1株产萜类菌株的筛选、鉴定及其在烟用香料中的应用

冯颖杰1,王静文2,王子轩3,安 康2,张婷婷1,刘文召1,张璐璐2,*

(1.河南中烟工业有限责任公司技术中心,河南 郑州 450000;2.河南工业大学粮油食品学院,河南 郑州 450001;3.河南工业大学国际教育学院,河南 郑州 450001)

摘 要:从橘子土壤中分离筛选产萜类菌株,对其进行形态学观察和分子生物学鉴定,系统研究筛选菌株的产香性能、生长特性及安全性,利用筛选菌株发酵制备烟用香料,并通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱分析其香味成分变化。结果表明,分离筛选出1株产萜类菌株JT-14,鉴定为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)。菌株JT-14可将α-蒎烯、β-月桂烯和柠檬烯转化为α-松油醇、4-萜烯醇、冰片、葑醇、(–)-反式-松香芹醇、香芹醇、香茅醇及紫苏醇等香味成分。菌株JT-14未表现出溶血现象,对抗生素具有敏感性,具有较高的安全性。利用菌株JT-14发酵制备的烟用香料富含萜类香味成分及其他多种特征香味物质,能够增加香味成分总量。

关键词:贝莱斯芽孢杆菌;筛选;鉴定;萜类香味成分;烟用香料

DOI: 10.11882/j.issn.0254-5071.2026.06.034

收稿日期:2025-11-10

基金项目: 河南中烟工业有限责任公司科技项目(AW2024035);河南省科技研发计划联合基金项目(242103810080);河南省博士后启动经费项目(HN2025039)

第一作者简介: 冯颖杰(1990—)(ORCID: 0000-0003-0393-9227),男,高级工程师,硕士,研究方向为烟草生物技术。E-mail: fyjwin123@163.com

*通信作者简介 张璐璐(1992—)(ORCID: 0000-0002-2398-2356),女,副教授,博士,研究方向为香精香料、生物催化与转化。E-mail: zhanglulu_haut@163.com

Screening and Identification of a Terpenes-Producing Strain and Its Application in Tobacco Flavor

FENG Yingjie1, WANG Jingwen2, WANG Zixuan3, AN Kang2, ZHANG Tingting1, LIU Wenzhao1, ZHANG Lulu2,*

(1. Technology Center, China Tobacco Henan Industrial Co. Ltd., Zhengzhou 450000, China;2. College of Food Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;3. School of International Education, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

Abstract: Terpenoid-producing strains were isolated and screened from orange orchard soil. The obtained strains were subjected to morphological observation and molecular biological identification. The flavor-producing capacity, growth characteristics and safety profile of the screened strain were investigated. Tobacco flavor was prepared by fermentation with the screened strains, and the changes in aroma components were analyzed by headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that one terpene-producing strain, JT-14, was isolated and screened,which was identified as Bacillus velezensis. The strain JT-14 could effectively convert α-pinene, β-myrcene and limonene into aroma components including α-terpineol, 4-terpineol, borneol, fenchol, (–)-trans-pinocarveol, carveol, citronellol and perillyl alcohol. The strain JT-14 showed no hemolytic activity and was susceptible to common antibiotics, indicating high biosafety. The tobacco flavor prepared by fermentation with strain JT-14 was rich in terpenoid aroma components and a variety of other characteristic aroma substances, which could increase the total content of aroma components.

Keywords: Bacillus velezensis; screening; identification; terpenoid aroma component; tobacco flavor

中图分类号:TS41+4

文献标志码:A

文章编号:0254-5071(2026)06-0266-08

引文格式:
冯颖杰, 王静文, 王子轩, 等. 1株产萜类菌株的筛选、鉴定及其在烟用香料中的应用[J]. 中国酿造, 2026, 45(6):266-273. DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.06.034. http://www.chinabrewing.net.cn

FENG Yingjie, WANG Jingwen, WANG Zixuan, et al. Screening and identification of a terpenes-producing strain and its application in tobacco flavor[J]. China Brewing, 2026, 45(6): 266-273. (in Chinese with English abstract) DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2026.06.034. http://www.chinabrewing.net.cn

