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醋酸菌的分子分类学研究和在食醋生产中的应用

2017-07-18秦兴卢红梅陈莉

中国酿造 2017年6期
关键词:食醋杆菌属醋酸

秦兴,卢红梅*,陈莉

(贵州大学酿酒与食品工程学院贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州贵阳550003)

醋酸菌的分子分类学研究和在食醋生产中的应用

秦兴,卢红梅*,陈莉

(贵州大学酿酒与食品工程学院贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州贵阳550003)

醋酸菌是革兰氏阴性,专性好氧,能将乙醇或糖类氧化为醋酸的细菌的总称。醋酸菌广泛分布于自然界中,它们能通过代谢酒精产生醋酸的特点在食品生产中已得到普遍应用。醋酸菌分类学的研究在很久以前就已经开始,但是直到近几十年随着各种生物分子技术的发展才对其有更加深入地认识。该文综述了醋酸菌的分子分类学研究发展和在食醋工业中的应用,主要介绍了各种分子分类学方法和食醋生产中使用的醋酸菌种类。

醋酸菌;分子分类学;食醋;应用

醋酸菌(acetic acid bacteria,AAB)是革兰氏染色阴性或不定,好氧代谢,细胞从椭圆到杆状,单生、成对或成链的菌株。其生化反应特性为过氧化氢酶试验阳性;氧化酶试验阴性。食醋的生产是利用醋酸菌能将醋醅中的酒精转化为醋酸的能力,通过醋酸菌中与膜结合的吡咯喹啉醌-乙醇脱氢酶(pyrroloquinoline quinone-dependent alcohol dehydrogenase,PQQ-ADH)和乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase,ALDH)来完成的[1],这两种酶的结构和特性决定了该菌种的适应能力和转化能力[2]。醋酸是食醋中的主要成分,它可以抑制杂菌生长从而防止食品受到污染变质。但在某些饮料生产中醋酸菌也会造成一定的危害,如葡萄酒生产中,醋酸含量达到1.2~1.4 g/L时即可被认作为受到了污染[3]。除了醋酸以外,某些醋酸菌还可以生产其他高价值的代谢产物,如维生素C、细菌纤维素等[4]。

对于醋酸菌的研究在很久以前就已经开始,可是有的醋酸菌从富含醋酸的环境中被分离出来时,其很难在普通的培养基中存活,因此使用常规的生物学方法对醋酸菌进行分离、培养和保存较为困难[5]。直到近几十年随着许多生物分子分类学技术的发展和应用,对醋酸菌才开始有清晰的认识。因此,本文将对醋酸菌分类发展进行综述,重点讨论了各种用于醋酸菌分类的生物分子分类学技术及其在醋酸生产中的应用,旨在了解现代醋酸菌分类研究的发展。

1 醋酸菌的分类研究发展

1868年,LOUIS PASTEUR第一次系统地发布了关于醋酸菌的研究,将众多可以代谢生产醋酸的微生物统称为“醋母”[6]。在早期,醋酸菌的分类主要是以表型特征为依据,BUCHANAN R E等[7]在1898年使用了“Acetobacter”命名该属类的微生物。1935年,LEIFSON[6]根据周生鞭毛的特征提出将醋酸菌分为具有周生鞭毛的醋酸菌(Acetobacter)属和具有极生鞭毛的醋酸菌属(Acetomonas)。同年,ASAI T[8]也提出了自己的分类方法,根据醋酸菌氧化酒精和葡萄糖的能力,将醋酸菌分为醋杆菌属(Acetobacter)和葡糖杆菌属(Gluconobacter)。醋杆菌属(Acetobacter)只有周生鞭毛,能正常利用酒精进行代谢,少量或几乎不能利用葡萄糖,因此有两个亚属,能少量利用葡萄糖代谢的乙酰萄糖酸杆菌亚属(Acetogluconobacter)和完全不能利用葡萄糖的“Euacetobacter”亚属;葡糖杆菌属(Gluconobacter)只有极生鞭毛,能利用葡萄糖正常代谢,少量或几乎不能利用酒精,其也可以分为能少量利用酒精的葡糖醋杆菌亚属(Gluconoacetobacter)和完全不能利用酒精的“Eugluconobacter”亚属[9]。1939年出版的《伯杰氏鉴定细菌学手册》中将葡糖杆菌属(Gluconobacter)归为假单胞菌科(Pseudomonadaceae),而由于醋杆菌属(Acetobacter)与当时已知的细菌科类没有联系,因此建立醋酸菌科(Acetobacteraceae)。

