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糟粕醋中微生物多样性及其冷链物流对策建议研究

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文章出处:作者:人气:-发表时间:2024-07-22 12:15:00

 在我国古代,人们通过自然发酵的方式制作酢,利用发酵过程中产生的酸味来储存和调味食物[1][2]。糟粕醋的制作方法一直延续至今,传统的制作过程包括将米糟或面糟加入水中,经过自然发酵,微生物在其中产生醋酸,形成醋的特有风味[3][4]。不同地区的糟粕醋具有独特的特色,反映了当地的气候、水质和生态环境等因素[5][6],例如,浙江、陕西、四川等地都有着悠久的糟粕醋制作传统,每个地方都有自己独特的制作工艺和口味[7]。糟粕醋在中国传统饮食文化中占有重要地位,不仅是食物的调味品,而且常常被用于烹饪,其制作方法、口感和用途都在一代又一代的传承中得以保存[8]

糟粕醋的加工是一个复杂的发酵过程,涉及米糟或面糟的制备、发酵和陈酿等多个阶段[9],其主要的原料为大米或面粉,而糟粕是前一批醋制作过程中留下的渣滓,含有有益微生物,这些原料在制作前需要经过清洗和处理,确保无杂质[10]。大米或面粉与水混合,经过蒸煮后制成糟粕,糟粕与水混合,形成发酵液,这一混合物暴露于空气中,使空气中的自然微生物和醋酸菌能够进入,并将酒精转化成醋酸,时间长短取决于所用的发酵方法和具体的工艺[11][12],发酵完成时,醋液被留在容器中进行陈酿,经过陈酿的糟粕醋风味变得更加浓郁,且口感更加丰富[13]

糟粕醋是一种传统食品,其营养成分主要来源于原料以及发酵过程中微生物产生的代谢物。醋酸是糟粕醋的主要成分,在酵母和细菌作用下将酒精转化成醋酸,赋予醋独特的酸味。在发酵过程中,酵母和细菌会分解蛋白质[14][15],生成氨基酸,氨基酸是构成蛋白质的基本组成部分,对于身体的生长和维护有着关键作用。由于原料和微生物的复杂作用,糟粕醋中还含有多酚类化合物,多酚是一类具有抗氧化作用的物质,能够减少机体中的自由基[16]

研究糟粕醋中微生物多样性具有重要意义,因为微生物在发酵过程中起着关键作用,直接影响醋的品质、口感和营养特性。不同种类的微生物会产生不同的代谢产物,包括各种有机酸、醇类和酮类。微生物的多样性直接影响醋的风味、口感和香气,研究微生物的种类和数量有助于理解醋品质的形成机制。通过深入研究糟粕醋中微生物的多样性,有助于维持传统工艺特色,确保醋的质量和口感。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

糟粕醋、测序试剂盒、凝胶回收试剂盒。

1.2 试验仪器

微型食品热量检测仪、电泳仪、PCR仪、荧光定量系统、分光光度计、二代高通量测序仪。

1.3 试验方法

1.3.1 糟粕醋加工工艺

挑选糯米→洗米→蒸米→冷却→拌曲→发酵→过滤→酒槽渣→发酵→调味并制成糟粕醋。

糟粕醋制作步骤:挑选无虫害、优质的糯米,将糯米淘洗后用水浸泡至可以用手碾碎为佳,将泡好的糯米放于蒸锅中蒸20 min, 直到糯米外硬内软,以颗粒饱满无白芯为好;之后将蒸好的糯米摊开,待其冷却至室温后,添加适量的酒曲和酵母,用4层纱布将其过滤,获得酒槽渣液,之后在酒槽液中加入水和醋酸杆菌进行发酵,并获得醋酸,然后加入适量的调味料,获得糟粕醋。