萜类是指具有(C5H8)n通式的烃类,以及其不同饱和程度、含氧衍生物的总称,可以看成是由异戊二烯或异戊烷以各种方式连结而成的一类天然化合物,具有一定的生理活性。萜类香味成分是烟草香气中极为重要的组成,尤其是一些单萜、倍半萜类香味成分能够赋予卷烟甜香、清香、花香等风格特征[1-2],可显著提升烟气质感。然而,在烟叶种植、调制和醇化过程中,常会出现萜类香味成分累积较少、前体物转化不充分等问题,导致烟叶香气不足、香气品质不佳,难以满足日益丰富的卷烟开发需求,使得通过调香手段提高卷烟中萜类香味成分含量尤为重要[3-4],富含萜类香味成分的香料是解决这一问题的重要保障。

现有萜类香料种类有限,一些重要单萜和倍半萜如α-松油醇、4-萜烯醇、圆柚酮等成本较高,制备工艺主要以化学合成为主,工艺过程复杂,不利于吸食品质的副产物多,且生产的香料不属于天然提取物范畴。相比之下,微生物法具有反应条件温和、高效以及针对性强等优势,且利用微生物制备的香料被公认为天然香料,是萜类香料生产制备的重要途径[5-7]。通过微生物转化,一方面可将资源丰富、价格便宜的底物转化生成香气更为浓郁、商业价值更高的萜类单体香料,另一方面可利用烟草中的糖类和其他大分子物质制备富含萜类香味成分的天然香料,从而赋予卷烟更为丰富的香气,提高卷烟的品质[8]。目前,微生物制备烟用香料的研究主要集中在香兰素、2-苯乙醇等单体香料,以及类胡萝卜素降解香料、多糖类香料、香料作物内生菌发酵生产香料等复合香料[9-12]。相比之下,针对烟用萜类香料的研究仍较为有限。此外,现有产萜类香味成分的菌株种类不多,主要为青霉属、曲霉属等真菌[13-14],以细菌为产香菌株的研究较少,且普遍存在产香效率不高的问题,已成为烟用萜类香料开发与工业化应用的主要限制因素。

本研究采用唯一碳源法从橘子土壤中分离筛选产萜类菌株,通过测定生长曲线评估其生长特性;通过溶血试验和抗生素敏感性实验评价其安全性;通过顶空固相微萃取-气相色谱-质谱(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)技术分析其香味成分变化。以烟草为底物,采用筛选产萜类菌株发酵制备烟用香料,旨在为烟用香料以及其他生物香料的开发提供理论依据和技术支持,为卷烟增香提供可行的技术思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

烟草样品(云南C3F、津巴布韦L10/C) 中烟工业有限责任公司;土壤样品于2024年采自湖南长沙橘子洲头。

柠檬烯、α-蒎烯(均为分析纯) 梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;β-月桂烯(分析纯) 上海麦克林生化科技股份有限公司;瓦伦西亚橘烯(分析纯) 上海源叶生物科技有限公司;Dzup基因DNA快速抽提试剂盒、2×Taq Master Mix 生工生物工程(上海)股份有限公司;蛋白胨、酵母浸粉、麦芽提取物、琼脂(均为生化试剂) 北京奥博星生物技术有限责任公司;氯化钠、葡萄糖、无水硫酸镁、环己酮(均为分析纯) 天津市大茂化学试剂厂;C7~C30正构烷烃(均为色谱纯) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;药敏纸片 常德比克曼生物科技有限公司。

酵母-麦芽(yeast-malt,YM)液体培养基:葡萄糖10 g/L、蛋白胨5 g/L、酵母浸粉3 g/L、麦芽提取物3 g/L。

YM固体培养基:YM液体培养基中添加琼脂20 g/L。

M9培养基:Na2HPO4 6 g/L、NaCl 0.5 g/L、KH2PO4 3 g/L、NH4Cl 1 g/L。灭菌后添加1 mol/L MgSO4 2 mL/L。