1953年,沃森等[10]发现了DNA的双螺旋结构,基于这一结构发展的技术和工具为细菌的分类提供了更加精准的依据。1970年,COLWELL R R[11-12]首次应用“多相分类(polyphasictaxonomy)”的概念对菌种进行研究并发表相关论文,使表型特征和基因特点成为了“系统分类学”的核心。GILLIS M等[13]在1980年应用脱氧核糖核酸-核糖体核糖核酸(eoxyribonucleic acid-ribosomal ribonucleic acid,DNA-rRNA)杂交技术重新分类了Acetobacter属和Gluconobacter属中的一些种类,如传统Gluconobacter属中的液化葡糖杆菌(liquefaciens)NCIB9505和IAM1834以及生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobactermelanogenus)IAM1835和IAM1836根据基因学可以分类到Acetobacter属,而橙黄醋杆菌(Acetobacter aurantius)IFO3246属于Gluconobacter属,橙黄醋杆菌(Acetobacteraurantius)IFO3249,3247,13330和13333则根本不属于醋酸菌[13]。同年,SWINGSJ等[14]对Kondo和Ameyama早期分类为醋杆菌属的Acetobacter aurantius进行了研究,并根据DNA-rRNA杂交技术得到的结果将其提升为新的属——弗拉托菌属(Frateuria),以橙黄弗拉托菌(Frateuria aurantius)为典型菌株,后《伯杰氏系统细菌学手册》在2005年将其归入了γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)。1984年,YAMADA Y等[15-16]根据辅酶Q系统把Acetobacter属分为两个亚属:以辅酶Q-9为特征的Acetobacter亚属和以辅酶Q-10为特征的Gluconacetobacter亚属。随后,YAMADAY等[17]在1997年根据16SrRNA序列的测试结果,将Gluconacetobacter亚属提升为Gluconacetobacter属。随着DNA技术的发展,16SrRNA、聚合酶链反应(polymerasechainreaction,PCR)等技术相继被应用,分类鉴定手段越加成熟,越来越多的属类被建立,并且不断地完善,如酸单胞菌属(Acidomonas)[18]、朝井杆菌属(Asaia)[19]、新朝井杆菌属(Neoasaia)[20]、糖杆菌属(Saccharibacter)[21]、斯瓦米纳坦氏菌属(Swaminathania)[22]、公崎杆菌属(Kozakia)[18]等。

目前,醋酸菌科(Acetobacteraceae)被归为变形菌门(Proteobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、红螺菌目(Rhodospirillales)。按照YAMADA Y等的分类,醋酸菌科共有32个属,但分为了两个类别,一类是嗜酸细菌类(acidophilic group),另一类是醋酸菌类(acetous group),即通常所认识的醋酸菌(AAB)[23]。醋酸菌类包含16个属,共78个种,分别为醋杆菌属(Acetobacter)、葡糖杆菌属(Gluconobacter)、酸单胞菌属(Acidomonas)、葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)、朝井杆菌属(Asaia)、公崎杆菌属(Kozakia)、斯瓦米纳坦氏菌属(Swaminathania)、糖杆菌属(Saccharibacter)、新朝井杆菌属(Neoasaia)、颗粒杆菌属(Granulibacter)[24]、塔堤查仁杆菌属(Tanticharoenia)[25]、雨山杆菌属(Ameyamaea)[26]、新驹形杆菌属(Neokomagataea)[27]、阮杆菌属(Nguyenibacter)[28]、驹形杆菌属(Komagataeibacter)[29]、Endobacter[30],其属种关系如表1所示[19,27]。

表1 醋酸菌的16个属类及其种类Table 1 16 genus and species of acetic acid bacteria

续表

2 醋酸菌的分子分类学方法

一直以来,使用表型方法和化学分类法是醋酸菌的鉴定分型中的重要方法,利用形态和生理生化特征或依据生物细胞中某些特定化学物质的特征对醋酸菌进行分类,但这些方法的可靠性较低,实验耗时较长,而且所得结果的重现性和分辨率都较差。随着分子生物学的发展,现在很多基于DNA分子的技术都被应用于醋酸菌的鉴定分型。

2.1 16S rRNA和16S~23S转录间隔区

16S rRNA在原核生物中广泛存在,大小约为1 550 bp,其中包含了高度保守的区域和相对可变的区域。所携带的信息既能反应生物界的进化关系,又较容易进行操作,适用于各级分类单元,因此在生物分类学和生态学中有着重要的应用意义。16S rRNA作为一种快速、经济、精准的检测方法常被用于一些未知菌种的鉴定。16S~23S转录间隔区(internallytranscribedspacer,ITS)因为其序列和长度有更多的变异性,被认为是比16SrRNA有更高鉴别能力的片段[32]。

菌种DNA使用特定引物扩增和纯化DNA片段,经测序以后利用分析软件与16S rRNA基因序列数据库里面已存的序列进行对比即可得到结果,一些常用的数据库如GenBank、Ribosomal Database Project(RDP-Ⅱ)、the Ribosomal Database Project European Molecular Biology Laboratory、Smart Gene IDNS和Ribosomal Differentiation of Medical Microorganisms(RIDOM)等[33]。

分别对醋酸菌的种间菌株做16S rRNA测序和16S~23S ITS测序,从而检验16S~23S ITS测序在区分醋酸菌种间菌种的效果。CLARRIDGE J E[34-35]试验显示,在对野生醋酸菌菌株进行分类时,使用16S~23S ITS测序得到的相似性百分比在总体上都要比16SrRNA低,甚至使用16SrRNA无法分辨的三株菌株在16S~23S ITS测序中都能得到很好的区分,证明使用16S~23S ITS测序要比仅使用16S rRNA测序有更好的区分能力。STACKEBRANDT E等[36]试验也证明,即使两株菌株的16S rRNA测序结果的相似性大于97%也不能断定是同一菌种,还需要更多的基因检测才能得出准确的结果。如A.cerevisiae和A.malorum在16SrDNA区域只有两个碱基对的差异,使用16S~23S ITS则能更准确地将两者区分开来。