1.3.2 样本采集

将获取的糟粕醋放于无菌三角瓶中,每隔1 d取一次样,每个样品进行3次平行取样,持续取样7 d, 分别将样品标记为1,2,3,4,5,6,7。

1.3.3 基因组提取

用移液枪吸取5 mL样品后用过滤膜将其过滤,再根据基因组提取试剂盒的操作流程进行操作,将提取的DNA送至生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序分析。

1.3.4 糟粕醋中的理化因子分析

每隔1 d对样品的pH值、碳水化合物含量和蛋白质含量进行分析。

2 结果和讨论

2.1 糟粕醋中细菌的多样性分析

2.1.1 糟粕醋中细菌的Alpha多样性分析

通过16S rDNA 分析,一共获得了130 231 231 bp的数据,聚类的有457个OTU,一共拼接了346 756个数据片段,所有基因的平均片段为453 bp。糟粕醋中的细菌多样性分析见表1,用Simpson(指数值越大,说明群落的多样性越低)、Sobs(观察到的生物种数)、Shannon(用于表示群落的丰富度和均匀度)、Chao(用于估计群落中含OTU数目的指数)、Ace(用于估计群落中含有OTU数目的指数)和Coverage(各样品文库的覆盖率,其数值越高说明样品中序列没有被测出的概率越低)对糟粕醋中细菌的多样性进行分析。

1细菌的Alpha多样性分析Table 1 Alpha diversity analysis of bacteria
样品编号 Simpson Sobs Shannon Chao Ace Coverage

1
0.082 312 321 3.123 421 332.421 2 336.678 2 0.994 218

2
0.092 412 318 3.237 812 336.103 2 330.567 3 0.997 823

3
0.697 823 219 1.023 418 227.798 3 228.761 2 0.994 782

4
0.946 782 45 0.283 421 90.124 2 97.382 1 0.996 732

5
0.742 984 33 0.235 673 87.683 2 89.324 2 0.997 852

6
0.723 896 28 0.467 823 50.696 5 50.124 2 0.998 789

7
0.710 231 19 0.672 342 19.942 4 17.324 2 0.994 212

由表1可知,样品1,2,3的Chao值、Shannon值和Ace值明显高于样品4,5,6,7,说明样品1,2,3中的细菌多样性较高;样品4,5之间的Chao值、Shannon值和Ace值较接近,说明样品4,5中细菌群落的组成结构相似度较高。7个样品的Coverage均接近于1,说明检测值的覆盖率较高,符合细菌多样性要求分析。Shannon值越高,表示细菌群落的多样性越丰富,分析的7个样品中,样品1,2的Shannon值比其他样品高,说明样品1,2中的细菌群落最丰富。

2.1.2 细菌群落的热图

将测序结果与NCBI数据库中的数据进行比对,一共获得20个门、50个纲、110个目、193科、326个属和457个种。在属水平上,基于样品之间的丰度相似性进行聚类,获得样品丰度较大的45个细菌属,见图1。

图片

1糟粕醋细菌群落的热图

Fig.1 Heat map of the bacterial community of dregs vinegar

由图1可知,颜色的深浅及相似性表示样品中细菌的丰度和差异。样品1和样品2中细菌的颜色偏浅且较接近,说明样品1和样品2中细菌较多且丰度均匀,最具有优势的细菌属为CorynebacteriumBrevibacterium。样品3中的细菌群落多样性有所降低,且有新优势属出现,分别为PrevotellaClostridiumEnterobacter,这几个属的细菌仅在C样品中表现出较大丰度。样品4,5,6,7中的细菌多样性相似度较高,并且细菌Lactobacillus是4个样品中最具有优势的细菌属,细菌Lactobacillus具有产酸功能,使得糟粕醋中产酸量增加,pH值下降。随着糟粕醋放置时间的延长,醋中的细菌丰富度开始降低,优势菌集中,多样性降低。