5%羊血琼脂培养基:青岛海博生物技术有限公司。

上述培养灭菌条件均为121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。

1.2 仪器与设备

6890N-5975B GC-MS仪 美国Agilent公司;YX280/15高压蒸汽灭菌锅 上海三申医疗器械有限公司;SP-DJ超净工作台 上海浦东物理光学仪器制造厂;BSD-TX270台式智能精密摇床 上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS HS-SPME萃取头 美国Supeleo公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司;722s可见分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司;H2050R大容量高速台式冷冻离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;T100聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪 美国Bio-Rad公司。

1.3 方法

1.3.1 产萜类香味成分菌株的筛选与鉴定

1.3.1.1 菌株初筛

取10 g橘子土壤样品加入90 mL无菌生理盐水,于30 ℃、150 r/min振荡培养30 min,充分悬浮后取0.5 mL液体接种至装液量为50 mL/250 mL YM液体培养基中,并添加0.1%(V/V)经0.22 μm滤膜除菌的混合底物 (α-蒎烯∶β-月桂烯∶柠檬烯∶瓦伦西亚橘烯=1∶1∶1∶1, V/V),于30 ℃、150 r/min条件下振荡培养48 h。随后将培养液进行梯度稀释,并涂布于YM固体平板,30 ℃静置培养至菌落完全生长,挑取形态各异的单菌落进行划线纯化,筛选出可耐受0.1%(V/V)混合底物的菌株。

取1 mL可耐受0.1%(V/V)混合底物的活化菌株接种于装液量为100 mL/250 mL YM液体培养基中,添加2.0%(V/V)混合底物,30 ℃、150 r/min条件下振荡培养48 h。再次进行梯度稀释并涂布于YM固体平板,培养后挑取单菌落划线培养,筛选出可耐受2.0%(V/V)混合底物的菌株。

将可耐受2%(V/V)混合底物的菌株转接至新鲜YM液体培养基中,30 ℃、150 r/min条件下振荡培养12 h。随后6 000×g条件下离心15 min,收集菌体,用0.9%生理盐水洗涤3次,去除残留培养基。将洗净的菌体重悬于M9培养基中,调节初始OD600 nm值为0.2,并添加1.0%(V/V)混合底物,在30 ℃、150 r/min条件下振荡培养120 h。定期测定OD600 nm值以确定微生物是否生长,初步筛选具有产香作用且能以混合底物作为唯一碳源生长的菌株[15]。筛选菌株能够在仅含混合底物碳源的条件下生长,表明其不仅对混合底物具有良好的耐受性,还可能具备降解混合底物(α-蒎烯、β-月桂烯、柠檬烯和瓦伦西亚橘烯)的代谢途径,进而将其转化为其他萜类香味物质。

1.3.1.2 菌株复筛

将获得的初筛菌株接种于YM液体培养基中,于30 ℃、150 r/min条件下振荡培养至OD600 nm值0.8~1.0,分别添加0.1%(V/V)的α-蒎烯、β-月桂烯、柠檬烯和瓦伦西亚橘烯进行发酵。使用HS-SPME-GC-MS技术对不同发酵时间(24、48、72 h)的产物进行挥发性香气成分分析,筛选出产香效率高、萜类(单萜和倍半萜)香气馥郁的菌株。

1.3.1.3 菌株鉴定

形态学观察:将活化后的产香菌株在YM固体培养基上30 ℃划线培养,观察其菌落形态特征,同时使用扫描电镜观察其细胞结构。

分子生物学鉴定:使用Dzup基因组DNA快速抽提试剂盒提取样本基因组DNA,使用通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和1492R(5′-TACGG(C/T)ACCTTGTTACGACTT-3′)进行PCR扩增。PCR扩增体系(30 μL):2×Taq PCR Master Mix 15 μL,DNA 1 μL,上、下游引物各1 μL,双蒸水(ddH2O)12 μL。PCR扩增条件:95 ℃ 5 min;95 ℃30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,35个循环;72 ℃ 5 min。扩增产物送往生工生物工程(上海)有限责任公司测序,测序结果提交至NCBI数据库中,将筛选菌株的16S rDNA基因序列通过BLAST进行同源性比对,并利用MEGA 13.0软件通过邻接法构建菌株系统发育树。