2.2 DNA指纹图谱技术

PCR技术指多聚酶链式反应,是一种用于筛选和扩增特定的基因片段的分子生物技术,通过使用PCR技术与其他技术的结合已经成为醋酸菌鉴定分型的新手段,如限制性片段长度多态性聚合酶链反应(PCR-restriction fragment length polymorphisms,PCR-RFLP)技术、细菌基因组重复序列PCR(repetitive extragenic palindromic sequence-based PCR,Rep-PCR)技术、聚合酶链反应变性梯度凝胶电泳(PCR-denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE)技术等。

RFLP是指限制性酶长度多态性。细胞中的DNA经过PCR筛选扩增出特定的基因片段,然后使用限制性内切酶将其酶解,将限制性酶切产物电泳,在紫外灯下拍摄得到的谱带,最后通过谱带的对比就可以实现菌落的区分。PCR-RFLP技术的分辨效果部分取决于所选择的基因片段,在醋酸菌中,因为16S~23S ITS区域和16S rDNA区域要比其他功能区域有更高的识别率,所以这两个区域可以得到分类效果,甚至可以实现种间的分类[32]。

HIDALGO C等[37]在对传统发酵的柿子醋中的醋酸菌分离鉴定时就使用了PCR-RFLP技术,对筛选得到的270个菌落做16SrDNA的PCR-RFLP,将这些菌株分类至7个醋酸菌种,然后使用16S rRNA测序做鉴定分析。VALERA M J等[39]在研究Canary岛上葡萄中的醋酸菌生态分布时,使用PCR-RFLP技术将396株菌落分类至6个种,但是认为虽然PCR-RFLP在菌种分类中是可行的技术,可是应用于一些同源性较近的菌株至少需要两种酶来做酶解,而这会带来很大的时间损耗。

Rep-PCR即基因组短重复序列PCR分析技术,在细菌基因组中,短重复序列广泛存在,约占细菌基因组的5%,可用于分析细菌的多态性。目前,在研究中使用较多的重复序列有(GTG)5序列、细菌基因重复(repetitive extragenic palindromic,REP)序列(35~40 bp)、肠杆菌基因间重复共有(enterobaeterial repetitive intergenic consensus,ERIC)序列(124~127 bp)和BOX序列(154 bp)[38]。这些重复序列分布在细菌基因组上的不同位点以不同的距离分隔,存在菌株和种属水平上的差异。以细菌的DNA为模板,针对这些重复序列设计引物进行PCR,因为重复序列是特定的,所以可以对细菌进行鉴定和多样性研究。

WU J J等[40]在研究山西陈醋中的酵母菌、乳酸菌和醋酸的生态分布试验中,利用ERIC-PCR对筛选出的醋酸菌进行基因多样性研究,从79个菌落中挑选出了24个具有唯一图谱的菌落做16S rRNA测序分析。试验中,即使有的菌落具有相同的代谢特点,可是其基因图谱却显示它们之间的差异,从而证明ERIC-PCR是一种可靠的分类方法。

YETIMAN A E等[41]研究使用不同的方法鉴定食醋和醋母中的醋酸菌,在分类使用培养基筛选出来的菌落时便利用了(GTG)5-rep-PCR指纹图谱的技术,将87个菌落分为了8个种,进而做16S rRNA、ITS片段和tuf片段的测序。

变性梯度凝胶电泳技术是指在一般聚丙烯酰胺凝胶电泳的基础上添加了呈梯度分布的变性剂使双链DNA分子迁移到一定的变性剂浓度并达到其解链温度时,让DNA分子开始部分解链。而部分解链的DNA分子其迁移率随解链程度增大而减小,从而使序列不同大小相近DNA片段滞留于凝胶的不同位置,形成相互分开的谱带。PCR-DGGE的主要特点是不依赖培养基培养筛菌,而是提取环境样品中总的DNA,包括了样品中的可培养微生物和不可培养微生物的全部遗传物质,可以真实地反映微生物的生态分布状况。

LI P等[42]研究大曲中微生物分布与中国传统食醋的混浊污染之间的关系时使用了PCR-DGGE技术直接分析了封瓶醋样中微生物的16S rRNA基因片段,通过测序的结果可以得出造成食醋污染的微生物主要是Lactobacillusspp.。

在YETIMAN A E等[41]的研究中,也使用了PCR-DGGE的方法直接分析了食醋和醋母中的醋酸菌,并将PCR-DGGE和(GTG)5-rep-PCR的鉴定结果进行对比,认为PCR-DGGE的分辨效果受限于醋酸菌的16S rDNA同源性,因此在使用非依靠型培养基技术(如PCR-DGGE)分类时,其他一些依靠型培养基技术如(GTG)5-rep-PCR也应该作为一种补充技术进行鉴定。

