劉英杰,黃 鈞,秦 輝,張宿義,董 異,王 超,王小軍,周榮清,2,*
(1.四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065;2.國(guó)家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心,四川 瀘州 646699;3.瀘州老窖股份有限公司,四川 瀘州 646699)
傳統(tǒng)發(fā)酵食品不僅生產(chǎn)歷史悠久,也是食品及現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,且白酒產(chǎn)業(yè)與民族生物產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)[1-2]。大曲是傳統(tǒng)白酒生產(chǎn)過程中必需的發(fā)酵劑、酶制劑與獨(dú)特的原料,其微生物群落的多樣性對(duì)基酒的品質(zhì)和風(fēng)味影響顯著[3]。大曲因原料、過程調(diào)控參數(shù)不同,主要分為濃、醬、清3種主要類型,在白酒的生產(chǎn)中,賦予其獨(dú)特工藝和風(fēng)味特點(diǎn)。這些大曲生產(chǎn)工藝的共同特點(diǎn)是自然接種、生料發(fā)酵、控溫調(diào)濕定向馴化和調(diào)控其群落與代謝[4]。類似眾多的傳統(tǒng)發(fā)酵食品生產(chǎn),棲息在環(huán)境中的微生物與大曲群落多樣性和演替密切相關(guān)[5-6]。大曲坯是天然培養(yǎng)基[3],原料、生產(chǎn)環(huán)境及設(shè)施等微生物群落結(jié)構(gòu)與大曲的密切相關(guān)[7-9],且影響大曲發(fā)酵過程。如棲息在空氣和發(fā)酵設(shè)施的耐酸乳桿菌(Lactobacillus acetotolerans)是清香大曲酒發(fā)酵的主要菌源[10-11],從釀造車間和曲房空氣中分離到了產(chǎn)特征風(fēng)味的功能酵母和產(chǎn)酶細(xì)菌[12-13],大曲生產(chǎn)環(huán)境空氣中棲息的微生物與大曲細(xì)菌群落的變遷關(guān)系密切[14-15]。生產(chǎn)環(huán)境與大曲間優(yōu)勢(shì)菌群相互交換,驅(qū)動(dòng)大曲微生物群落結(jié)構(gòu)的演替[16-18],營(yíng)造了獨(dú)特的微生態(tài),是生產(chǎn)高質(zhì)量大曲的重要基礎(chǔ)。然而,大曲微生物群落來源和形成機(jī)制的研究仍然較少,且生產(chǎn)環(huán)境與成曲間群落互作關(guān)系迄今鮮見報(bào)道。
本研究以同企業(yè)使用周期差異顯著的新老制曲基地及生產(chǎn)的大曲為對(duì)象,應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù)探討生產(chǎn)環(huán)境(空氣、設(shè)施)、原料與大曲微生物群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過溯源分析解析其微生物菌群對(duì)大曲群落組成的貢獻(xiàn),旨在揭示濃香型大曲微生物群落的來源,為解析大曲群落定向馴化和驅(qū)動(dòng)作用提供一定的參考依據(jù)。
Fast DNA SPIN基因提取試劑盒 美國(guó)MP Biomedicals公司;Q5 DNA高保真聚合酶 美國(guó)New England Biolabs公司;瓊脂糖、瓊脂糖凝膠電泳緩沖液TAE 美國(guó)Invitrogen公司;Marker DL2000 日本TaKaRa公司;Agencourt AMPure Beads 美國(guó)Beckman Coulter公司;PicoGreen dsDNA檢測(cè)試劑盒 美國(guó)Invitrogen公司。
PSW-Y液體撞擊式微生物氣溶膠采樣器 常州普森電子儀器廠;GL-20G-II立式高速冷凍離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器有限公司;Nanodrop ND-1000紫外分光光度計(jì)美國(guó)Thermo Fisher公司;2720聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增儀 美國(guó)ABI公司;Gel DocTMXR+凝膠成像系統(tǒng) 美國(guó)Bio-Rad公司。
