小米辣鲊辣椒發酵過程中風味物質及微生物多樣性的變化

尹小慶，湯艷燕，闞建全, 武亞婷，武運，杜木英*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(中匈食品科學合作研究中心，重慶，400715)3(新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊，830052)

鲊辣椒，又稱鲊海椒、鲊廣椒、酢辣椒、包谷酸辣子等，是我國西南地區的一種傳統特色發酵食品。鲊辣椒是以鮮辣椒、玉米粉或大米粉為主要原料，添加生姜、食鹽等輔料，經破碎混勻后于密閉容器中進行自然發酵而成。

風味物質分為揮發性和非揮發性風味物質，非揮發性風味是能引起酸、甜、咸、苦、鮮等味覺感受的物質。發酵辣椒中的有機酸主要為乳酸菌發酵所產生，以乳酸含量最高[1]。辣椒素類為辣椒本身所含有，賦予了鲊辣椒的辣味[2]。氨基酸類來源于辣椒發酵過程中產生的微生物，通過發酵產生，是鲊辣椒鮮味的來源。揮發性風味物質是能被嗅覺所感觸到的呈香物質，包括醛類、內酯、酮類以及萜烯類等[3]。微生物在發酵過程中對風味物質的產生起到關鍵作用，PANG等[4]發現清香型白酒中的耐酸乳桿菌與短鏈酯類物質呈正相關，短乳桿菌與長鏈酯類物質呈正相關。XIE等[5]研究表明，不同腐乳中乳酸乳球菌、鞘氨醇桿菌屬、發酵畢赤酵母、奧默柯達酵母和魯氏酵母是潛在的產香微生物。

目前，小米辣鲊辣椒的獨特風味物質和微生物多樣性變化規律在發酵過程中的變化未見報道。因此，本研究以不同發酵階段的小米辣鲊辣椒為研究對象，對發酵過程中的有機酸、氨基酸含量和風味物質變化進行分析，并采用MiSeq高通量測序研究小米辣鲊辣椒中微生物的多樣性，揭示小米辣鲊辣椒中風味物質和微生物的變化，為小米辣鲊辣椒發酵過程中風味品質的評價和微生物多樣性的變化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品：按傳統工藝制作[6]。取發酵時間為0、7、15、22、30、45、60、90 d的小米椒鲊辣椒，編號為A1～A8。

試劑：草酸、乙酸、蘋果酸、酒石酸、乳酸、檸檬酸、琥珀酸(標準品)，索萊寶生物科技有限公司；磷酸、5-磺基水楊酸、甲醇(分析純)，成都科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

GCMS-2010氣相色譜質譜聯用儀、LC-20高效液相色譜儀，日本島津公司；100 μm PDMS固相微萃取(SPME)裝置，美國supelco公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司；L-8900全自動氨基酸分析儀，日本日立公司；JA2003分析天平，上海精密科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 揮發性成分的測定

(1)萃取方法[7]：稱取5 g樣品于20 mL頂空進樣瓶中，再加入10 μL 2-辛醇(500 mg/L)標準品作為內標，加蓋密封。在50 ℃恒溫水浴平衡30 min后，將老化后的萃取頭(100 μm PDMS)插入頂空進樣瓶中，頂空吸附40 min，然后在GC-MS進樣器中解析5 min，同時啟動儀器。

(2)測定條件：色譜和質譜條件參考尹小慶等[8]的方法。

(3)定性及定量分析：采用NIST05、NIST08等譜庫檢索(匹配度<80的化合物)和保留指數結合進行定性分析。樣品中各揮發性組分的絕對含量按公式(1)計算[9]：

(1)

式中：ρ，內標的質量濃度，μg/μL；V，內標物體積，μL；Ai，各揮發性組分的峰面積；A，內標物質的峰面積；m，樣品的質量，kg。

1.3.2 有機酸含量的測定[10]

(1)標準曲線繪制：將質量濃度范圍為0.02～4.08 g/L的有機酸混合標準液經0.45 μm濾膜過濾后上機分析，以質量濃度X(g/L)對峰面積Y做圖，繪制標準曲線，求回歸方程及相關系數。