除此之外,随机扩增多态性DNA(random amplification of polymorphic DNA,RAPD)分析技术、脉冲场凝胶电泳(pulsed-fieldgelelectrophoresis,PFGE)技术、时相温度梯度电泳(temporaltemperaturegradientgelelectrophresis,TTGE)技术、荧光原位杂交(fluorescenceinsituhybridization,FISH)技术及实时定量荧光PCR(real time-quantitative PCR,RT-qPCR)等技术也都被应用于醋酸菌的分类。RAPD-PCR被成功地应用于检测受污染的瓶装葡萄酒中的醋酸菌;FERNANDEZ-PEREZ R等[43]使用PFGE技术分析了从苹果醋中分离出来的77个菌落,利用限制性核酸内切酶SpeI进行酶解,大约生成了14条碱基对含量在25~600 kbp谱带以适合分析,而且使用PFGE技术的重复性可以达到85%,高于使用ERIC-PCR技术达到的重复性;ILABACA C等[44]使用TTGE技术评估了食醋发酵过程中醋酸菌的生态分布。与PCR-DGGE和PCR-TTGE不同,虽然FISH和RT-PCR也是非培养基依赖型分类技术,但是它们不仅能够检测微生物的分布,还能得出微生物的量化结果[45]。

2.3 DNA碱基组成

检测DNA碱基是最早使用的基因技术,时至今日,DNA中的G+C含量依然是细菌的特征描述内容之一。G+C含量的检测常使用TAMAOKA J等[46]开发的方法,其利用反相HPLC测定细菌DNA中的核苷酸总量,再通过每种核苷酸在色谱柱上产生的峰计算G+C含量。醋酸菌的G+C含量在51~69 mol%之间,醋酸菌中各种属的G+C含量如表1所示。

2.4 全基因组DNA-DNA杂交

全基因组DNA-DNA杂交是指利用DNA分子解链的可逆性和碱基配对的专一性,通过检测两个菌种的DNA杂交百分率来判断两者之间的亲缘关系远近。根据现代细菌学的概念,全基因组DNA-DNA杂交百分率在菌种描述中有着重要的作用。常用的DNA-DNA杂交方法有:微量细胞培养法、膜法、SI核酸酶法等,基于以上方法得出的分类结果也是大致相同的。

简单地使用这一种方法对菌种进行划分也是不可靠的,需要结合更多其他的方法才能得到正确的结果。如DELLAGLIO F等[47]在关于驹形杆菌属(Komagataeibacter)的研究中,使用了微量细胞培养法,且杂交温度都在48~50℃,分别对温驯驹形杆菌(K.oboediens)和中间驹形杆菌(K.intermedius)的亲缘性进行研究,但所得到的结果却分别是63%和85%,从而得出了不同的分类结论。

2.5 其他分型方法

除了以上一些常用的基因分型方法,还有一些新的分型方法如使用寡核苷酸探针(种-种探针、属-种探针)、nifD和nifHPCR技术(仅针对于固氮醋酸菌)、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption-time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF MS)、指纹识别(fingerprinting identification)等技术也在不断地发展,并应用于醋酸菌鉴定分型中。

TRCEK J[5]基于adhA序列设计了用于种-种PCR的探针,adhA是编码吡咯喹啉醌-乙醇脱氢酶(PQQ-ADH)亚基Ⅰ的一段基因片段。利用此探针检测种间相似度得到的结果是69.9%~94.7%,低于16S rRNA测序得到的结果,高于16S~23S ITS区域测序得到的结果,从而证明利用该探针可以实现比16S rRNA更高的分类效果;针对部分能够固氮的醋酸菌,如固重氮葡糖醋杆菌(Ga.diazotrophicus)、固氮葡糖醋杆菌(Ga.azotocaptans)、约翰娜葡糖醋杆菌(Ga.johannae)、耐盐斯瓦米纳坦杆菌(Sw.salitolerans)、过氧化醋酸杆菌(A.peroxydans)和固氮醋酸杆菌(A. nitrogenifigens)等,其细胞内都含有nifD和nifH基因片段,因此可以设计特定的引物,利用PCR扩增这些基因片段以分类出这些菌种[48-49];ANDRÉS-BARRAOC等[50]利用MALDITOF MS检测食醋生产中的菌种,然后使用16S rRNA测序检验检测结果,虽然两者的结果有较小的差异,但是MALDI-TOF MS可以从混合的培养基中区分出醋酸菌种,证明MALDI-TOF MS在鉴别醋酸菌方面是一种快速、可靠的技术。

3 分子分类技术在食醋生产中的应用

食醋是生活中一种常见的调味品,同时也由于其具有酸度高的特点可以用于食品的保藏。在工业上,食醋的生产主要有传统发酵制醋工艺(固态发酵、液态发酵)和液态深层发酵制醋工艺两种。在生产中利用表型方式去鉴定醋酸菌种是较为困难,不仅是其操作时间长,而且醋酸菌在长时间发酵中会因为基因突变等原因导致表型性状的改变。利用分子分类学则可以很好地解决以上问题,基于16S rDNA或16S~23S ITS区域的分子分类技术可以排除其他基因片段改变造成的干扰,高效快速地分类鉴定食醋生产中的醋酸菌菌种,部分分子分类技术在食醋生产中的应用见表2。

表2 分子分类技术在食醋生产中的应用Table 2 Application of molecular taxonomy technologies in vinegar production