1.3.2 产香菌株生长特性和安全性分析

1.3.2.1 生长曲线绘制

将筛选产香菌株按1%(V/V)接种入装液量为100 mL/250 mL YM液体培养基中,30 ℃、150 r/min振荡培养48 h,每隔4 h取样,以YM液体培养基为空白对照,测定菌液OD600 nm值,以时间为横坐标、OD600 nm值为纵坐标绘制生长曲线。

1.3.2.2 溶血试验

筛选产香菌株在YM液体培养基中活化之后,蘸取1 µL菌液在羊血琼脂培养基上进行划线,30 ℃培养24 h,观察并记录菌株在培养基上的溶血情况,参照溶血判断标准[16]进行结果分析。

1.3.2.3 抗生素敏感性实验

产香菌株在YM液体培养基中活化之后,取100 µL菌液涂布于YM固体培养基表面,用无菌镊子放置含有定量抗菌药物的药敏纸片,30 ℃培养24 h,测量抑菌圈直径,根据《抗微生物药物敏感性试验执行标准》以及吴诗卉等[17]的药敏试验方法判断菌株的药物敏感性。

1.3.3 产香菌株发酵制备烟用香料

将不同的烟叶(云南C3F和津巴布韦L10/C)分别与蒸馏水按固液比1∶12(g/mL)混合,在60 ℃条件下浸提2 h,过200目筛后,121 ℃灭菌20 min,获得烟草浸提液C3F和L10/C。

产香菌株在YM液体培养基中活化之后,按1%(V/V)接种量分别加入烟草浸提液C3F和L10/C中,30 ℃、150 r/min条件下振荡培养3 d[18]。发酵结束后,于8 000×g条件下离心20 min,取上清液,于70 ℃减压浓缩至密度为(1.200±0.005)g/cm3,随后添加等体积95%乙醇溶液,-20 ℃沉降24 h后,再次离心取上清液,于55 ℃下减压浓缩至密度为(1.200±0.005)g/cm3,获得烟用香料C3FBv和L10/CBv[19]。同时,在相同条件下对未接种菌液的烟草浸提液进行平行处理,即不接种产香菌株但其余操作与实验组一致,经相同流程制备获得未经产香菌株发酵的烟用香料C3FΔBv和L10/CΔBv作为对照组。

1.3.4 挥发性香味成分分析

挥发性香味成分含量测定:采用HS-SPME-GC-MS法[20]。取5 mL发酵产物或香料移入30 mL萃取瓶中,同时添加100 μL环己酮作为内标(质量浓度0.946 mg/g),于磁力搅拌器上40 ℃加热平衡15 min后,插入己活化好的SPME萃取头,推出纤维头,顶空吸附40 min后,插入GC-MS进样口解吸5 min,进行GC-MS分析,实验重复3次。

GC条件:HP-5毛细管色谱柱(30 m×320 μm,0.25 μm),载气为高纯氦气,流速1.0 mL/min,不分流。升温程序为起始温度40 ℃,保持3 min,以3 ℃/min 升至160 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min升至220 ℃,保持3 min。进样口温度250 ℃。MS条件:离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃,电子电离源,电子能量70 eV,质量扫描范围为m/z 45~550。

定性定量方法:将挥发性香味成分检测结果与NIST 05/ Wiley 7.0数据库进行检索与分析,计算挥发性香气化合物保留指数(retention index,RI),并结合文献RI值进行验证,与标准品在相同色谱条件下的保留时间进行对比,定性挥发性香味物质。采用内标法进行定量分析。

1.4 数据处理

使用Excel 2021和GraphPad Prism 8.0进行数据处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 产萜类香味成分菌株的初筛

在菌株初筛阶段,向YM液体培养基中添加0.1%的混合底物(α-蒎烯、β-月桂烯、柠檬烯和瓦伦西亚橘烯),经YM液体培养基活化培养和梯度稀释涂布分离后,从生长状态良好且菌落明显的平板中挑取所有单菌落,共获得16株菌株。其中,10株菌能在含2.0%(V/V)混合底物的YM液体培养基中正常生长且长势良好。进一步将这10株菌接种在含1.0%(V/V)混合底物的M9培养基中培养,结果显示,仅1株菌(编号为JT-14)的OD600 nm值增加,随培养时间的延长呈先上升后下降的趋势,表明该菌株能够以混合底物作为唯一碳源进行生长,对萜类化合物具有较强的耐受性。同时,该结果也说明菌株JT-14可能具备降解α-蒎烯、β-月桂烯、柠檬烯或瓦伦西亚橘烯的潜在代谢能力[15]。因此,选定菌株JT-14为初筛目标菌株。