表1 有機酸的保留時間與回歸方程

(2)色譜條件：使用AgilentC18(4.6 mm×150 mm，5 μm)色譜柱；流動相為體積分數1%甲醇：0.06 mol/L的KH2PO4(用H3PO4調pH至2.50)；流速0.6 mL/min；進樣量15 μL；柱溫28 ℃；檢測波長210 nm。

(3)樣品前處理及定性定量分析：稱取 2.5 g左右樣品，加純水于75 ℃水浴20 min，冷卻后定容至50 mL，8 000 r/min離心20 min，上清液經0.45 μm濾膜過濾后上機分析。采用保留時間定性，以峰面積外標法定量。

1.3.3 游離氨基酸的測定[11]

(1)樣品前處理：稱取0.2 g左右樣品，然后加入2 mL 40 g/L的磺基水楊酸充分振蕩，在4 ℃冰箱放置過夜，8 000 r/min離心10 min，上清液經0.45 μm濾膜過濾后上機檢測。

(2)測定條件：柱溫50 ℃；反應器溫度135 ℃；進樣量20 μL；泵1流速0.4 mL/min；泵2流速0.35 mL/min。

1.3.4 微生物群落結構的測定

(1)基因組DNA提取：參照E.Z.N.A Soil DNA kit說明書，提取鲊辣椒中總基因組DNA。然后用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA。

(2)PCR擴增：對細菌16S rDNA 的V3-V4可變區進行擴增，對真菌的 ITS1-ITS2可變區進行擴增，具體引物見表2。優化PCR體系和反應條件，將所有樣品的微生物宏基因組在此條件下進行 PCR 反應。

表2 細菌和真菌的PCR擴增引物設計

細菌PCR反應體系：5×FastPfu Buffer 4 μL，2.5 mmol/L dNTPs 2 μL，5 μmol/L上游引物和下游引物各0.8 μL，4 μL FastPfu Polymerase，0.2 μL BSA, 模板DNA 10 ng，補ddH2O至20 μL。細菌PCR反應條件：95 ℃預變性3 min，95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s(27 個循環)，最后72 ℃延伸10 min，10 ℃保溫。

真菌PCR反應體系：10×Buffer 2 μL，2.5 mmol/L dNTPs 2 μL，5 μmol/L上游引物和下游引物各0.8 μL，0.2 μL rTaq Polymerase，0.2 μL BSA, 10 ng模板DNA，補ddH2O至20 μL。真菌PCR反應條件：95 ℃預變性3 min，95 ℃變性30 s，55 ℃退火 30 s，72 ℃延伸45 s(35 個循環)，最后72 ℃延伸10 min，10 ℃保溫。

擴增后的PCR產物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產物，Tris-HCl洗脫，2%瓊脂糖電泳檢測。

(3)MiSeq高通量測序：將PCR產物純化后定量，并按照每個樣本測序量的要求進行相應比例的混合，構建文庫，然后進行MiSeq測序。

(4)生物信息學分析：Illumina平臺測序得到的是雙端序列數據，需對所得序列進行拼接及質控過濾。根據條碼將序列確定到每個樣品，并將條碼、載體序列和引物序列去除，去掉長度<200 bp、單堿基重復>6個、含2個以上錯配的引物堿基以及含模糊堿基的序列，得到有效的序列文件[12]。在97%的相似水平下對所有序列進行操作分類單位(operational taxonomic unit, OTU)劃分并與 Silva、Unite等數據庫進行比對，利用Mothur軟件進行OTU分布統計以及分類學分析等。

2 結果與分析

2.1 小米辣鲊辣椒中揮發性成分的分析

小米辣鲊辣椒發酵過程中揮發性成分的種類及含量見表3所示，共檢出66種揮發性成分，其中酯類28種，萜類17種，烷烴類13種，醇類和醛類各3種，酸類和吡嗪類各1種?？倱]發成分的含量呈現先增加后減少的趨勢，各類揮發性化合物的含量變化趨勢與總揮發性含量大致相同。在發酵45 d時揮發性物質的種類和含量均達到最大值。小米辣鲊辣椒發酵過程中香氣活度值(odor activity value, OAV)>1的揮發性成分共19種，見表4所示。其中，酯類13種、萜類4種、醇類和吡嗪類各1種。在不同的發酵階段，小米鲊辣椒的主要特征風味物質差異較大。