1.3.1 空氣樣品的收集和處理
采樣時(shí)間正值大曲生產(chǎn),采樣地點(diǎn)為石堡灣的瀘州老窖制曲生態(tài)園區(qū)(簡(jiǎn)稱老廠,28°55'22''N、105°28'36''E)和黃艤的瀘州老窖制曲中心(簡(jiǎn)稱新廠,28°51'46''N、105°34'14''E),前者使用周期長(zhǎng)達(dá)25 a,采用機(jī)械制曲工藝;后者使用周期僅2 a,過程參數(shù)等控制與老廠一致,采用智能化制曲工藝,且將陳曲粉撒在曲房?jī)?nèi)營(yíng)造優(yōu)勢(shì)微生物的小生境。
環(huán)境設(shè)施表面參考Du Hai等[9]方法,磷酸鹽緩沖液預(yù)先潤(rùn)濕的無(wú)菌脫脂棉球,均勻涂抹制曲車間地面、制曲機(jī)器、制曲工具、運(yùn)輸推車和曲架等環(huán)境后,放入50 mL無(wú)菌離心管后密封。環(huán)境空氣采用液體撞擊式微生物氣溶膠采樣器收集于15 mL無(wú)菌的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液中,采樣流量控制為12 L/min,采樣時(shí)間為15 min,然后裝入50 mL無(wú)菌離心管,于4 ℃保存待處理。隨后,0.22 μm硝酸纖維素濾膜真空抽濾,收集富集菌體的濾膜,置于50 mL離心管中,-80 ℃保藏用于DNA的提取、擴(kuò)增。
在老廠和新廠的曲坯、制曲車間空氣及地面、原料、成曲(剛轉(zhuǎn)房的大曲)取平行樣,老廠制曲機(jī)器、制曲工具、手推車各取3個(gè)平行樣,新廠陳曲(存放3個(gè)月以上)[19]和曲架各取3個(gè)平行樣。因系多層制曲,老廠和新廠的成曲分別在上、中、下層各取3個(gè)平行樣,除老廠原料取了兩份平行樣外,其余樣品均為3個(gè)平行樣,樣品標(biāo)簽參見表1。
表1 老廠和新廠樣品的名稱和標(biāo)簽Table 1 Information about microbial samples from old and new Daqu production bases
1.3.2 DNA的提取和擴(kuò)增
按照He Guiqiang[4]和Tang Qiuxiang[20]等方法提取總DNA并完成PCR擴(kuò)增。按照Fast DNA SPIN提取試劑盒供應(yīng)商提供的操作程序提取各種樣品的總DNA,使用Nanodrop ND-1000初檢測(cè)其濃度和純度后,再用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)其分子大小和純度。隨后分別按以下條件完成細(xì)菌和真菌的PCR擴(kuò)增:細(xì)菌V3-V4區(qū)采用通用引物338F/806R,真菌ITS1區(qū)采用通用引物ITS5F/ITS1R。PCR擴(kuò)增體系(25 μL):5×reaction buffer和5×GC buffer各5 μL,0.25 μL DNA聚合酶(5 U/μL,Q5 High-Fidelity),2 μL dNTPs(2.5 mmol/L),正反引物各1 μL(10 μmol/L),2 μL DNA模板,8.75 μL ddH2O。細(xì)菌PCR參數(shù):98 ℃預(yù)熱2 min,98 ℃變性15 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共25個(gè)循環(huán),最后72 ℃保持5 min。真菌PCR參數(shù):95 ℃預(yù)熱3 min,95 ℃變性30 s,61 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s,共32個(gè)循環(huán),最后72 ℃保持10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用Agencourt AMPure Beads純化,使用PicoGreen dsDNA檢測(cè)試劑盒定量。
1.3.3 高通量測(cè)序和序列分析