2.2 产萜类香味成分菌株的复筛

采用HS-SPME-GC-MS技术对菌株JT-14不同发酵时间(24、48、72 h)的发酵产物进行萜类香味成分分析,结果见表1。菌株JT-14对α-蒎烯、β-月桂烯和柠檬烯表现出一定的生物转化能力,可将其转化为萜类香味物质;而对瓦伦西亚橘烯的转化效果不明显。

表1 不同发酵时间下菌株JT-14对不同底物的转化产物含量
Table1 Transformation product contents of different substrates by strain JT-14 at different fermentation time

底物化合物CASRI文R献I质量浓度/(mg/L)24 h48 h72 h冰片507-70-01 1681 1685.64±0.135.23±0.507.40±1.83松香芹醇547-61-51 1431 1435.43±0.38n.d.n.d.(-)-反式-柠檬烯5 989-27-51 033n.d.n.d.0.90±1.441.77±1.474-萜烯醇562-74-31 1771 1771.31±0.449.26±1.026.03±2.85香茅醇106-22-91 2201 2211.15±0.71n.d.n.d.4-萜烯醇562-74-31 1771 17715.25±1.1312.25±0.8912.59±0.77瓦伦西α-松油醇98-55-51 1951 19525.43±3.9223.16±2.3620.13±2.184-萜烯醇562-74-31 1771 1773.42±0.343.49±1.235.21±1.43α-蒎烯葑醇1 632-73-11 1171 1172.60±0.122.91±1.453.10±1.30β-月桂烯α-松油醇98-55-51 1951 1950.40±0.181.31±0.491.38±0.08紫苏醇536-59-41 2821 286n.d.0.99±0.54n.d.α-松油醇98-55-51 1951 19529.58±1.3238.60±3.39n.d.柠檬烯香芹醇99-48-91 2321 2253.10±1.802.40±1.06n.d.月桂烯123-35-39919918.77±2.1010.17±2.499.36±1.21紫苏醇536-59-41 2821 2860.74±0.161.13±0.32n.d.亚橘烯圆柚酮4 674-50-41 6891 6890.31±0.02n.d.n.d.

注:n.d..数据库中无该化合物RI值或未检出该化合物。文献RI值来源于NIST Chemistry WebBook数据库(https://webbook.nist.gov)。

α-蒎烯的主要转化产物为α-松油醇(单萜;紫丁香香气),其含量在24 h时达到峰值,随后随着发酵时间的延长逐渐降低。此外,还检测到其他几种转化产物,包括4-萜烯醇(单萜;辛香、壤香、青香和木香)、冰片(单萜;清凉香气)、葑醇(单萜;樟脑与冰片气味)以及(–)-反式-松香芹醇(单萜;清新的植物香气)。β-月桂烯的转化产物为4-萜烯醇以及少量的柠檬烯(单萜;柑橘香)、α-松油醇和紫苏醇(单萜;类似柑橘、香草和水果的香气)。柠檬烯的主要转化产物为α-松油醇、4-萜烯醇和月桂烯(单萜;甜橘味和香脂气)。此外,还检测到少量的香芹醇(单萜;留兰香香气)、香茅醇(单萜;玫瑰香)和紫苏醇。这些产物仅在发酵前期可被检出,在发酵72 h时未检出。对于倍半萜类物质瓦伦西亚橘烯,仅检测到微量的圆柚酮(倍半萜;葡萄柚香气),表明菌株JT-14对瓦伦西亚橘烯转化能力欠佳。结果表明,菌株JT-14具有产萜类香味成分的功能。

2.3 产萜类香味成分菌株的鉴定

由图1a可知,菌株JT-14菌落呈圆形或椭圆形、乳白色、不透明,边缘不规则,有褶皱。由图1b、c可知,菌株JT-14菌体呈现明显的杆状结构,单个或成对排。

图1 菌株JT-14菌落(a)及其显微形态(b、c)
Fig.1 Colony(a) and microscopic morphologies(b,c) of strain JT-14