3.1 传统发酵制醋工艺

传统发酵制醋工艺可以使用大米、葡萄、麦芽、柿子、菠萝、苹果等蔬果作为原料,采用固态或半固态的发酵方式[49]。其制醋方法可以分为3个步骤,分别是淀粉糖化、酒精发酵和醋酸发酵,这些操作都是在开放的空间进行,包含了多种微生物的生长代谢。这些微生物可以提供大量不同种类的酶,从而促进香味物质和营养物质的合成代谢,如各种有机酸、氨基酸、可挥发物质和川芎嗪等物质[50]。使用传统工艺酿造的食醋具有高品质的特点,但是相对于液态深层发酵制醋工艺而言,其生产周期长,价格更为昂贵。

XU W等[51]利用PCR-DGGE技术对镇江香醋的固态发酵过程中的微生物变化进行了监控,他们发现在整个发酵过程中的微生物菌群是相对稳定的,说明长时间的酿醋环境已经使得当地的菌种得到驯化。同时,PCR-DGGE结果显示在醋酸发酵阶段的菌种主要有:Lactobacillus、Acetobacter、Gluconacetobacter、Staphylococcus、Saccharomyces、Enterobacter、Pseudomonas、Flavobacterium和Sinorhizobium,其中醋酸菌有Acetobacter、Gluconacetobacter。认为镇江香醋醋醅有约1 m的深度,虽然只有醋醅表面一层有充足的氧气,醋醅中间或底部都是无氧的环境,但是醋醅每天都会被搅拌一次,这就是大量好氧微生物如Acetobacter和Lactobacillus等能在发酵期大量存在的主要原因。而且Gluconacetobacter之类的固氮菌种能为原料增加氮源,以供Acetobacter等功能微生物的代谢[49]。这与NIE Z等[52]对天津独流老醋醋醅中的微生物菌种的研究结果一致,他们发现天津独流老醋醋醅在醋酸发酵期间的主要菌种是Acetobacter和Lactobacillus。

FUKUYAMA H等[53]使用PCR-RFLP和16S rRNA分离出传统葡萄醋发酵中的醋酸菌,研究其在发酵过程中的演替变化,证实醋酸发酵过程中的主要菌种有:巴氏醋酸杆菌(A.pasteurianus)、氧化葡糖杆菌(G.oxydans)和欧洲驹形杆菌(K.europaeus)。在发酵初期,A.pasteurianus能很快适应酒精环境,成为主导微生物;当醋酸积累达到6%时,K.europaeus开始大量繁殖。因此,认为A.pasteurianus对醋酸的耐受性较差,但是对酒精却有极好的耐受性;而K.europaeus能在醋酸含量达到6%时才开始活跃,说明这样的环境更适宜该菌种的生长,它也有更强的醋酸耐受性。3.2液态深层发酵制醋工艺[54-55]

液态深层发酵是醋酸菌在富氧环境下将白酒、葡萄酒或苹果酒等含酒精物料转化为醋酸的生产工艺。因为多采用特定的菌种发酵,具有产量高、周期短的特点,得益于多年来对该发酵方式中的各种参数的研究如耗氧量、发酵温度、酒精含量和醋酸含量等,现代食醋工业取得了长足的发展[53]。液态深层发酵通常是在大型发酵罐中进行的,因此其必须具备以下条件:合适的酒精度数、不间断地补充无菌空气、对酒精和醋酸都有较强耐受性的醋酸菌种,以及其他一些营养物质。由于发酵罐中严苛的环境,因此能够用于醋酸生产的醋酸菌不多,大多都是由Gluconacetobacter、Acetobacter和Komagataeibacter等菌属组成的[56]。

ZHENG Y等[57]对使用16S rRNA鉴定为Acetobacter pasteurianusAC2005菌种的山楂醋液态深层发酵工艺进行研究。在发酵过程中,菌种受到底物(乙醇)和产物(乙酸)的抑制作用,造成产物产量较低,因此他们对种子培养基作出改造,将之前使用的合成种子培养基换为啤酒种子培养基,可以明显地提升醋酸的产量。对此,他们认为首先是啤酒种子培养基中的营养物质有助于乙醇脱氢酶(ADH)或乙醛脱氢酶(ALDH)的表达,以促进乙醇氧化生成乙酸;其次,使用啤酒种子培养基可以增强AC2005对酒精的耐受性,从而提高菌株AC2005在发酵培养阶段中适应能力。

FERNANDEZ-PEREZ R等[43]利用PFGE和ERIC-PCR分析了白酒醋(酒精度14%vol)、葡萄酒醋(酒精度12%vol)和苹果醋(酒精度6%vol)的深层发酵过程中的微生物种类,结果显示白酒醋中的微生物有K.europaeus,白葡萄酒醋中的微生物有K.europaeus、汉森驹形杆菌(K.hansenii)和A.pasteurianus,红葡萄酒醋中的微生物有K.europaeus,苹果醋中的微生物有K.europaeus、木驹形杆菌(K.xylinus)、K.hansenii和A.pasteurianus,证明是由于发酵条件造成了微生物种类上的差异。

4 结语

随着科学技术的发展,醋酸菌的分类经历了很多不同阶段的变化,但是直到现在,醋酸菌的分类学依然是不完善的。近代的分子生物学技术能够提供参考,但是一个新属种的发现建立必须以包含表型特征、生化特点和基因特性的多相分析为基础,没有更统一的依据。同样,在工业生产中,醋酸菌研究在食醋和酒精饮料生产中有着非常重要的地位,现在使用的常规菌种快速分析技术与实验室分析相差较大,菌种的分离、保存和培养有很大的局限性,因此还需要更多的研究来克服这些问题,加强食醋生产的控制,解决食醋生产中的问题,为生产选择更优良的菌种。

[1]YAKUSHI T,MATSUSHITA K.Alcohol dehydrogenase of acetic acid bacteria:structure,mode of action,and applications in biotechnology[J]. Appl Microbiol Biotechnol,2010,86(5):1257-1265.

