初始含水率和菌群演替在雪茄烟叶发酵产香中的作用.pdf
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1、湖南农业科学(HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES)2023 年 7 月82-加工贮藏 检测分析湖南农业科学(HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES)引用格式:宋雯,陈曦,余君,等.初始含水率和菌群演替在雪茄烟叶发酵产香中的作用 J.湖南农业科学,2023(7):82-88.DOI:DOI:10.16498/ki.hnnykx.2023.007.0162023(7):82-88雪茄烟叶发酵是微生物利用烟叶本身的营养物质在适宜条件下进行生长、代谢、转化的过程1-2。烟叶含水率是发酵过程内在的生理基础3。雪茄烟叶晾制完成后含水率较低(10%16%)4,不能有效满足
2、微生物发酵对水分的要求5,从而导致烟叶发酵过程缓慢、发酵周期延长。孙建锋6的研究显示,烟叶工业醇化过程中含水率为 13%,其醇化周期长达 13 a。但是,烟叶水分含量过高也会使雪茄初始含水率和菌群演替在雪茄烟叶发酵产香中的作用宋雯1,陈曦1,余君2,胡路路1,陈雄1,王志1(1.湖北工业大学 生物工程与食品学院,发酵工程教育部重点实验室,湖北 武汉 430068;2.湖北省烟草科学研究院,湖北 武汉 430030)摘要:以雪茄 CX-14 烟叶为材料,研究了初始含水率(30%、34%、38%)对雪茄烟叶发酵产香的影响,并通过宏基因组测序技术明确了雪茄烟叶的菌群结构及功能基因变化,分析了优势菌属
3、在发酵过程中的贡献度,探明了菌群演替与雪茄烟叶香气产量变化的相关规律。结果表明:当雪茄烟叶含水率回潮至 34%时,发酵后的苯丙氨酸转化产物、类胡萝卜素降解产物、西柏烷类降解产物、棕色化反应产物含量和香气总量分别比发酵前提高了 77.2%、167.1%、28.6%、51.5%和 169.3%,香气总量分别比 30%和 38%含水率组提高了 26.6%和 21.7%;通过宏基因组学分析,发酵后葡萄球菌属(Staphylococcus)丰度占比高达87.8%,是绝对优势菌属,而且其对发酵过程中的次生代谢物生物合成、ABC 转运蛋白、氨基酸生物合成等代谢过程的贡献度超过了 85%;经发酵菌属与烟叶香型
4、相关性分析,发现类胡萝卜素转化产物是香型的主要呈现者,而且葡萄球菌菌属在香型节点最突出,是呈现香型的最大贡献者。综上所述,雪茄烟叶发酵前的最适含水率为 34%,发酵过程中葡萄球菌属对雪茄烟叶发酵的香气产量有显著促进作用。关键词:雪茄烟叶;初始含水率;香气成分;宏基因组分析中图分类号:S482.4文献标识码:A文章编号:1006-060X(2023)07-0082-07The Roles of Initial Moisture Content and Microbial Succession in Aroma Production During the Cigar Tobacco Leaf Fe
5、rmentation SONG Wen1,CHEN Xi1,YU Jun2,HU Lu-lu1,CHEN Xiong1,WANG Zhi1(1.College of Bioengineering and Food Science,Hubei University of Technology;Key Laboratory of Fermentation Engineering,Ministry of Education,Wuhan 430068,PRC;2.Tobacco Research Institute of Hubei Province,Wuhan 430030,PRC)Abstract
6、:The effects of initial moisture content(30%,34%and 38%)on the fermentation aroma production of cigar tobacco leaves were investigated using cigar CX-14 leaves as materials.The changes in the bacterial colony structure and functional genes of cigar tobacco leaves were clarified by macro-genome seque
7、ncing technology,and the contribution of dominant genera in the fermentation process was analyzed to investigate the correlation law between the bacterial colony succession and the changes in the aroma production of cigar tobacco leaves.The results showed that when the moisture content of cigar leav
8、es regain to 34%,the contents of phenylalanine conversion products,carotenoid degradation products,cembratriendid degradation products,browning reaction products and total aroma of the fermented cigar tobacco leaves were increased by 77.2%,167.1%,28.6%,51.5%and 169.3%compared with those of the pre-f
9、ermentation group,and the total aroma of the fermented cigar tobacco leaves was increased by 26.6%and 21.7%compared with that of the 30%and 38%moisture groups respectively;through macro-genomics analysis,the abundance of Staphylococcus accounted for 87.8%after fermentation,which was the absolute dom
10、inant genus,and its contribution to the metabolic processes such as secondary metabolite biosynthesis,ABC transporter protein,amino acid biosynthesis,and other metabolism processes in the process of fermentation was more than 85%.Through the correlation analysis between fermentation bacteria and aro