由图2可知,菌株JT-14经过16S rDNA引物扩增后,得到约1 400 bp的产物片段。将测序结果在NCBI网站上进行BLAST比对分析及系统进化树构建,结果见图3。菌株JT-14与贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)CR-502聚类在同一分支。因此,菌株JT-14被鉴定为贝莱斯芽孢杆菌。

图2 PCR产物琼脂糖凝胶电泳结果
Fig.2 Agarose gel electrophoresis results of polymerase chain reaction products

图3 菌株JT-14基于16S rDNA基因序列的系统发育树
Fig.3 Phylogenetic tree of strain JT-14based on16S rDNA gene sequences

2.4 贝莱斯芽孢杆菌JT-14生长特性

由图4可知,菌株JT-14在0~4 h处于生长迟缓期;在4~20 h迅速增长,处于对数生长期;在20 h后进入稳定期。这与多数贝莱斯芽孢杆菌的生长特性类似[17,21]

图4 贝莱斯芽孢杆菌JT-14生长曲线
Fig.4 Growth curve ofB. velezensis JT-14

2.5 贝莱斯芽孢杆菌JT-14安全性

溶血试验是一种用于检测菌株是否产生溶血素的实验。溶血素能够破坏红细胞的细胞膜,导致红细胞溶解,与菌株的致病性和毒力密切相关[22]。由图5可知,菌株JT-14在5%羊血琼脂培养基上未表现出溶血现象,表明该菌株为安全菌株。

图5 菌株JT-14溶血性试验结果
Fig.5 Hemolytic test results of strain JT-14

由表2可知,菌株JT-14对环丙沙星、链霉素、林可霉素、庆大霉素有耐药性,对红霉素、利福平、卡那霉素中度敏感,对万古霉素、青霉素、阿莫西林、诺氟沙星、头孢呲肟敏感,说明菌株JT-14对多数测试抗生素具有敏感性。

表2 菌株JT-14药敏性实验结果
Table2 Antimicrobial susceptibility test results of strain JT-14

RIS直径/mm结果红霉素<1313~23>2316I头孢呲肟<1818~25>2525S利福平<1616~20>2018I抗生素抑菌圈直径/mm菌株JT-14抑菌圈环丙沙星<2121~26>2618R万古霉素>1516S青霉素<1414~18>1820S链霉素<1212~14>1511R林可霉素0R阿莫西林<1313~18>1824S诺氟沙星<1212~17>1718S卡那霉素<1313~18>1814I庆大霉素<1212~15>158R

注:S.敏感;I.中度敏感;R.耐药。

2.6 贝莱斯芽孢杆菌JT-14发酵对烟用香料挥发性香味成分的影响

由表3可知,所有样品共鉴定出31种挥发性香味化合物,其中醛类6种、醇类3种、酯类6种、酮类3种、萜类7种、杂环类3种、其他类3种。烟用香料C3FΔBv共鉴定出24种挥发性香味化合物,其中醛类5种、醇类3种、酯类3种、酮类3种、萜类5种、杂环类3种、其他类2种;烟用香料L10/CΔBv共鉴定出21种挥发性香味化合物,其中醛类5种、醇类3种、酯类4种、酮类2种、萜类4种、杂环类1种、其他类2种;烟用香料C3FBv共鉴定出23种挥发性香味化合物,其中醛类5种、醇类2种、酯类3种、酮类3种、萜类7种、杂环类2种、其他类1种;烟用香料L10/CBv共鉴定出27种挥发性香味化合物,其中醛类5种、醇类3种、酯类6种、酮类2种、萜类6种、杂环类2种、其他类3种。

表3 贝莱斯芽孢杆菌JT-14发酵制备烟用香料挥发性香味成分含量
Table3 Contents of volatile aroma components in tobaccoflavor prepared by fermentation with B. velezensis JT-14