[2]PERUMPULI P A,WATANABE T,TOYAMA H.Identification and characterization of thermotolerant acetic acid bacteria strains isolated from coconut water vinegar in Sri Lanka[J].Biosci Biotechnol Biochem, 2014,78(3):533-541.

[3]MATSUSHITA K,TOYAMA H,ADACHI O.Respiratory chains in acetic acid bacteria:Membrane-bound periplasmic sugar and alcohol respirations[J].Respiration Archaea Bacteria,2004,16:81-99.

[4]KERSTERS K,LISDIYANTI P,KOMAGATA K,et al.The family Ace-tobacteraceae:The generaAcetobacter,Acidomonas,Asaia,Gluconacetobacter,GluconobacterandKozakia[M].Berlin:Springer,2006:65-71.

[5]TRCEK J.Quick identification of acetic acid bacteria based on nucleotide sequences of the 16S-23S rDNA internal transcribed spacer region and of thePQQ-dependentalcoholdehydrogenasegene[J].Syst Appl Microbiol, 2005,28(8):735-745.

[6]SOLOERI L,GIUDICI P.Vinegars of the World[M].Berlin:Springer, 2009:55-63.

[7]BUCHANAN R E,HOLT J G,LESSEL E F,et al.Index Bergeyana[J]. Am J Med Sci,1966,253(2):37-516.

[8]ASAI T.Taxonomic studies on acetic acid bacteria and allied oxidative bacteria isolated from fruits.A new classification of the oxidative bacteria [J].Nippon Nogeikagak Kaishi,1935,11:674-708.

[9]ASAI T.Acetic acid bacteria;Classification and biochemical activities [J].Int J Syst Bacteriol,1968,19(2):254-256.

[10]WATSON J D,CRICK F H.A structure for deoxyribose nucleic acid. 1953[J].Nature,2003,421(6921):397-398.

[11]CITARELLA R,COLWELL R R.Polyphasic taxonomy of the genus Vibrio:polynucleotide sequence relationships among selectedVibrio species[J].J Bacteriol,1970,104(1):434-442.

[12]COLWELL R R.Polyphasic taxonomy of the genusVibrio:numerical taxonomy ofVibrio cholerae,Vibrio parahaemolyticus,and related Vibriospecies[J].J Bacterioly,1970,104(1):410-433.

[13]GILLIS M,LEY J D.Intra-and intergeneric similarities of the ribosomal ribonucleic acid cistrons ofAcetobacterandGluconobacter[J].Int J Syst Bacteriolo,1980,30(1):7-27.

[14]SWINGS J,GILLIS M,KERSTERS K,et al.Frateuria,a new genus for 'Acetobacter aurantius'[J].Int J Syst Bacteriol,1980,30(3):547-556.

[15]YAMADA Y,KONDO K.Gluconoacetobacter,a new subgenus comprising the acetate-oxidizing acetic acid bacteria with ubiquinone-10 in thegenusAcetobacter[J].J Gen Appl Microbiol,1984,30(4):297-303.

[16]YAMADA Y,AKITA M.An electrophoretic comparison of enzymes in strainsofGluconobacterspecies[J].J Gen Appl Microbiol,1984,30(2): 115-126.

[17]YAMADA Y,HOSHINO K,ISHIKAWA T.The phylogeny of acetic acid bacteria based on the partial sequences of 16s ribosomal RNA:the elevation of the subgenus to the generic level[J].Biosci Biotechnol Biochem,1997,61(8):1244-1251.

[18]URAKAMI T,JIN T,SUZUKI K I,et al.Acidomonas gen.nov.IncorporatingAcetobacter methanolicusasAcidomonas methanolicacomb. nov[J].Int J Syst Bacteriol,1989,39(1):50-55.

[19]YAMADA Y,KATSURA K,KAWASAKI H,et al.Asaia bogorensis gen.nov.,sp.nov.,an unusual acetic acid bacterium in the alpha-Proteobacteria[J].Int J Syst Evol Microbiol,2000,50(2):823-829.

[20]YUKPHAN P,POTACHAROEN W,TANASUPAWAT S,et al.Asaia krungthepensis sp.nov.,an acetic acid bacterium in the α-Proteobacteria [J].Int J Syst Evol Microbiol,2004,54(2):313-316.

[21]JOJIMA Y,MIHARA Y,SUZUKI S,et al.Saccharibacter floricolagen. nov.,sp.nov.,a novel osmophilic acetic acid bacterium isolated from pollen[J].Int J Syst Evol Microbiol,2004,54(Pt 6):2263-2267.

