传统发酵食品(fermented foods)是一类依靠微生物的作用将原料中的营养物质进行分解与转化,产生相应代谢产物的一类食品。该类食品有制作成本低、风味独特及具有较高的营养价值等优点,在世界范围分布广泛[1-2]。发酵工艺已有上千年的历史,有保藏食品、丰富食品种类和有益于身体健康的作用[3]。但在传统发酵食品发酵过程中往往存在微生物来源复杂、不可控等问题,从而导致其质量不稳定[4-5]。因此,亟需对传统发酵食品发酵工艺进行改进。强化发酵是将一种或多种外源微生物接入到未经灭菌的原料中进行发酵,以期提高发酵产品质量的方法[6]。例如,乳酸菌和酵母菌强化发酵四川泡菜可以明显提高总酸、总酯含量,从而改善产品风味[7];接种黑曲霉发酵普洱茶可改善其感官品质[8]。因而,强化发酵可作为一种改进发酵食品工艺的方法。
普洱茶是我国特有的名茶[9],具有抗高脂血症、抗氧化、抗肿瘤和预防糖尿病等多种保健功能[10-11]。其发酵过程主要依靠适宜在茶叶原料中生长繁殖的微生物[12-13],在发酵过程中微生物会产生多种酶类,这些酶类对普洱茶的品质有一定的影响[14]。由于普洱茶生产过程处于开放的环境中,其会存在产品质量不稳定的现象[15]。国内已有关于接菌强化发酵普洱茶的研究,研究表明,强化发酵可缩短加工时间、降低成本、提高茶叶感官品质[16-17]。综上,强化发酵是提高普洱茶品质的有效途径之一,但适宜普洱茶强化发酵的微生物还需要进一步研究。
伞枝犁头霉(Absidia corymbifera)是一种能产淀粉酶和酯化酶的真菌,在传统发酵食品,如食醋[18]、白酒[19]、普洱茶[20]的生产过程中均有一定应用。其在发酵过程中能产生α-酮戊二酸,由此参与糖类、蛋白质的代谢[21]。作为一种在普洱茶发酵中存在的微生物,伞枝犁头霉进行的普洱茶强化发酵是否能够影响发酵过程中的微生物群落,进而改善普洱茶的品质特征,需要进一步研究。本文将从普洱茶中分离鉴定得到的伞枝犁头霉A1接种于灭菌或未灭菌的晒青茶中,对普洱茶进行纯菌发酵和强化发酵,分析发酵样品的感官特征、化学成分及微生物群落结构,以期评估该菌用于普洱茶强化接菌发酵的可行性,为提高普洱茶品质提供试验依据。
晒青茶(一芽三叶)原料(raw material,RM):云南省普洱市茶叶科学研究所;儿茶素[(+)-catechin,C]、没食子酸(gallic acid,GA)、表儿茶素[(-)-epicatechin,EC]、表没食子儿茶素[(-)-epigallocatechin,EGC]、表儿茶素没食子酸酯[(-)-epicatechin-3-gallate,ECG]、表没食子儿茶素没食子酸酯[(-)-epigallocatechin-3-gallate,EGCG]、没食子儿茶素[(-)-gallocatechin,GC]、儿茶素没食子酸酯[(-)-catechin gallate,CG]、没食子儿茶素没食子酸酯[(-)-gallocatechin gallate,GCG]、鞣花酸(ellagic acid,EA)、咖啡碱(caffeine,CA)、杨梅素(myricetin,MY)、槲皮素(quercetin,QU)、木犀草素(luteolin,LU)、山奈酚(kaempferol,KA)标准品:成都曼思特生物科技有限公司;真菌DNA提取试剂盒、细菌DNA提取试剂盒:上海生物工程有限公司;马铃薯葡萄糖琼脂(potato dextrose agar,PDA)培养基:青岛海博生物技术有限公司;DNA聚合酶(2×Rapid Taq Master Mix):南京诺唯赞生物科技公司;DNA Ladder Marker(DNA 分子量标准试剂)、5×Loading Buffer for Agarose gels(DNA染料):上海捷瑞生物工程公司;硫酸亚铁、酒石酸钾钠(均为分析纯):天津市风船化学试剂有限公司;茚三酮、氢氧化钠(均为分析纯):天津市科密欧化学试剂有限公司;DNA引物:北京擎科生物科技有限公司昆明分公司。