酯類化合物主要賦予食品特殊的水果香味[13]。直鏈酯類是以脂肪酸為前體物質，經脂肪酸的氧化代謝而形成的香氣物質，支鏈酯類香氣物質主要來源于氨基酸的代謝，而芳香環類香氣物質則由苯丙氨酸經莽草酸途徑合成[14-15]。在發酵0 d 時，酯類化合物共16種，其中己酸乙酯、乙酸己酯、庚酸乙酯、異丁酸己酯、苯甲酸乙酯、己酸己酯和(Z)-4-癸烯酸乙酯的OAV>1，說明它們對鮮小米辣的香氣有一定貢獻。發酵22 d后，OAV>1的物質有11種，己酸乙酯、乙酸己酯、庚酸乙酯等OVA值相對較高。小米辣鲊辣椒中酯類化合物的種類和含量在發酵45 d時達最大值。發酵45～60 d的小米辣檢出13種對風味有貢獻的酯類化合物，其中丁酸乙酯具有強烈的菠蘿香氣，己酸乙酯有強烈的甜果香，乙酸己酯具有青香和果香[16]，且這3種酯類OAV>100，是鲊辣椒特征香氣成分。

萜類化合物對天然風味有一定的貢獻。小米辣鲊辣椒發酵前15 d僅檢出(Z)-β-羅勒烯、芳樟醇、(-)-α-蓽澄茄油烯、β-欖香烯、α-雪松烯和β-石竹烯，而α-柏木烯和α-姜黃烯在發酵15 d后生成，其余萜類物質直至發酵30 d后才檢出。小米辣鲊辣椒在發酵45 d時萜類化合物的種類和含量最高，發酵45～60 d時OAV>1的萜類化合物有4種。其中芳樟醇具有漿果和玫瑰香氣，是小米辣鲊辣椒發酵 45～60 d時共有的特征香氣物質。

表3 小米辣鲊辣椒發酵過程中揮發性成分的變化

續表3

序號物質保留指數揮發性物質含量/(μg·kg-1)0 d7 d15 d22 d30 d45 d60 d90 d47α-雪松烯1 48830.90282.043 464.154 943.835 750.4715 750.4110 810.482 658.4748β-石竹烯1 49274.2993.54175.70313.72555.991 237.392413.45102.2849α-愈創木烯1 507ndndnd87.97499.431 271.6885.9324.5850β-雪松烯1 511ndndnd51.38499.43981.441 852.1156.6451α-姜黃烯1 519ndnd176.95316.95430.131 233.911 253.53143.4652柏木腦1 617ndndndnd603.231 141.21960.03236.38532-甲氧基-3-異丁基吡嗪1 199ndndndnd21.9486.24102.2720.19543-甲基十一烷1 175ndndndnd59.31295.76237.1562.62552-甲基十三烷1 3611 097.461 267.85990.771 679.401 567.204 634.804 603.24693.0156正十四烷1 402171.74441.77165.57244.14296.21771.05825.53164.40572-甲基四癸烷1 4621 168.221 455.161 156.001 891.702 039.834 015.097 239.40740.5758正十五烷1 505500.57827.82255.41429.90533.801 271.681 352.67256.79592-甲基十五烷1 544ndndndnd89.18161.09131.2241.3660正十六烷1 603ndnd275.47460.35531.741 258.491 275.29303.2661姥鮫烷1 646ndndndnd134.54255.68308.86174.51622-甲基二六烷1 663263.351 545.9879.85139.98222.95566.76511.82104.8663正十七烷1 700ndnd198.77329.06432.131 186.671 217.65238.5264植烷1 742ndndndnd73.67350.62141.0360.85653-甲基十七烷1 771ndndndnd52.4355.9889.9252.5566正十八烷1 806ndnd55.0591.68103.67262.29230.7582.93

注：nd表示未檢出(下同)

