dá)61.87%;菌株LS1-002-014對(duì)組胺降解能力較強(qiáng),達(dá)到19.42%;菌株LS1-002-014和LS1-003-016對(duì)亞精胺降解效果較好,最高為43.95%。根據(jù)圖3可知,LS1-002-014、LS1-003-016兩株菌對(duì)7種生物胺都具有一定的降解能力,最終根據(jù)生物胺降解率的高低和降解種類的多少選定菌株FJ5-002-005、LS1-002-014和LS1-003-006為后續(xù)研究菌株。
表3 不同菌株對(duì)7種生物胺降解率比較Table 3 Degradation rate of the seven biogenic amines by the different strains
續(xù)表3
圖3 不同生物胺降解菌降胺能力比較Fig.3 Degrading ability of different biogenic amine degrading bacteria
2.4.1 形態(tài)學(xué)鑒定
將生物胺降解菌FJ5-002-005、LS1-002-014、LS1-003-016分別接種至營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上,培養(yǎng)48 h后均出現(xiàn)直徑為2~5 mm的單菌落,各菌株的菌落形態(tài)如圖4所示,形態(tài)學(xué)描述如表4所示。各菌株的革蘭氏染色鏡檢圖如圖5所示,革蘭氏染色結(jié)果顯示,3株菌均為桿狀革蘭氏陽性菌。
a-LS1-003-016;b-LS1-002-014;c-FJ5-002-005圖4 生物胺降解菌的菌落形態(tài)Fig.4 Colony morphology of biogenic amine-degrading bacteria
表4 生物胺降解菌形態(tài)描述Table 4 Microscopic examination of biogenic amine-degrading bacteria
a-LS1-003-016;b-LS1-002-014;c-FJ5-002-005圖5 生物胺降解菌的微生物鏡檢圖Fig.5 Microscopic examination of biogenic amine-degrading bacteria
2.4.2 生理生化測定
依據(jù)《伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊》對(duì)篩選出的3株生物胺降解菌進(jìn)行相應(yīng)的生理生化實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表5。研究表明3株菌的淀粉水解、明膠液化、V-P試驗(yàn)、產(chǎn)硫化氫、過氧化氫酶、精氨酸產(chǎn)氨反應(yīng)均為陽性,3株菌均能利用大部分常見碳源,其中僅有菌株LS1-003-016能利用L-阿拉伯糖,菌株LS1-002-014能利用纖維二糖,FJ5-002-004能利用D-半乳糖。
表5 三株生物胺降解菌生理生化特性Table 5 Physiological and biochemical characteristics of the three strains of biogenic amine-degrading bacteria
2.4.3 分子學(xué)鑒定
將生物胺降解菌FJ5-002-005、LS1-002-014、LS1-003-016的測序序列輸入NCBI 數(shù)據(jù)庫中與較為相似且已發(fā)表的菌株進(jìn)行BLASTn比對(duì),再通過MEGA 5.0軟件將菌株FJ5-002-005、LS1-002-014、LS1-003-016與其同屬親緣關(guān)系較近的模式菌株進(jìn)行同源性分析并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,LS1-002-014與B.amyloliquefaciens親源關(guān)系最近,LS1-003-016與B.subtilis親源關(guān)系最近,FJ5-002-005與B.subtilis親源關(guān)系最近。
結(jié)合菌落和菌株的形態(tài)特征,以及16S rDNA測序分析結(jié)果,分別將菌株LS1-002-014、LS1-003-016、FJ5-002-005鑒定為B.amyloliquefaciens、B.subtilis、B.subtilis。
圖6 基于16SrDNA序列的菌株FJ5-002-005、LS1-002-014、LS1-003-016系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.6 Phylogenetic tree of strains FJ5-002-005,LS1-002-014,and LS1-003-016 based on 16S rDNA sequences
本研究采用雙層顯色平板培養(yǎng)技術(shù)從已分離純化出的42株細(xì)菌中篩選出32株生物胺產(chǎn)生菌,說明道菜發(fā)酵過程中可培養(yǎng)細(xì)菌多數(shù)都具有產(chǎn)胺性能,因此若是采用前人的研究方法則縮小了降胺菌篩選的樣本范圍,不利于高效生物胺降解菌的篩選。繼而利用HPLC技術(shù)從32株產(chǎn)生物胺菌株中篩選出3株具有較好生物胺降解性能的菌株,B.amyloliquefaciens(LS1-002-014)、B.subtilis(LS1-003-016)、B.subtilis(FJ5-002-005)。
菌株LS1-002-014與李東蕊[25]利用高通量技術(shù)從豆瓣醬中篩選出的B.amyloliquefaciens1-G6相比,降解亞精胺的能力較為相近,而組胺降解能力則強(qiáng)于后者,可高達(dá)19.42%。菌株LS1-003-016與張惠超等[26]報(bào)道的生物胺降解菌B.subtilis相比,酪胺降解率低了50.40%,但本研究篩選的菌株LS1-003-016所能降解的生物胺種類更多,如色胺、β-苯乙胺、丁二胺、尸胺、組胺、亞精胺,降解率依次為5.93%、13.60%、18.27%、15.51%、9.16%、34.41%。菌株FJ5-002-005對(duì)酪胺的降解率與EOM等[27]報(bào)道的B.subtilisHJ0-6相比,降解率高出25.9%,且枯草芽胞桿菌在過去的報(bào)道中多作為生物胺產(chǎn)生菌[28],有關(guān)其生物胺降解能力的報(bào)道較少。
本研究采用雙層顯色平板培養(yǎng)技術(shù)從不同發(fā)酵階段的鎮(zhèn)遠(yuǎn)道菜中篩選出32株產(chǎn)生物胺菌,以色胺、β-苯乙胺、丁二胺、尸胺、組胺、酪胺和亞精胺為氮源,考察各菌株對(duì)不同生物胺的降解能力,根據(jù)生物胺降解率的高低和降解種類的多少篩選出LS1-002-014、LS1-003-016、FJ5-002-005共3株生物胺降解菌,經(jīng)形態(tài)學(xué)、生物生化和分子生物學(xué)鑒定上述菌株分別為B.amyloliquefaciens、B.subtilis和B.subtilis。其中菌株LS1-002-014和LS1-003-016對(duì)7種生物胺均具有降解作用,2株菌降解率最高的生物胺均為亞精胺,分別為43.95%、34.41%;而菌株FJ5-002-005則缺乏對(duì)組胺的降解能力,相較于空白組產(chǎn)生了4.59%的組胺,但對(duì)酪胺降解效果明顯,最高達(dá)59.40%。此外本研究結(jié)果還證明了生物胺的降解與菌株本身有關(guān),與其屬無關(guān),同一菌株對(duì)不同生物胺的降解具有特異性。