[22]LOGANATHAN P,NAIR S.Swaminathania salitoleransgen.nov.,sp. nov.,a salt-tolerant,nitrogen-fixing and phosphate-solubilizing bacterium from wild rice(Porteresia coarctataTateoka)[J].Int J Syst Evol Microbiol,2004,54(Pt 4):1185-1190.

[23]LISDIYANTI P,KAWASAKI H,WIDYASTUTI Y,et al.Kozakia baliensisgen.nov.,sp.nov.,a novel acetic acid bacterium in the alpha-Proteobacteria[J].Int J Syst Evol Microbiol,2002,52(Pt 3):813.

[24]KOMAGATA K,IINO T,YAMADA Y.The family Acetobacteraceae [M].Berlin:Springer,2014,3-78.

[25]GREENBERG D E,PORCELLA S F,STOCK F,et al.Granulibacter bethesdensisgen.nov.,sp.nov.,a distinctive pathogenic acetic acid bacterium in the familyAcetobacteraceae[J].Int J Syst Evol Microbiol, 2006,56(Pt 11):2609-2616.

[26]YUKPHAN P,MALIMAS T,MURAMATSU Y,et al.Tanticharoenia sakaeratensisgen.nov.,sp.nov.,a new osmotolerant acetic acid bacterium in the alpha-Proteobacteria[J].Biosci Biotechnol Biochem,2008, 72(3):672-676.

[27]YUKPHAN P,MALIMAS T,MURAMATSU Y,et al.Ameyamaea chiangmaiensisgen.nov.,sp.nov.,an acetic acid bacterium in the alpha-Proteobacteria[J].Biosci Biotechnol Biochem,2009,73(10):2156. [28]PATTARAPORN Y,TAWEESAK M,YUKI M,et al.Neokomagataea gen.nov.,with descriptions ofNeokomagataea thailandicasp.nov.and Neokomagataea tanensissp.nov.,osmotolerant acetic acid bacteria of the α-Proteobacteria[J].Biosci Biotechnol Biochem,2011,75(3):419-426.

[29]HUONG T L V,PATTARAPORN Y,WINAI C,et al.Nguyenibacter vanlangensisgen.nov.,sp.nov.,an unusual acetic acid bacterium in the α-Proteobacteria[J].J Gen Appl Microbiol,2013,59(2):153-166.

[30]YAMADA Y,YUKPHAN P,LAN V H,et al.Description ofKomagataeibactergen.nov.,with proposals of new combinations(Acetobacteraceae)[J].J Gen Appl Microbiol,2012,58(5):397-404.

[31]RAMÍREZ-BAHENA M H,TEJEDOR C,MARTÍN I,et al.Endobacter medicaginisgen.nov.,sp.nov.,isolated from alfalfa nodules in an acidic soil[J].Int J Syst Evol Microbiol,2013,63(5):1760-1765.

[32]VU H T L,MALIMAS T,CHAIPITAKCHONLATARN W,et al.Tanticharoenia aidaesp.nov.,for acetic acid bacteria isolated in Vietnam [J].Ann Microbiol,2016,66(1):417-423.

[33]CLEENWERCK I,DE VOS P.Polyphasic taxonomy of acetic acid bacteria:an overview of the currently applied methodology[J].Int J Food Microbiol,2008,125(1):2-14.

[34]CLARRIDGE J E.3RD impact of 16S rRNA gene sequence analysis for identification of bacteria on clinical microbiology and infectious diseases[J].Clin Microbiol Rev,2004,17(4):840-862.

[35]GONZALEZ A,MAS A.Differentiation of acetic acid bacteria based on sequence analysis of 16S-23S rRNA gene internal transcribed spacer sequences[J].Int J Food Microbiol,2011,147(3):217-222.

[36]STACKEBRANDT E,GOEBEL B M.Taxonomic Note:A place for DNA-DNA reassociation and 16S rRNA sequence analysis in the present species definition in bacteriology[J].Int J Syst Bacteriol,1994, 39(14):846-849.

[37]HIDALGO C,MATEO E,MAS A,et al.Identification of yeast and acetic acid bacteria isolated from the fermentation and acetification of persimmon(Diospyros kaki)[J].Food Microbiol,2012,30(1):98-104. [38]VALERA M J,LAICH F,GONZALEZ S S,et al.Diversity of aceticacid bacteria present in healthy grapes from the Canary Islands[J].Int J Food Microbiol,2011,151(1):105-112.

[39]VERSALOVIC J,KOEUTH T,LUPSKI R.Distribution of repetitive DNA sequences in eubacteria and application to fingerprinting of bacterial enomes[J].Nucleic Acids Res,1991,19(24):6823-6831.

[40]WU J J,MA Y K,ZHANG F F,et al.Biodiversity of yeasts,lactic acid bacteria and acetic acid bacteria in the fermentation of"Shanxi aged vinegar",a traditional Chinese vinegar[J].Food Microbiol,2012,30(1): 289-297.

[41]YETIMAN A E,KESMEN Z.Identification of acetic acid bacteria in traditionally produced vinegar and mother of vinegar by using different molecular techniques[J].Int J Food Microbiol,2015,204:9-16.