PCR純化產(chǎn)物送至上海派森諾生物科技有限公司,使用MiSeq基因測(cè)序試劑盒v3進(jìn)行2×300 bp雙端測(cè)序。采用QIIME pipeline對(duì)原始序列進(jìn)行處理,依據(jù)Caporaso等[21]方法去除一些低質(zhì)量序列,包括長(zhǎng)度<150 bp、序列平均質(zhì)量<20、單堿基重復(fù)數(shù)>8 bp以及模糊的堿基。最后利用UCLUST算法將高質(zhì)量的序列以97%的序列相似度聚成不同的可操作分類單元(operational taxonomic unit,OTU)[22]。隨后在Greengenes和UNITE數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索比對(duì)這些序列,最后生成OTU表,記錄每個(gè)樣本中各OTU的豐度和分類。
原始數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 26.0進(jìn)行單因素方差分析,P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。序列數(shù)據(jù)分析主要使用QIIME(v1.8.0),使用R軟件(v4.0.5)進(jìn)行聚類分析和非度量多維尺度(non-metric multidimensional scaling,NMDS)分析,并采用貝葉斯算法軟件SourceTracker(v1.0)[23]追溯曲坯微生物群落的來源,其他統(tǒng)計(jì)分析使用Origin 2021。
圖1 大曲及其潛在微生物來源的細(xì)菌(A、B)和真菌(C、D)α多樣性差異Fig. 1 Difference in α-diversity of bacteria (A, B) and fungi (C, D) from Daqu from old and new production bases and its potential microbial sources
所有樣品真菌和細(xì)菌的有效序列在53 979~103 223和55 328~120 392之間,其高質(zhì)量序列在47 331~101 111和38 476~107 863之間,稀疏曲線結(jié)果表明,測(cè)序深度可以表征微生物群落的多樣性。各種樣品的細(xì)菌和真菌α多樣性差異如圖1所示。
在老廠的曲坯細(xì)菌豐富度小于成曲,多樣性則略高,原料的α多樣性低于成曲。因長(zhǎng)期粉塵沉降和富集,制曲車間地面的細(xì)菌豐富度和多樣性最高,真菌的豐富度亦最高。高溫定向馴化的作用降低了成曲的真菌豐富度和多樣性。原料的真菌多樣性最高,而制曲車間空氣的最低。在新廠中,曲坯微生物α多樣性與原料相當(dāng),發(fā)酵后細(xì)菌的α多樣性增高,真菌則降低。新廠車間空氣的α多樣性最低,且低于老廠。曲架因反復(fù)接觸曲坯,細(xì)菌和真菌α多樣性較高。因老廠使用周期長(zhǎng),空氣和環(huán)境中的α多樣性高于新廠,老廠曲坯的多樣性也高于原料和成曲。類似已報(bào)道的結(jié)果,兩個(gè)制曲基地的成曲真菌α多樣性低于原料及環(huán)境等[9,24]。
圖2 細(xì)菌(A)和真菌(B)的NMDSFig. 2 Bacterial (A) and fungal (B) NMDS
如圖2所示,老廠中的曲坯與原料、機(jī)器、工具等群落結(jié)構(gòu)相似度高,與制曲車間空氣則距離較遠(yuǎn)。與老廠類似的是,新廠曲坯細(xì)菌和真菌群落與原料的距離都很近,而與車間空氣、地面等和曲架距離都較遠(yuǎn),新廠曲坯群落與環(huán)境的差異較老廠大,成曲和經(jīng)3個(gè)月存放的大曲(陳曲)群落結(jié)構(gòu)相似,說明通過撒陳曲粉營(yíng)造了適合大曲生產(chǎn)的環(huán)境。
圖3 老廠優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(A)和真菌(B)分布Fig. 3 Distribution of dominant bacteria (A) and fungi (B) in Daqu from old production base