表4 小米辣鲊辣椒中主要成分的OAV

注：表4中序號與表3中序號相對應

醇類、醛類、酸類和吡嗪類化合物均在發酵30 d后生成，且含量較低。2-甲氧基-3-異丁基吡嗪具有類似胡椒和咖啡的香氣，是青辣椒的主要香氣成分[17]。雖然其含量低，但由于閾值僅為0.016 μg/kg，且OAV>1 000，所以是小米辣鲊辣椒發酵30 d后的特征香氣成分。研究表明,辣椒變紅后2-甲氧基-3-異丁基吡嗪含量降低[18]，這可能是鲊辣椒發酵前22 d未檢測到2-甲氧基-3-異丁基吡嗪的原因。而在發酵后期能檢測到這種物質是因為發生strecker反應，生成吡嗪類物質[19]。

烴類化合物的風味閾值高，對小米辣鲊辣椒的風味貢獻小，所以烴類化合物不是鲊辣椒的特征香氣成分。發酵前7 d，小米辣鲊辣椒中主要是酯類和烷烴類化合物，分別占總含量的45%左右。發酵15 d后，各類化合物含量增加但比例發生了變化，萜類化合物上升至30%以上，烷烴類化合物下降在到20%左右，酯類維持在40%左右。隨著發酵的進行，烷烴化合物在向萜類物質轉化，酯類和萜類逐漸成為小米辣鲊辣椒的主要香氣成分。

2.2 小米辣鲊辣椒中有機酸的動態變化

由表5可知，小米辣鲊辣椒發酵過程中有機酸的總量呈先上升后下降的趨勢，發酵22 d時有機酸總含量最高，為14.56 g/kg。酸味是鲊辣椒的一個非常重要的滋味品質，但不同的有機酸有不同的酸味特征[21]。蘋果酸具有溫和的酸味，酒石酸具有葡萄和白檸檬的香氣，這2種酸在發酵過程中逐漸增加，在第30天達到最大值，分別為1.14和1.98 g/kg，然后基本保持不變。乳酸的酸味柔和，有后酸味。在發酵前22 d，乳酸含量不斷增加，而22 d后，乳酸含量略微下降后保持相對穩定。琥珀酸有豆醬類的風味，在發酵22 d后含量大幅度減少直至低于檢測限。而乙酸的酸味有刺激性，但蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸能夠中和乙酸的刺激性，使酸味更加柔和、醇厚[22]。在發酵22 d后，乙酸含量急劇減少，推測乙酸與醇類等物質發生酯化反應[23]，進而增加了鲊辣椒的風味。

表5 小米辣鲊辣椒發酵過程中有機酸含量的變化

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.3 小米辣鲊辣椒中游離氨基酸的分析

氨基酸不僅具有營養功能，而且還是重要的呈味物質。如Asp和Glu是鮮味氨基酸，His、Leu和Tyr味道微苦。這些氨基酸不僅可以組成不同形式的滋味相關肽，還可能對醇、酯等芳香成分產生一定影響[24]。由表6可知，發酵0 d時，小米辣鲊辣椒的總氨基酸含量為8.31 g/kg，苦味、甜味、鮮味和無味氨基酸分別占總含量的14.4%、78.03%、3.37%和4.2%，必需氨基酸占比11.9%。隨著發酵的進行，總氨基酸和甜味氨基酸含量降低，苦味、鮮味、無味和必需氨基酸含量增加。其中His、Arg、Ser和Cys含量降低，其余氨基酸含量逐漸增加。發酵45 d時，小米辣鲊辣椒的總氨基酸含量下降到3.33 g/kg，必需氨基酸占比為上升到46.21%。苦味、甜味、鮮味和無味氨基酸分別占總含量的43.27%、28.03%、15.32%和13.38%，可見氨基酸的滋味逐漸豐富。在整個發酵過程中，7種必需氨基酸含量不斷增加，發酵45 d后必需氨基酸的含量占總含量的45%以上，說明小米辣鲊辣椒發酵45 d后營養價值較高。