11、ma types of tobacco leaves,it was found that carotenoid conversion products were the main presenters of aroma types,and Staphylococcus was the most prominent in the aroma type node and the biggest contributor to aroma types.To sum up,the optimum moisture content of cigar tobacco leaves before fermen
12、tation is 34%,and Staphylococcus can significantly promote the aroma yield of cigar tobacco leaves during fermentation.Key words:cigar tobacco leaves;initial moisture content;aroma components;metagenomic analysis收稿日期:20230412基金项目:国家其他部委项目(110202001039)作者简介:宋雯(1999),女,湖北孝感市人,硕士研究生,主要从事风味产品发酵技术研究。通信作者
13、:王志宋雯等:初始含水率和菌群演替在雪茄烟叶发酵产香中的作用83-加工贮藏 检测分析烟叶颜色变深7,甚至霉变8。雪茄发酵温度的变化与其含水率也密切相关9,含水率过高会使烟叶快速升温,发酵不均;含水率过低,烟叶升温缓慢,发酵时间增加10。因此,适宜的含水率是雪茄烟叶发酵香气产量的前提条件。目前,国内对于雪茄烟发酵的研究主要集中在烟叶发酵过程中成分的变化11-12、添加不同物料和微生物13-15对烟叶品质的影响等方面。郭文龙等16通过烟叶颜色变化来判断品质的优劣,发现多酚物质转化对烟叶颜色变化有直接影响;郑霖霖等17通过添加植酸酶、纤维素酶、果胶酶和中性蛋白酶提高了烟叶的总糖和氨基酸含量,降低了烟
14、叶的蛋白质含量,提高了烟叶感官品质;张晓瑞等18在烟叶发酵过程中添加淀粉降解菌,有效降低了烟叶的淀粉含量,增加了香气。宏基因组(Metagenomics)测序技术是利用新一代高通量测序技术(NGS)以特定环境下微生物群体基因组为研究对象,在分析微生物多样性、种群结构、进化关系的基础上,进一步探究微生物群体功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系,发掘潜在生物学意义的一种新方法。与传统微生物研究方法相比,宏基因组测序技术规避了绝大部分微生物不能培养、痕量菌无法检测的缺点,因此近年来在环境微生物学研究中得到了广泛应用19-23。在烟草发酵方面,王文婷等24利用宏基因组学技术分析了霍氏肠杆菌 F8-
15、1(Enterobacter hormaechei F8-1)发酵烟叶期间表面微生物的动态变化。然而该技术在雪茄烟发酵过程中的应用研究尚未见报道。试验以雪茄 CX-14 烟叶为材料,研究了初始含水率对雪茄烟叶发酵产香的影响,并通过宏基因组测序技术明确了雪茄烟叶发酵过程中菌群结构及功能基因的变化,分析了优势菌属在发酵过程中的贡献度,探明了菌群演替与雪茄烟叶香气产量变化的相关规律。该研究结果可为雪茄发酵过程中的精准化操作提供参考。1材料与方法1.1试验材料供试烟叶为雪茄 CX-14 烟叶,由湖北省烟草科学研究院提供。主要试剂为洗涤缓冲液,配方为:Tris-HCl 15.8 g/L,EDTA-Na2
16、 18.6 g/L,聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)20.0 g/L,NaCl 81.9 g/L,Tween-20 1.0 g/L,pH 值 8.0。1.2试验方法1.2.1雪茄烟叶发酵方法雪茄烟叶采用箱式发酵,每箱烟叶 40 kg,使用称重加湿回潮法对烟叶进行回潮,烟叶含水率分别回潮至 30%、34%、38%,分别记为 T1、T2、T3 处理。将发酵箱置于发酵房内,室内温度控制在 2830,相对湿度控制在75%80%,发酵周期为 30 d。1.2.2烟叶中挥发性香气成分的测定发酵结束后的烟叶去除主脉烘干粉碎后过 60 目筛,称取 10 g 烟末,使用同时蒸馏
17、萃取装置提取烟叶中的香气成分。干燥过滤后进行 GC-MS 分析。GC-MS 检测条件如下。色谱柱:HP-5MS 毛细管柱(30 m0.25 mm,0.25 m);升温程序:40保持 2 min,以 2/min 升至200,保持 5 min,然后 10/min 升至 280;载气(He)流速:1 mL/min;进样量:1 L;分流比:10 1;采用电子轰击离子源;电子能量:70 eV;传输线温度:250;离子源温度:230;质量扫描范围:35550 m/z。目标化合物的峰识别以美国国家标准技术研究所(NIST)数据库为准。1.2.3宏基因组样品预处理取 10 g 烟叶剪碎,置入 100 mL 洗
18、涤缓冲液中超声 30 min,过滤,将滤液以 10 000 r/min 的速度离心 10 min,弃上清液保留沉淀,重复操作至上清液几乎无色。放入液氮罐中冷冻 30 s 后迅速转入 80保存。取 34%含水率组发酵前后的雪茄烟叶作样品,发酵前记为 HEQ,发酵后记为 HE。1.2.4烟叶宏基因提取采用 NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit 试剂盒提取烟叶宏基因,操作按说明书进行。1.2.5宏基因测序结果分析PE 文库构建、基因组测序、序列质控与组装、基因预测与非冗余基因集构建等由上海美吉生物医药科技有限公司完成25-26。使用美吉云平台的在线工具进行物种与功能注释及物种贡献度分
19、析27-28。1.3数据处理试验数据为 3 组平行试验的均值,采用 SPSS 26 软件进行数据分析,采用 Origin 2019b 软件绘图。2结果与分析2.1不同含水率组发酵前后香气含量变化烟叶内的香气物质含量是烟型、吃味形成的重要影响因素29。对比 T1(含水率 30%)、T2(含水率 34%)、T3(含水率 38%)处理雪茄烟叶发酵前后的香气含量,结果如图 1 所示。苯丙氨酸转化产物是烟叶香气成分的重要组成部分,其作用主要是突出烟叶中的花香,协调烟叶香气,使雪茄更具自然风格30。T1、T2 及 T3 处湖南农业科学(HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES)2023 年
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