老廠各種樣品中前16個(gè)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬(至少在兩個(gè)樣品中相對(duì)豐度>2%)的結(jié)果如圖3A所示。與原料聚為一簇的曲坯的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為Weissella(70.17%)、Pantoea(10.09%)、Leuconostoc(5.79%)和Lactobacillus(3.79%)。與曲坯聚為一亞簇的成曲中除Weissella(49.91%)、Lactobacillus(13.04%)和Leuconostoc(2.28%)是優(yōu)勢(shì)細(xì)菌外,Staphylococcus(21.64%)、Bacillus(3.29%)和Pediococcus(2.32%)也占優(yōu)勢(shì)。如圖3B所示,曲坯與除空氣外的環(huán)境樣品聚為一簇,其優(yōu)勢(shì)真菌包括Pichia(32.24%)、Hyphopichia(4.89%)、Wickerhamomyces(1.94%)。Thermoascus(46.90%)、Thermomyces(12.35%)、Rhizopus(9.90%)、Hyphopichia(9.30%)以及Aspergillus(8.71%)則是成曲中的優(yōu)勢(shì)真菌。車間空氣以Phialemoniopsis(97.58%)為主。曲坯中的3種優(yōu)勢(shì)真菌并不主要來自原料而可能源于地面、工具和機(jī)器等環(huán)境設(shè)施。
圖4 新廠優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(A)和真菌(B)分布Fig. 4 Distribution of dominant bacteria (A) and fungi (B) in Daqu from new production base
新廠各種樣品中,前17個(gè)不同屬的細(xì)菌的聚類分析結(jié)果如圖4A所示。聚為同簇的曲坯、原料、成曲和陳曲中,Weissella和Leuconostoc為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌,但各樣品間的豐度差異顯著,在曲坯中為98.22%和0.58%、原料中為87.37%和11.36%、成曲中為27.85%和12.55%,而在陳曲中則為47.03%和5.85%。成曲中的Bacillus和Lactobacillus分別增至2.50%和14.60%,Weissella顯著降低,而與陳曲聚類為同亞簇。新廠各樣品中的優(yōu)勢(shì)真菌屬如圖4B所示。曲坯與原料聚為同亞簇,Pichia(5.29%)、Hyphopichia(0.07%)和Alternaria(0.07%)為優(yōu)勢(shì)真菌,原料中檢出的Alternaria(5.83%)為優(yōu)勢(shì)真菌。成曲和陳曲中的優(yōu)勢(shì)真菌則為Thermoascus(44.20%和44.33%)、Thermomyces(31.25%和8.94%)、Pichia(4.55%和37.16%)以及Aspergillus(10.06%和5.67%)。地面和曲架的Aspergillus等豐度較高而聚類為同亞簇,制曲空氣仍為Phialemoniopsis(99.31%)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
兩個(gè)制曲基地中曲坯和成曲檢出的優(yōu)勢(shì)微生物都是曾報(bào)道大曲與白酒發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)功能菌[9,16,25]。這些微生物包括合成多種風(fēng)味前體物質(zhì)的Staphylococcus、產(chǎn)多種功能酶的Bacillus[26]及Lactobacillus、Leuconostoc、Pediococcus、Weissella等乳酸菌[27],發(fā)酵初期的窖泥和糟醅中的優(yōu)勢(shì)酵母Pichia和Hyphopichia[28]。Pichia可能來源于環(huán)境,在白酒發(fā)酵中具有關(guān)鍵作用[29],是乙醇、有機(jī)酸和酯類等多種芳香化合物的貢獻(xiàn)者[9,30]。而Pantoea和Alternaria在小麥原料中為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和真菌[8],Thermoascus和Thermomyces等為高效降解碳水化合物的嗜熱真菌[31-32]。此外,環(huán)境設(shè)施與大曲群落間相互交換,所以在空氣和環(huán)境設(shè)施中也都有檢出這些種屬。