表6 小米辣鲊辣椒發酵過程中游離氨基酸含量的變化

續表6

物質游離氨基酸含量/(g·kg-1)0 d7 d15 d22 d30 d45 d60 d90 d亮氨酸(Leu)241.17 240.46 375.91 343.99 357.57 356.24 388.86 392.39異亮氨酸(Ile)96.73 95.44 145.20 136.24 143.35 166.21 181.73 182.32 甲硫氨酸(Met)68.53 68.67 98.31 91.18 94.79 97.77 104.76 106.54 酪氨酸(Tyr)133.99 147.16 195.81 166.98 178.16 222.07 227.89 232.82 甜味6 486.84 5 350.57 4 171.95 2 994.26 2 064.73 934.38 1 034.95 1 016.73 絲氨酸(Ser)5 977.01 4 820.69 3 458.68 2 330.70 1 388.62 238.37 262.66 262.44 蘇氨酸(Thr)87.66 78.29 115.65 99.36 103.52 133.44 144.82 140.02 甘氨酸(Gly)93.12 96.92 135.53 117.30 124.13 131.82 143.33 143.08 丙氨酸(Ala)329.05 354.66 462.08 446.89 448.46 430.75 484.14 471.19 鮮味280.17 291.37 411.19 364.44 393.17 510.84 540.67 550.56 天冬氨酸(Asp)33.00 39.84 55.47 64.32 78.87 131.80 128.27 133.77 谷氨酸(Glu)247.17 251.52 355.72 300.12 314.30 379.03 412.40 416.79 無味349.09 337.85 485.56 412.51 433.20 446.14 482.79 478.43 賴氨酸(Lys)163.96 147.39 207.77 187.51 197.33 208.04 229.34 227.09 半胱氨酸(Cys)9.61 9.13 7.17 12.04 12.49 6.21 7.50 7.29 脯氨酸(Pro)175.52 181.33 270.63 212.96 223.38 231.88 245.95 244.05 必需氨基酸988.91 989.75 1 441.65 1 305.36 1 364.66 1 540.64 1 651.84 1 667.30 總計8 313.00 6 967.00 6 414.16 4 994.26 4 167.13 3 333.83 3 602.39 3 607.85

2.4 小米辣鲊辣椒中微生物多樣性的分析

2.4.1 發酵過程中細菌群落結構分析

小米辣鲊辣椒發酵過程中共鑒定出30種不同屬的細菌，如圖1所示。

圖1 小米辣鲊辣椒發酵過程中細菌在屬水平上的群落熱圖

相對豐度>0.1%的有11種，如乳桿菌屬(Lactobacillus)、藍細菌(Cyanobacterianorank)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、片球菌屬(Pediococcus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)等。隨著發酵的進行，Lactobacillus的相對豐度呈先增加后減少的趨勢，這與乳酸含量在發酵過程中的變化趨勢基本一致。發酵15 d后乳桿菌屬豐度迅速增加到64.69%，發酵30～60 d，Lactobacillus的豐度保持在80%左右。盡管在發酵90 d后，Lactobacillus含量降低到57.47%，也依然是小米辣鲊辣椒中的優勢菌群。周俊良[25]分離鑒定了辣椒制品中10種乳酸菌，其中7種為乳桿菌。韓俊燕等[26]發酵辣椒細菌多樣性的研究也表明乳桿菌是發酵辣椒的主要菌屬。發酵90 d后仍有26個細菌屬參與發酵，其中約20個細菌屬參與了整個發酵過程?？梢?，在小米辣鲊辣椒在發酵過程中保持了細菌的多樣性。

2.4.2 發酵過程中真菌群落結構分析

小米辣鲊辣椒發酵過程中共鑒定出36種不同屬的真菌，如圖2所示。發酵0 d時，其中相對豐度>0.1%的菌屬有Candida(97.44%)、Aspergillus(0.44%)、unclassifiedColletotrichum(0.34%)、Meyerozyma(0.26%)、Colletotrichum(0.24%)、Fusarium(0.19%)、Gibberella(0.15%)、Meyerozyma(0.11%)、Monographella(0.10%)、unclassifiedDavidiellaceae(0.1%)。假絲酵母屬(Candida)在整個發酵過程中的相對豐度>97%，為小米辣鲊辣椒發酵過程中的優勢真菌。劉麗娜[27]研究發現石柱辣椒表面的酵母菌以假絲酵母居多，與本實驗結果相類似。發酵7 d后真菌屬的種類銳減到10個左右，可能是因為乳酸菌在厭氧發酵過程中產生乳酸，高酸性環境影響了一些真菌正常的生長代謝。且除Candida以外，其他真菌屬的含量均低于0.1%。推測Meyerozyma、Kazachstania參與了鲊辣椒整個發酵過程。