2.1.3 细菌菌落与理化因子的关系分析

理化因子的pH值、蛋白质含量和碳水化合物含量见表2,通过生信平台PCA分析糟粕醋发酵时间与其品质的关系。随着糟粕醋发酵时间的延长,pH值逐渐降低,含酸量逐渐增多。糟粕醋中的蛋白质含量先减少后增多,说明糟粕醋中的蛋白质含量与糟粕醋发酵时间相关。

2糟粕醋的理化因子表Table 2 Physicochemical factors of dregs vinegar

样品编号
pH值 蛋白质含量/% 碳水化合物含量/%

1
3.78 0.55 8.45

2
3.67 0.34 10.71

续 表


样品编号
pH值 蛋白质含量/% 碳水化合物含量/%

3
3.65 0.13 9.45

4
3.64 0.12 6.92

5
3.63 0.45 9.81

6
3.60 0.61 8.73

7
3.57 0.55 9.35

2.1.4 细菌的COG功能分析

将测序获得的16S rDNA进行功能预测,与数据库中的数据进行对比,获得COG功能分类统计图。糟粕醋在细菌属水平上的COG功能分类统计图见图2。随着贮藏时间的延长,糟粕醋中的功能基因较稳定,功能基因中的重组、修复、碳水化合物的运输和代谢相对功能变化影响较明显。

图片

2糟粕醋细菌在属水平上的COG功能分类统计图

Fig.2 Statistical chart of COG functional classification of bacteria in dregs vinegar at the genus level

2.2糟粕醋中真菌的多样性分析

2.2.1 糟粕醋中真菌的Alpha多样性分析

糟粕醋中真菌的Alpha多样性分析见表3。

3糟粕醋中真菌的Alpha多样性分析Table 3 Alpha diversity analysis of fungi in dregs vinegar

样品编号
Simpson Shannon Chao Ace Coverage

1
0.989 213 0.007 832 17.421 22 20.423 12 0.997 234

2
0.992 312 0.023 123 29.023 42 37.002 44 0.991 923

3
0.973 621 0.067 234 13.224 23 15.423 24 0.990 234

4
0.463 242 0.984 232 17.232 41 18.278 34 0.996 087

5
0.573 253 0.774 234 24.356 24 36.321 34 0.990 822

6
0.577 463 0.756 234 16.423 42 16.142 42 0.997 823

7
0.432 421 1.023 423 20.423 14 20.453 12 0.995 633

由表3可知,样品2和样品5的Ace值和Chao值远高于其他样品,两个样品的Ace值和Chao值较接近,说明两个样品中的真菌相似度较高;样品4和样品7的Shannon值较接近,且高于其他样品,说明样品4和样品7的真菌多样性较丰富;7份样品的Coverage均接近1,覆盖率较高,测定结果与真实值接近。随着贮藏时间的延长,糟粕醋中真菌丰度和群落随之变化。

2.2.2 糟粕醋真菌群落的结构组成

将真菌测序的结果与NCBI数据库进行比对,糟粕醋中共包括3个门、7个纲、12个目、19个科和25个属的真菌。在属水平上,随着贮藏时间的延长,样品中真菌多样性变化并不明显,糟粕醋中真菌群落的热图见图3。

图片

3糟粕醋真菌属水平的热图

Fig.3 Heat map of fungi in dregs vinegar at the genus level

图3中的深浅变化为糟粕醋自然放置过程中真菌群落组成的差异。样品1,2,3中的真菌多样性相似度较高,聚成一个支系,且随着贮藏时间的延长,真菌属内物种增加较明显,其中KazachstaniaSaccharomycesNeocosmosporaSetophoma物种数最突出,3个样品中的优势属为Issatchenkia;而样品4,5,6,7聚成另一个支系。另外,糟粕醋中含有的大量碳水化合物在发酵过程中会被酵母菌分解成碳水化合物,进而产生更多的酚类和酯类化合物。