HH-S28S型数显恒温水浴锅:金坛市大地自动化仪器厂;756CRT型紫外可见分光光度计:上海菁华科技仪器有限公司;CP214型电子分析天平:上海奥豪斯仪器有限公司;CT15RE型离心机:日本日立公司;SW-CJ-1B型超级工作台:苏州安泰空气技术有限公司;LRHS-250-Ⅱ型生化培养箱:上海跃进医疗器械有限公司;1200型高速液相色谱:配有TSKgel ODS-80TM色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),美国安捷伦公司;Trident 960型基因扩增仪:上海力新仪器有限公司;DW-86L626型医用低温保存箱:青岛海尔生物医疗股份有限公司;YS6060型色差仪:深圳市三恩时科技有限公司;XB.K.25型血球计数板:上海求精生化试剂仪器有限公司。
1.3.1 伞枝犁头霉A1的分离鉴定
对从普洱茶中分离纯化得到的菌株A1进行形态学观察及真菌内转录间隔区(internal transcribed spacer,ITS)序列进行DNA测序分析[22],并利用ITS的DNA序列进行系统发育分析,明确菌株A1的系统分类学地位。
1.3.2 伞枝犁头霉A1菌悬液的制备
将伞枝犁头霉A1,接种于PDA培养基中,25℃培养7 d。用无菌生理盐水冲洗收集其孢子并计数后,将1%的1×107的孢子接种到茶叶培养基中,25℃振荡培养4 d,转速120 r/min。其中,茶叶培养基是用蒸馏水(2 L)在 100℃条件下提取晒青茶(100 g)30 min,四层纱布过滤,然后121℃灭菌20 min制成。
1.3.3 伞枝犁头霉A1纯菌发酵(pure fermentation,PF)普洱茶试验
称取100 g晒青茶置于500 mL三角瓶中,加入40 mL蒸馏水,湿热灭菌(121℃,20 min),冷却后待用。分别将1 mL1×107的伞枝犁头霉A1的孢子的菌悬液接种于灭菌茶样中,28℃、相对湿度60%的培养箱中发酵20 d后取出,-80°C贮藏待用,样品命名为PF;将灭菌茶样不接菌进行相同操作为对照样品(control check,CK)。每组样品进行3个重复。
1.3.4 伞枝犁头霉A1强化发酵(enhanced fermentation,EF)普洱茶试验
强化发酵普洱茶试验:在25 kg晒青茶中加入10 L蒸馏水,再加入250 mL伞枝犁头霉A1的菌悬液拌和混匀后装入发酵筐(50 cm×40 cm×60 cm),进行静置发酵;每隔5 d将茶叶取出翻堆一次后再装入发酵筐,25 d后发酵完成。在每次翻堆前,采用五点取样法取样,-80°C贮藏待用,其中每一翻样品命名为EF1~EF5;将每一翻自然发酵(normal fermentation,NF)的样品(未接入伞枝犁头霉A1)命名为NF1~5。每组样品进行3个重复。
1.3.5 茶叶化学成分测定及感官审评
参考Zhao等[12]分析茶叶特征成分的方法,分别采用恒重法、酒石酸亚铁法、茚三酮比色法、蒽酮法测定茶叶样品水浸出物(water extracts,WE)、茶多酚总量(tea polyphenols,TP)、游离氨基酸(free amino acids,FAA)、可溶性糖(soluble sugars,SS)的含量;应用萃取比色法[23]检测茶红素(thearubigins,TR)、茶黄素(theaflavins,TF)及茶褐素(theabrownins,TB)含量;采用实验课题组建立的高效液相色谱法[13](high performance liquid chromatography,HPLC)定量分析茶叶样品 中 GA、CA、EA、QU、LU、KA、MY、C、EC、EGC、ECG、EGCG、GC、GCG和CG的含量。9位评茶员根据GB/T 23776—2018《茶叶感官审评方法》[24]对茶叶样品的感官品质进行审评;其中,采用定量描述分析法[25]对茶汤滋味特征进行评价,包括苦味、涩味、酸味、甜味和厚重感5个属性,分数从0(无)到9(非常强烈)。同时用色差仪对茶汤的颜色进行测定,其中a*为红绿色,b*为黄蓝色,L*为明暗度。
1.3.6 基于高通量测序进行微生物多样性分析
采用真菌DNA提取试剂盒、细菌DNA提取试剂盒分别提取接种发酵普洱茶样品的真菌和细菌DNA,应用 DNA 聚合酶(2×Rapid Taq Master Mix)进行聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)。其中,利用引物338F和806R扩增细菌16S rRNA的V3-V4区;以引物ITS5-1737F和ITS2-2043R扩增真菌ITS1的V2区。委托深圳微生态公司,应用Illumina MiSeq测序平台对PCR产物进行基因测序[15]。通过QIIME软件检查并剔除嵌合体序列等疑问序列,选择序列比对工具对获得的序列按97%的相似度进行聚类和OTU划分,绘制稀疏曲线,计算Alpha多样性指数,评估每个样本的多样性水平[26]。