类别序号化合物CAS号质量浓度/(mg/L)C3FΔBvC3FBvL10/CΔBvL10/CBv 1糠醛98-01-10.64±0.460.65±0.060.76±0.03—2苯甲醛100-52-70.35±0.021.75±0.390.85±0.131.02±0.103苯乙醛122-78-11.70±0.312.76±0.491.20±0.161.73±0.09醛类4癸醛112-31-20.37±0.021.69±0.301.89±0.962.14±0.265壬醛124-19-60.39±0.091.20±0.032.56±0.12.94±0.3265-羟甲基糠醛67-47-0———0.42±0.14合计3.458.057.268.257糠醇98-00-00.44±0.05—0.47±0.060.54±0.018苯甲醇100-51-62.14±0.353.02±0.273.93±0.093.64±0.17醇类9苯乙醇60-12-81.88±0.364.56±0.514.57±0.204.86±0.96合计4.467.588.979.0410丁二酸二乙酯123-25-10.27±0.090.75±0.09—0.85±0.0911邻苯二甲酸二甲酯131-11-30.52±0.221.67±0.190.95±0.091.05±0.1612二氢猕猴桃内酯15356-74-82.72±0.795.00±0.252.49±0.704.67±0.91酯类13癸酸乙酯110-38-3——0.34±0.040.69±0.0514庚酸乙酯106-30-9——0.84±0.010.93±0.1115己二酸二异辛酯103-23-1———4.24±0.26合计3.517.424.6212.4316甲基环戊烯醇酮765-70-80.55±0.030.96±0.08——酮类17茄酮54868-48-30.55±0.082.38±0.750.56±1.192.44±0.3518大马酮23696-85-70.56±0.131.49±0.250.19±0.071.69±0.08合计1.664.830.754.1319α-松油醇98-55-50.80±0.702.34±0.37—2.03±0.09204-萜烯醇562-74-30.35±0.0012.79±0.140.73±0.062.04±0.2621香芹酮6485-40-1—0.27±0.002—0.43±0.0322β-蒎烯127-91-30.70±0.061.36±0.320.45±0.08—萜类23柠檬烯5989-27-51.43±0.430.89±0.091.57±0.051.29±0.1124瓦伦西亚橘烯4630-07-30.93±0.632.35±0.140.45±0.023.35±0.6525月桂烯123-35-3—0.89±0.06—0.68±0.03合计4.2110.893.209.82262-乙酰基吡咯1072-83-92.36±0.924.15±0.281.61±0.074.41±0.59杂环272-甲酰基吡咯1003-29-80.21±0.080.34±0.04——类283-乙酰基吡啶350-03-80.04±0.01——0.50±0.08合计2.614.491.614.9129肉豆蔻酸544-63-80.72±0.07—0.23±0.020.55±0.05其他30棕榈酸57-10-32.57±0.092.58±0.42—0.25±0.05类312,4-二叔丁基酚96-76-4——0.42±0.061.03±0.24合计3.292.580.651.83总计23.1945.8427.0650.41

注:—.未检出。

与烟用香料C3FΔBv相比,烟用香料C3FBv中香味成分总质量浓度从23.19 mg/L增加至45.84 mg/L,增幅达96.67%,其中醛类133.33%、醇类69.96%、酯类111.40%、酮类190.96%、萜类158.67%、杂环类72.03%。值得注意的是,果香(二氢猕猴桃内酯、茄酮、瓦伦西亚橘烯、月桂烯、丁二酸二乙酯)、花香(苯乙醇、α-松油醇、大马酮、苯乙醛、癸醛、苯甲醇、壬醛)以及坚果香(苯甲醛、2-乙酰基吡咯、2-甲酰基吡咯、甲基环戊烯醇酮)等特征成分含量均明显增加。

与烟用香料L10/CΔBv相比,烟用香料L10/CBv中香味成分种类从21种增加至27种,香味成分总质量浓度从27.06 mg/L增加至50.41 mg/L。其中果香(二氢猕猴桃内酯、瓦伦西亚橘烯、月桂烯、丁二酸二乙酯、癸酸乙酯、庚酸乙酯)、花香(苯乙醇、α-松油醇、大马酮、苯乙醛、癸醛、壬醛)、坚果香(苯甲醛、2-乙酰基吡咯、3-乙酰基吡啶)以及甜香(糠醇、5-羟甲基糠醛)等特征成分含量明显增加。