[42]LI P,LI S,CHENG L,et al.Analyzing the relation between the microbial diversity of DaQu and the turbidity spoilage of traditional Chinese vinegar[J].Appl Microbiol Biotechnol,2014,98(13):6073-6084.

[43]FERNANDEZ-PEREZ R,TORRES C,SANZ S,et al.Strain typing of acetic acid bacteria responsible for vinegar production by the submerged elaboration method[J].Food Microbiol,2010,27(8):973-978.

[44]ILABACA C,NAVARRETE P,MARDONES P,et al.Application of culture culture-independent molecular biology based methods to evaluate acetic acid bacteria diversity during vinegar processing[J].Int J Food Microbiol,2008,126(1-2):245-249.

[45]VEGAS C,GONZÁLEZ Á,MATEO E,et al.Evaluation of representativity of the acetic acid bacteria species identified by culture-dependent method during a traditional wine vinegar production[J].Food Res Int, 2013,51(1):404-411.

[46]TAMAOKAJ,KOMAGATAK.DeterminationofDNAbasecomposition by reversed-phase high-performance liquid chromatography[J].FEMS Microbiol Lett,1984,25(1):125-128.

[47]DELLAGLIO F,CLEENWERCK I,FELIS G E,et al.Description of Gluconacetobacter swingsiisp.nov.andGluconacetobacter rhaeticus sp.nov.,isolated from Italian apple fruit[J].Int J of Syst Evol Microbiol,2005,55(Pt 6):2365-2370.

[48]LISDIYANTI P,NAVARRO R R,TAI U,et al.Reclassification ofGluconacetobacter hanseniistrains and proposals ofGluconacetobacter saccharivoranssp.nov.andGluconacetobacter nataicolasp.nov[J].Int J Syst Evol Microbiol,2006,56(Pt 9):2101.

[49]DUTTA D,GACHHUI R.Novel nitrogen-fixingAcetobacter nitrogenifigenssp.nov.,isolated from Kombucha tea[J].Int J Syst Evol Microbiol,2006,56(Pt 8):1899-1903.

[50]ANDRES-BARRAO C,BENAGLI C,CHAPPUIS M,et al.Rapid identification of acetic acid bacteria using MALDI-TOF mass spectrometry fingerprinting[J].Syst Appl Microbiol,2013,36(2):75-81.

[51]XU W,HUANG Z,ZHANG X,et al.Monitoring the microbial community during solid-state acetic acid fermentation of Zhenjiang aromatic vinegar[J].Food Microbiol,2011,28(6):1175-1181.

[52]NIE Z,ZHENG Y,WANG M,et al.Exploring microbial succession and diversity during solid-state fermentation of Tianjin duliu mature vinegar [J].Bioresour Technol,2013,148:325-333.

[53]FUKUYAMA H.Nuclear magnetism in two-dimensional solid helium three on graphite[J].J Phys Soc Jpn,2008,77(11):3304-3314.

[54]GONZÁLEZ-SÁIZ J-M,GARRIDO-VIDAL D,PIZARRO C.Modelling the industrial production of vinegar in aerated-stirred fermentors in terms of process variables[J].J Food Eng,2009,91(2):183-196.

[55]GULLO M,VERZELLONI E,CANONICO M.Aerobic submerged fermentation by acetic acid bacteria for vinegar production:Process and biotechnologicalaspects[J].Process Biochem,2014,49(10):1571-1579.

[56]VEGAS C,MATEO E,GONZALEZ A,et al.Population dynamics of acetic acid bacteria during traditional wine vinegar production[J].Int J Food Microbiol,2010,138(1-2):130-136.

[57]ZHENG Y,ZHANG K,WANG C,et al.Improving acetic acid production ofAcetobacter pasteurianusAC2005 in hawthorn vinegar fermentation by using beer for seed culture[J].Int J Food Sci Technol,2010, 45(11):2394-2399.

Research of molecular taxonomy and application in vinegar production of acetic acid bacteria

QIN Xing,LU Hongmei*,CHEN Li
(Guizhou Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biological Pharmacy,School of Liquor and Food Engineering, Guizhou University,Guiyang 550003,China)

Acetic acid bacteria are Gram-negative,obligate aerobic bacteria that have the ability to oxidize alcohols or sugars to acetic acids as end products,and widely distributed in nature.Due to the characteristics of metabolizing alcohol to acetic acid,and acetic acid bacteria have been widely applied in food production.The research of acetic acid taxonomy had begun for a long time,but until recent decades,with the development of various biomolecular technologies,while it has been more deeply understood.The research and development of molecular taxonomy and application in vinegar industry of acetic acid bacteria were summarized.Various molecular taxonomy methods and acetic acid bacteria species applied in vinegar production were mainly introduced.

acetic acid bacteria;molecular taxonomy;vinegar;application

TS264.2

0254-5071(2017)06-0001-08

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.06.001

2017-04-09

贵州省科技厅、贵州大学联合资金计划项目(黔科合LH字[2014]7674);贵州省农业攻关项目(黔科合支撑[2016]2540号)

秦兴(1991-),男,硕士研究生,研究方向为轻工技术与工程。

*通讯作者:卢红梅(1967-),女,教授,博士,研究方向为发酵工程。

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