应用IBM spss statistics 22.0软件进行统计分析和数据处理,数据以平均值±标准差表示;采用SIMCA14.1软件进行主成分分析;基因测序结果已上传至美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)基因数据库,编号为 MZ570265 和PRJNA691718。
将菌株A1接种到PDA培养基中培养3 d后,将菌株A1测序所得序列与NCBI数据库进行比对,选择模式物种进行建树,伞枝犁头霉A1的分离鉴定结果如图1所示。
图1 伞枝犁头霉A1的分离鉴定
Fig.1 Isolation and identification of Absidia corymbifera A1
A.伞枝犁头霉A1的菌落形态;B.放大400倍显微结构;C.真菌ITS核苷酸序列系统发育树。
结果表明,菌株A1菌丝呈毛状、无匍匐菌丝,菌丝无隔膜、顶端膨大形成圆形的孢子囊(图1A和图1B);A1与AY944895.1-A.corymbifera聚为一支(图1C),故将A1命名为伞枝犁头霉A1(A.corymbifera A1)。
对伞枝犁头霉A1纯菌发酵普洱茶样品与对照样品(CK)进行感官审评,PF的茶汤呈橙红色、滋味醇厚,CK的茶汤为黄绿色、涩味较为突出。表明伞枝犁头霉A1纯菌发酵能改变晒青茶的感官特征,并与传统普洱茶的感官品质(茶汤呈红褐色、滋味醇厚回甘)相似[27]。采用高效液相色谱法和分光光度法测定22种茶叶特征成分的含量,结果如图2所示。
图2 不同茶叶样品中22种茶叶特征成分
Fig.2 22 tea characteristic components in different tea samples
同一行的不同小写字母表示特征成分含量之间差异显著(P<0.05)。
由图2可知,与CK相比,PF中茶多酚(TP)和5种儿茶素(C、EGC、EGCG、ECG、CG)含量显著降低(P<0.05),因此PF茶汤苦涩度降低;而因茶褐素(TB)和茶红素(TR)含量显著增加(P<0.05),使得茶汤由黄绿色变为红褐色。这些茶叶特征成分的变化也与传统普洱茶发酵过程中物质的变化相似[28],故伞枝犁头霉A1对普洱茶的发酵起到积极作用。
对自然发酵及强化发酵样品进行感官审评,结果见表1和图3。
表1 NF与EF感官审评结果
Table 1 Sensory evaluation results of normal fermentation(NF)and enhanced fermentation(EF)
茶样 外形 汤色 滋味 香气 叶底NF 条索紧结、匀整,颜色较红褐 红褐明亮 浓醇回甘 香气纯正 红褐,较柔软EF 条索紧结、匀整,颜色红褐 红褐尚亮 醇厚回甘 香气纯正,略带陈香 红褐,柔软
图3 NF和EF干茶、茶汤、茶底的感官特征
Fig.3 Sensory characteristics of dry tea,tea infusion and wet tea leaf in normal fermentation(NF)and enhanced fermentation(EF)
A.NF干茶、茶汤、茶底的感官特征;B.EF干茶、茶汤、茶底的感官特征;C.NF和EF茶汤的颜色参数;D.NF和EF茶汤的滋味特征。
由表1和图3可知,经NF和EF处理后,茶汤均呈红褐色、滋味回甘、香气纯正,但EF茶汤颜色更深、滋味更加醇厚、香气略带怡人的陈香。经色差仪测定两者茶汤颜色时,发现EF的a*值(27.55±0.44)和b*值(77.59±1.12)较高,而 L*值(67.53±0.98)较低。9位评茶员审评茶汤后得出,EF的甜味(4.78±0.83)和厚重感(6.89±0.93)分值较高,而苦味(3.67±0.78)、涩味(1.11±0.50)和酸味(0.22±0.44)分值较低,进一步说明了EF具有更深的红褐色和更好的风味。