3 讨 论

本研究从橘子土壤中分离筛选得到一株具有较高安全性的产萜类贝莱斯芽孢杆菌JT-14,该菌株对α-蒎烯、β-月桂烯和柠檬烯表现出良好的生物转化能力,能够将α-蒎烯转化为α-松油醇、4-萜烯醇、冰片、葑醇以及(–)-反式-松香芹醇;将β-月桂烯转化为4-萜烯醇、柠檬烯、α-松油醇和紫苏醇;将柠檬烯转化为α-松油醇、4-萜烯醇、月桂烯、香芹醇、香茅醇和紫苏醇。其中,α-松油醇是一种具有紫丁香香气的环氧单萜类化合物,拥有多种生物学活性,是我国重要的出口香料品种[23]。4-萜烯醇作为多种植物精油的主要成分,在抗微生物、抗肿瘤、杀虫及抗炎等方面具有显著作用,已在肿瘤防治、口腔疾病治疗和心血管系统健康维护中展现出良好的应用潜力[24]。冰片属于双环单萜类仲醇,具有抗炎镇痛、抗菌、抗病毒、心脑保护、神经系统调节、以及提高药物生物利用等多种活性[25]。目前,关于α-蒎烯的微生物转化研究主要集中在马鞭草烯醇、马鞭草酮、α-松油醇和冰片等产物[26-28],针对β-月桂烯的转化,已报道的产物主要包括芳樟醇和香叶醇[29],其他转化产物和代谢路径的报道仍较为有限。相比之下,柠檬烯的微生物转化研究最为广泛,已有研究表明芽孢杆菌可以转化柠檬烯生成香芹醇、柠檬烯环氧化物、α-松油醇、紫苏醇[5,30-32],但鲜见关于4-萜烯醇、月桂烯与香茅醇的产物报道。

贝莱斯芽孢杆菌是一种革兰氏阳性细菌,属于芽孢杆菌属,具有好氧或兼性厌氧的生长特性,代谢途径多样,可分泌多种酶类(如纤维素酶、半乳糖苷酶、淀粉酶、纤溶酶等),并展现出广谱抗菌活性[33]。在烟草领域,该菌株在病害防治、促进烟草生长以及改善烟草品质等方面也展现出良好的应用前景。研究表明,贝莱斯芽孢杆菌能够降解烟草或其提取物中的大分子物质,改善烟叶香气质量,增加香味成分的种类和含量[34-35],发酵后,苯甲醇、苯乙醇、苯乙醛、大马酮、苯甲醛、二氢猕猴桃内酯、亚麻酸甲酯、2-乙酰基吡咯等香味成分含量增加[36]。菌株JT-14发酵所得的烟用香料C3FBv和L10/CBv中,醛类、醇类、酯类、酮类、萜类、杂环类以及香味成分总量均明显增加。在烟用香料C3FBv(10.89 mg/L)和L10/CBv(9.82 mg/L)中,萜类香味成分(包括α-松油醇、4-萜烯醇、瓦伦西亚橘烯、月桂烯、香芹酮)质量浓度明显高于烟用香料C3FΔBv(4.21 mg/L)和L10/CΔBv(3.20 mg/L),增幅达158.67%和206.88%,表明菌株JT-14能够有效提升香料中萜类香味。

4 结 论

本研究从橘子土壤中分离出一株产萜类菌株JT-14,其被鉴定为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)。菌株JT-14对抗生素敏感,无溶血活性,具有较高的安全性,对α-蒎烯、β-月桂烯和柠檬烯表现出良好的生物转化能力,能够将其转化为多种萜类香味成分,包括α-松油醇、4-萜烯醇、冰片、葑醇、(–)-反式-松香芹醇、香芹醇、香茅醇和紫苏醇,显示出显著的生物催化活性与代谢多样性。将菌株JT-14应用于烟用香料的制备,所得烟用香料C3FBv和L10/CBv富含萜类香味成分(如α-松油醇、4-萜烯醇、瓦伦西亚橘烯、月桂烯、香芹酮)及其他多种烟草特征性香气物质。后续研究将围绕菌株的关键转化机制及工艺放大路径系统展开,以推动其在食品、烟草以及其他相关领域中的应用。

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