進(jìn)一步對(duì)兩廠大曲微生物進(jìn)行溯源分析,以確定大曲中的微生物來源以及具體菌屬的貢獻(xiàn)。
老廠的20個(gè)樣本(不含成曲)檢出215個(gè)屬的細(xì)菌和137個(gè)屬的真菌,樣品曲坯設(shè)定為Sink,其余樣品設(shè)為不同Source,SourceTracker結(jié)果表明曲坯中細(xì)菌屬源于原料(49.3%)和制曲工具(40.3%),細(xì)菌的未知來源(0.8%)較少,車間空氣(0.1%)和地面(0.2%)貢獻(xiàn)度最低(圖5B)。進(jìn)一步對(duì)曲坯屬水平細(xì)菌群落溯源分析,結(jié)果表明曲坯優(yōu)勢(shì)細(xì)菌如Weissella、Pantoea、Leuconostoc、Lactobacillus以及Bacillus等都主要來源于原料和制曲工具,而Rothia、Gluconobacter、Escherichia-Shigella和Rhodococcus等主要來源于制曲工具和機(jī)器,車間空氣和地面對(duì)曲坯細(xì)菌貢獻(xiàn)較低。曲坯中真菌屬主要來源于原料(56.1%),其次是制曲工具(16.7%)、制曲機(jī)器(5.3%)等環(huán)境設(shè)施樣品,車間空氣等其他環(huán)境樣品對(duì)曲坯微生物貢獻(xiàn)較少(圖5A)。原料可能并未對(duì)曲坯的優(yōu)勢(shì)真菌有較大貢獻(xiàn)。曲坯屬水平真菌群落的溯源分析結(jié)果表明曲坯優(yōu)勢(shì)真菌Hyphopichia和Wickerhamomyces來源于環(huán)境設(shè)施樣品,Alternaria主要來源于原料,而Pichia來源于原料與環(huán)境樣品,Trichosporon、Rhizopus和Aspergillus主要來源于原料和制曲工具,而車間空氣對(duì)曲坯真菌貢獻(xiàn)較少,主要貢獻(xiàn)了Pichia、Kazachstania和Phialemoniopsis。
對(duì)于新廠,18個(gè)樣本(不含成曲)共檢出183個(gè)屬細(xì)菌和76個(gè)屬真菌,陳曲因新廠撒陳曲粉而作為來源樣本分析。SourceTracker結(jié)果表明新廠曲坯中細(xì)菌屬主要來源于原料(96.5%),其次是陳曲(2.6%),而車間空氣(0.01%)貢獻(xiàn)最低(圖5C)。新廠曲坯中真菌屬主要來源于原料(96.4%),其次是陳曲(3.5%),車間地面等其他環(huán)境樣品對(duì)曲坯真菌貢獻(xiàn)較少。與老廠相比,原料貢獻(xiàn)度更高,結(jié)合前述分析表明撒陳曲粉強(qiáng)化發(fā)酵對(duì)曲坯細(xì)菌和真菌都有所貢獻(xiàn)且對(duì)后者貢獻(xiàn)更大。對(duì)屬水平真菌和細(xì)菌群落進(jìn)行溯源分析(圖5C),結(jié)果表明,對(duì)于真菌,原料主要為曲坯貢獻(xiàn)了Alternaria、Aspergillus、Wickerhamomyces及其他菌屬,而陳曲貢獻(xiàn)了Thermoascus、Thermomyces、Trichosporon和Mucor等耐高溫菌屬以及Pichia、Hyphopichia、Candida等酵母菌屬。對(duì)于細(xì)菌,原料主要為曲坯貢獻(xiàn)了Weissella、Leuconostoc、Lactobacillus以及Staphylococcus、Acetobacter等,陳曲主要貢獻(xiàn)了Pediococcus和Bacteroides,這些細(xì)菌在大曲已檢出,也是白酒發(fā)酵過程中的重要功能菌[9,16,25]。
環(huán)境等對(duì)老廠曲坯的貢獻(xiàn)度更高,特別是細(xì)菌群落。與老廠相比,新廠空氣和環(huán)境對(duì)曲坯微生物的貢獻(xiàn)度很小,且原料對(duì)新廠曲坯的貢獻(xiàn)更高,新廠可能由于新建其曲坯群落與環(huán)境的差異較老廠大。由此可見,生產(chǎn)環(huán)境在濃香型大曲的制造過程中起到關(guān)鍵作用,同時(shí)通過撒陳曲粉的強(qiáng)化方式可快速營(yíng)造適合大曲生產(chǎn)的環(huán)境。