由茶叶特征成分含量可知,EF中TB和SS含量显著高于NF(P<0.05),与感官审评EF具有更深的红褐色和更显著的甜味的结果相符;而C、CG、EC、GCG、EGCG、ECG 和 EGC 含量显著低于 NF(P<0.05),验证了EF的苦涩度较NF更低。因此,伞枝犁头霉A1强化发酵提高了普洱茶的感官品质。
NF和EF的茶叶样品微生物群落的丰富度与α多样性指数,如表2所示。
表2 茶叶样品微生物群落的丰富度与α多样性指数
Table 2 Richness of microbial communities and alpha diversity indices in tea samples
微生物类别 样品名 OTUs 菌群丰富度 菌群多样性均匀度指数 香农指数 辛普森指数真菌 RM 503±168 619.68±229.42 4.14±1.35 0.76±0.25 NF1 691±140 901.09±113.01 4.36±0.64 0.82±0.08 NF2 833±35 953.14±66.99 3.38±0.65 0.68±0.10 NF3 793±84 977.89±82.71 4.26±0.12 0.84±0.01 NF4 801±16 952.54±34.90 3.38±0.30 0.70±0.07 NF5 833±65 1 011.8±92.53 3.63±0.71 0.73±0.11 EF1 492±221 609.49±261.47 3.17±0.60 0.68±0.18 EF2 609±148 734.37±181.04 2.52±0.13 0.57±0.10 EF3 719±128 937.79±46.80 3.89±0.11 0.82±0.06 EF4 604±132 805.59±161.38 4.13±1.06 0.84±0.10 EF5 564±241 736.07±301.40 3.21±1.75 0.66±0.34细菌 RM 482±81 675.61±181.44 5.12±0.15 0.91±0.03 NF1 755±185 992.75±249.34 4.80±0.30 0.86±0.02 NF2 1 452±254 1 855.03±330.47 6.07±0.56 0.94±0.02 NF3 1 349±289 1 744.94±344.72 6.30±0.11 0.94±0.01 NF4 1 583±364 2 067.56±405.01 6.66±0.47 0.95±0.02 NF5 1 603±302 2 208.00±355.25 6.74±0.65 0.95±0.02 EF1 1 075±456 1 610.28±701.84 4.21±0.98 0.80±0.11 EF2 1 558±54 2 354.79±131.73 6.37±0.12 0.95±0.01 EF3 1 978±260 2 801.79±470.97 6.51±1.10 0.91±0.07 EF4 1 423±115 1 768.27±262.79 5.46±0.34 0.85±0.03 EF5 1 362±261 1 752.17±391.52 5.12±0.42 0.83±0.02丰富度指数660.84±214.95 913.28±113.17 944.37±61.03 970.41±82.89 937.10±33.11 1 006.33±83.45 617.93±257.14 728.65±173.32 914.35±71.34 813.54±174.52 738.53±294.86 692.98±155.66 1 012.02±242.06 1 854.53±327.64 1 755.63±301.68 2 069.81±433.05 2 158.70±323.00 1 642.95±726.16 2 352.85±84.95 2 838.94±412.89 1 855.03±291.15 1 846.32±448.25
由表2可知,经过QIIME软件检查并剔除嵌合体序列等疑问序列后,得到54 330~103 310个序列,归类为503个~833个真菌OTUs、482个~1978个细菌OTUs。随着发酵的进行,EF中真菌及细菌的丰富度和多样性增加,但在发酵后期(EF4~EF5)均有所下降,与NF细菌的丰富度和多样性在发酵后期(NF4~NF5)整体上呈继续上升趋势形成差异。