2.2.3 真菌菌落与理化因子的关系分析

利用生信平台对糟粕醋中的真菌多样性和理化因子之间的关系进行分析,结果见图4。

图片

4糟粕醋品质与真菌群落之间的PCA关系图

Fig.4 PCA relationship diagram between the quality of dregs vinegar and fungal community

由图4可知,横坐标PC1的方差贡献值为31.60%,纵坐标PC2的方差贡献值为19.79%,通过比较分析,发现7个样品的向量投影差距较大,说明7个样品中的真菌差异性较明显。样品2,5,7距离样品的投影距离较小,说明3个样品受pH值、蛋白质含量和碳水化合物含量的影响较大;样品1,3,6距离pH值、蛋白质含量和碳水化合物含量较远,说明这3个样品受蛋白质含量和碳水化合物含量的影响较小。

3 糟粕醋冷链运输过程中的问题分析

糟粕醋是一种传统的食材,在加工和运输过程中需要严格控制温度和湿度,以确保产品的质量和安全。冷链运输是一种专门用于运输温度敏感商品的物流方式,然而,在糟粕醋的冷链运输过程中,仍然存在一些问题需要认真分析和解决。

3.1 运输过程中温度不够稳定

首先,温度控制是冷链运输的核心问题之一。糟粕醋在运输过程中需要保持相对稳定的低温环境,防止发酵或腐败。然而,在运输途中,由于气候变化、设备故障或不当操作,温度波动情况随时发生,温度波动会导致产品质量下降,甚至对消费者健康构成风险。

3.2 湿度控制和运输设备与设施的不足

湿度控制也是一个关键问题。糟粕醋在湿度较高的环境中容易受潮,影响品质。在冷链运输中,由于不同地区湿度差异以及包装材料的特性,湿度控制非常困难。如果湿度过高,会导致糟粕醋发霉、变质,严重的会影响产品的安全性。

冷链运输需要专门的设备和设施来确保温、湿度的精确控制,但在一些地区或小型企业中,可能缺乏这些必要设备,这会导致糟粕醋在运输过程中无法得到适当保护,从而降低产品的品质和市场竞争力。

4 糟粕醋冷链运输的建议

4.1 优化冷链运输设备

投资先进的冷链运输设备,包括温度控制系统、湿度控制装置和先进的包装技术。应确保设备的可靠性和准确性,以最大程度地保护糟粕醋的质量。

4.2 加强员工培训

对冷链运输人员进行系统的培训,包括冷链运输知识、设备操作技能、应急处理措施。应提高员工的专业水平,减少人为因素对运输过程的影响。

4.3 设立监控系统

在运输车辆和仓储设施中安装实时监控系统,监测温、湿度的变化。当温、湿度超出安全范围时,系统应该能够自动报警,以便及时采取措施,防止质量问题发生。

4.4 建立合作关系和强化溯源体系

与专业的冷链物流公司建立合作关系,共享资源和经验,这样能够提高整个冷链运输体系的可靠性和专业性。在运输过程中建立完善的糟粕醋追溯体系,记录温湿度变化、操作人员等关键信息,以便在发生问题时能够快速定位并采取措施。

5 小结

本研究利用Illumina技术对糟粕醋中的真菌和细菌多样性进行分析,结果表明,贮藏前3 d, 糟粕醋中的细菌多样性变化不明显,其中前3 d糟粕醋中的优势细菌属为CorynebacteriumBrevibacteriumPrevotellaClostridiumEnterobacter;当贮藏时间大于4 d时,糟粕醋中的细菌多样性发生了明显变化,Lactobacillus成为糟粕醋中的优势细菌菌群。

在糟粕醋的真菌多样性研究中发现,优势真菌属分别为SaccharomycesKazachstaniaIssatchenkia,这些真菌能够发酵分解糟粕醋中的醇类和蛋白质类,随着贮藏时间的不断延长,糟粕醋中的酸性物质不断增加,使得糟粕醋的风味变酸,无法正常食用。

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