圖2 小米辣鲊辣椒發酵過程中真菌在屬水平上的群落熱圖

2.5 風味物質與微生物相關性分析

為研究微生物與揮發性成分之間的關系，分析了小米辣鲊辣椒不同發酵階段微生物(相對豐度>1%)群落的相對豐度與66種揮發性成分含量之間的相關性。由表7可知，Lactobacillus與47種揮發性化合物顯著相關(P<0.05)，其中包括13種小米辣鲊辣椒在發酵過程中的特征香氣成分，酯類10種、萜類2種、吡嗪類1種。并且Lactobacillus與其中21種揮發性化合物相關性極顯著(P<0.01)，其中乙酸己酯、庚酸乙酯、異丁酸乙酯、(Z)-4-癸烯酸乙酯、月桂酸乙酯、芳樟醇、β-石竹烯為小米辣鲊辣椒在發酵過程中的特征香氣成分。Candida與27種化合物顯著相關(P<0.05)，包括酯類14種、萜類6種、醇類2種、醛、酸類各1種、烷烴類3種，其中乙酸戊酯、己酸乙酯、乙酸己酯、庚酸乙酯、(Z)-4-癸烯酸乙酯、月桂酸乙酯、(Z)-4-癸烯酸乙酯、β-石竹烯小米辣鲊辣椒在發酵過程中的特征香氣成分。乳桿菌屬和Candida均與特征香氣成分乙酸戊酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、(Z)-4-癸烯酸乙酯、β-石竹烯有顯著相關性。可見，Lactobacillus和Candida對小米辣鲊辣椒香氣形成起重要作用。

3 結論

小米辣鲊辣椒在整個發酵過程中，揮發性風味物質、有機酸和游離氨基酸在不同發酵階段差異較大。小米辣鲊辣椒在發酵過程中共檢出 66 種揮發性化合物，各類揮發性物質含量均先增加后減少，其中醇類在發酵30 d時達最大值，酯、萜、醛及酸類物質在發酵45 d時達最大值，吡嗪和烷烴類在發酵60 d時達最大值。丁酸乙酯、己酸乙酯、乙酸己酯、芳樟醇和2-甲氧基-3-異丁基吡嗪是小米辣鲊辣椒發酵45～60 d時的特征香氣成分。小米辣鲊辣椒中共檢測出 6 種有機酸，琥珀酸和乙酸含量先升高后降低，其余有機酸含量先增加后基本保持穩定。小米辣鲊辣椒中共檢測出 18種氨基酸，其總量不斷降低，但人體必需氨基酸含量由11.9%增加至46.21%。小米辣鲊辣椒在發酵中共鑒定出30個細菌屬、36個真菌屬，其中Lactobacillu和Candida為發酵過程中的優勢菌群。Lactobacillus與47種揮發性成分顯著相關(P<0.05)，且與特征香氣成分乙酸己酯、庚酸乙酯、異丁酸乙酯、(Z)-4-癸烯酸乙酯、月桂酸乙酯、芳樟醇、β-石竹烯相關性極顯著(P<0.01)。Candida與27種化合物顯著相關(P<0.05)，包括酯類14種、萜類6種、醇類2種、醛、酸類各1種、烷烴類3種。該結果將為小米辣鲊辣椒發酵過程中風味品質的評價和微生物多樣性的變化提供理論依據。

表7 小米辣鲊辣椒中微生物與揮發性物質的Spearman相關系數

注：表7中序號與表3中序號相對應。*表示相關性顯著(P<0.05)；**表示相關性極顯著(P<0.01)