圖5 老廠和新廠不同來源微生物對(duì)曲坯的平均貢獻(xiàn)率及屬水平溯源分析Fig. 5 Average contribution rates of microorganisms from different sources to microbial community in raw starter brick before incubation and genus-level traceability
經(jīng)過中高溫發(fā)酵過程,大曲的群落組成發(fā)生了顯著變化,進(jìn)一步以相同的制曲環(huán)境和原料作為微生物來源,對(duì)成曲進(jìn)行溯源分析,SourceTracker結(jié)果顯示,制曲環(huán)境和原料對(duì)老廠成曲細(xì)菌群落的貢獻(xiàn)度較高,尤其是制曲工具(76.3%),而對(duì)真菌群落的貢獻(xiàn)度較小且真菌未知來源較多(95.4%),如嗜熱真菌屬等(圖6A),并且新廠成曲細(xì)菌和真菌群落主要來源于原料(13.3%和0.6%)和陳曲(40.8%和14.8%),而受環(huán)境影響較小,真菌的未知來源仍較多(73.8%)(圖6B)。這些結(jié)果說明環(huán)境對(duì)老廠成曲細(xì)菌群落的貢獻(xiàn)度同樣較高,而真菌群落相對(duì)穩(wěn)定,受環(huán)境微生物的影響較小,這可能是大曲微生物群落受溫、濕度等環(huán)境參數(shù)調(diào)控和馴化所致[33],尤其是真菌。新廠可能不如老廠環(huán)境微生物豐富和穩(wěn)定,撒陳曲粉強(qiáng)化營(yíng)造了適合大曲生產(chǎn)的環(huán)境,有利于新廠大曲的定向馴化,對(duì)維持大曲品質(zhì)穩(wěn)定性具有十分重要的作用。
圖6 老廠(A)和新廠(B)不同來源微生物對(duì)成曲的平均貢獻(xiàn)率Fig. 6 Average contribution rates of microorganisms from different sources to mature Daqu from old (A) and new (B) production bases
以同企業(yè)的新老制曲基地及生產(chǎn)的大曲為對(duì)象,應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù)探討了生產(chǎn)環(huán)境(空氣、設(shè)施)及原料與大曲的群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過溯源分析解析了其微生物菌群對(duì)大曲群落組成的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明,在新老兩廠,大曲中檢出的優(yōu)勢(shì)微生物都是白酒發(fā)酵過程的重要功能菌,曲坯都以Weissella、Lactobacillus、Leuconostoc等乳酸菌和Pichia、Hyphopichia為主,而成曲中Bacillus、Lactobacillus增加,相應(yīng)地,Weissella減少,真菌則以Thermoascus和Thermomyces等嗜熱真菌為主。生產(chǎn)環(huán)境在濃香型大曲的制造過程中起著關(guān)鍵作用。環(huán)境設(shè)施與大曲微生物群落間相互交換,驅(qū)動(dòng)大曲微生物群落結(jié)構(gòu)的演替,且長(zhǎng)期使用的生產(chǎn)環(huán)境的群落多樣性更高。SourceTracker結(jié)果顯示,老廠曲坯中微生物主要來源于原料和制曲工具,且老廠環(huán)境對(duì)曲坯和成曲細(xì)菌群落組成的貢獻(xiàn)度都更高,但真菌群落相對(duì)穩(wěn)定,受環(huán)境微生物的影響較小。新廠曲坯微生物主要來源于原料,陳曲對(duì)新廠成曲的微生物貢獻(xiàn)高于對(duì)曲坯的貢獻(xiàn),通過適當(dāng)強(qiáng)化方式營(yíng)造適合大曲生產(chǎn)的環(huán)境,可以使生產(chǎn)環(huán)境乃至大曲本身朝著有利于大曲品質(zhì)的方向發(fā)展。研究結(jié)果揭示了濃香型大曲微生物群落的來源,為解析大曲群落定向馴化和驅(qū)動(dòng)作用提供參考依據(jù)。