茶叶样品中真菌种水平和细菌属水平的群落结构如图4所示。
图4 茶叶样品中微生物群落结构
Fig.4 Microbial community structure in tea samples
A.真菌群落的主成分分析;B.细菌群落的主成分分析;C.真菌种水平群落结构;D.细菌属水平群落结构。
由图4可知,在发酵过程中EF和NF的微生物群落结构动态变化,且在各个阶段差异显著(图4A和图4B)。主要原因是发酵过程中化学成分的不断变化以及微生物之间的相互作用(如共生和拮抗作用)[29]。如图4C所示,在原料(RM)中优势真菌为Brunneoclavispora bambusae(41.50%),黑曲霉(21.18%)和马克斯克鲁维酵母(17.27%)。在强化发酵样品中,B.bambusae(31.98%)是发酵初期(EF1)的优势真菌,随着发酵进行,微小根毛霉(38.76%~70.60%)迅速生长繁殖,在发酵中期(EF2~EF3)成为优势真菌,食腺嘌呤芽生葡萄孢酵母(40.13%)在发酵后期(EF5)成为优势真菌;另外黑曲霉(6.38%~13.93%)在整个发酵阶段均为优势真菌(图4C)。作为对比,在传统自然发酵过程中黑曲霉始终是优势真菌(26.64%~37.40%),此外在发酵初期(NF1)的优势真菌还包括马克斯克鲁维酵母(31.28%),随着发酵的进行,微小根毛霉(37.48%~61.22%)迅速繁殖,与黑曲霉共同组成发酵中后期(NF2~NF5)的优势真菌。虽然在发酵初期将伞枝犁头霉A1接种到未经灭菌的晒青茶中进行强化发酵,但是整个发酵过程处于开放状态,环境中的微生物也会进入发酵系统。因此,一些适合在茶叶上生长的微生物会在这种发酵体系中生长并大量繁殖。
如图4D所示,RM的优势细菌主要是肠杆菌(20.94%)、金黄杆菌(16.65%)和假单胞菌(6.90%)。在强化发酵过程中,假单胞菌(16.42%~61.70%)、拟杆菌(9.66%~19.42%)和芽孢杆菌(8.54%~20.65%)是发酵中前期(EF1~EF2)的优势细菌,随着发酵的继续进行,短状杆菌(14.27%~19.90%)、考克氏菌(13.02%~24.04%)和葡萄球菌(33.97%~48.71%)共同成为发酵中后期(EF3~EF5)的优势细菌(图4D)。在传统自然发酵过程中,发酵前期(NF1)的优势细菌主要是大肠埃希-志贺菌(32.41%)、克雷白氏菌(27.41%)和假单胞菌(24.54%);芽孢杆菌(37.07%)在发酵中期(EF3)成为优势细菌;而在发酵后期(EF5),大肠埃希-志贺菌(16.46%)再次成为优势细菌。
综上,尽管在强化发酵过程中伞枝犁头霉A1没有成为优势真菌,但相对于NF显著改变了其它微生物的相对丰度,例如增加了B.bambusae、食腺嘌呤芽生葡萄孢酵母、微小根毛霉、葡萄球菌、假单胞菌和芽孢杆菌的相对丰度,降低了黑曲霉、马克斯克鲁维酵母、大肠埃希-志贺菌和克雷白氏菌的相对丰度。微生物相对丰度的这些变化解释了强化发酵样品的茶叶特征成分和感官特征的变化。
将伞枝犁头霉A1接种于灭菌或未经灭菌的晒青茶中,分别进行纯菌发酵与强化发酵。经纯菌发酵后茶叶中茶多酚和 5 种儿茶素(C、EGC、EGCG、ECG、CG)含量显著降低(P<0.05),茶褐素和茶红素含量显著增加(P<0.05)。经强化发酵后茶褐素和可溶性糖含量显著高于传统自然发酵(P<0.05),而 C、CG、EC、GCG、EGCG、ECG 和 EGC 含量显著降低(P<0.05);茶汤的感官特征随之发生变化,例如,a*、b*、甜味和厚重感的数值增加,L*、苦味、涩味和酸味数值降低。虽然伞枝犁头霉A1在强化发酵过程中没有成为优势真菌,但其促使了其他几种主要微生物相对丰度的显著变化,如增加了B.bambusae、食腺嘌呤芽生葡萄孢酵母、微小根毛霉、葡萄球菌、假单胞菌和芽孢杆菌的相对丰度,降低了黑曲霉、马克斯克鲁维酵母、大肠埃希-志贺菌和克雷白氏菌的相对丰度。因此,接种伞枝犁头霉A1进行的强化发酵通过与其它微生物的协同作用改变普洱茶中茶叶的特征成分,从而提高普洱茶的感官品质。
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