張霞,雷學(xué)俊,劉芳,劉多濤,羅青春,施思,喬宗偉,鄭佳
(宜賓五糧液股份有限公司技術(shù)研究中心,四川 宜賓,644007)
濃香型白酒釀造過(guò)程中微生物的來(lái)源十分廣泛,如窖泥、曲藥和釀造區(qū)域空氣中的微生物[1],研究表明釀造周?chē)h(huán)境微生物對(duì)傳統(tǒng)白酒釀造真菌的貢獻(xiàn)率可達(dá)20%~39%[2-3]。酵母菌是濃香型白酒中產(chǎn)生乙醇和其他香氣成分的功能微生物,曲藥自身的酵母菌和窖房環(huán)境中彌漫的酵母菌是糟醅發(fā)酵過(guò)程中的主要菌源,然而環(huán)境空氣中酵母菌的類(lèi)別和量比關(guān)系與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件息息相關(guān),因此,有必要對(duì)釀酒周?chē)h(huán)境中的酵母菌進(jìn)行系統(tǒng)研究。
目前,白酒釀造領(lǐng)域?qū)湍妇难芯恐饕性趯?duì)曲藥、糟醅和窖泥中酵母菌群落結(jié)構(gòu)的分析以及可培養(yǎng)酵母分離篩選,以及發(fā)酵特性方面的研究[4-7],部分涉及已分離酵母菌的風(fēng)味[8-12]。楊建剛等[13]從瀘州老窖酒不同發(fā)酵階段酒醅中共分離到130株酵母菌,其中126株被鑒定為15個(gè)不同的種,并討論了酵母種對(duì)部分風(fēng)味特征形成的影響;明紅梅等[14]從不同發(fā)酵時(shí)期的濃香型大曲中分離到6株酵母,并檢測(cè)其中1株異常威克漢姆酵母發(fā)酵液中的揮發(fā)性成分,發(fā)現(xiàn)對(duì)濃香型大曲貢獻(xiàn)的關(guān)鍵香味成分為愈創(chuàng)木酚、苯乙醇、吡嗪類(lèi)等;杜剛等[15]從酒曲中分離純化出10株酵母菌用于果酒發(fā)酵;譚壹等[16]利用7種不同的培養(yǎng)基從五糧液發(fā)酵中期糟醅獲得57株酵母菌,經(jīng)鑒定分別屬于Saccharomycescerevisiae、Pichiakudriavzevii、Candidarugosa和Candidaglabrata這4個(gè)不同的種;竇曉等[17]在不同發(fā)酵時(shí)期的大曲中分離得到260株酵母菌,結(jié)果鑒定為22個(gè)種,主要為Pichiacaribbica,W.anomalus,S.fibuligera,C.orthopsilosis,Meyerozymaguilliermondii,S.cerevisiae,Cryptococcusneoformansvar.grubii,Clavisporalusitaniae等。但是涉及濃香型白酒釀造周?chē)h(huán)境空氣中酵母菌種類(lèi)及其風(fēng)味物質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。
本研究通過(guò)傳統(tǒng)培養(yǎng)方法對(duì)五糧液車(chē)間空氣中酵母菌進(jìn)行分離、純化,對(duì)篩選到的酵母進(jìn)行鑒定,研究其生物學(xué)特性和風(fēng)味物質(zhì)組成,為濃香型白酒酵母菌種資源的完善提供有力的菌種資源和數(shù)據(jù)支撐,為其在濃香型白酒生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1.1.1 菌株
所有酵母菌株均由宜賓五糧液股份有限公司技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室保藏,分離自五糧液釀造環(huán)境中。
1.1.2 培養(yǎng)基
分離篩選:YEPD瓊脂培養(yǎng)基中加入0.2%的脫氧膽酸鈉和0.2%的氯霉素。
發(fā)酵:麥芽汁培養(yǎng)基,青島海博生物技術(shù)有限公司。
YEPD瓊脂培養(yǎng)基、麥芽汁培養(yǎng)基,青島海博生物技術(shù)有限公司;脫氧膽酸鈉,北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;氯霉素,廣州賽國(guó)生物科技有限公司;Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒,生工生物工程(上海)股份有限公司;API 20 ACUX鑒定試劑盒,生物梅里埃公司;FKC-1型浮游菌采樣器,浙江蘇凈凈化設(shè)備有限公司;離心機(jī),Eppendorf公司;顯微鏡,日本Olympus公司;生化培養(yǎng)箱,上海一恒科技儀器有限公司;乙醇(HPLC,純度為99.8%),美國(guó)Honeywell公司;4-辛醇(GC純),美國(guó)Sigma-Aldrich公司。
毛細(xì)管色譜柱TG-WAX(30.0 m×0.25 mm,0.25 μm),美國(guó)Thermo公司;固相微萃取手柄和50 μm CAR/DVB/PDMS纖維萃取頭,美國(guó)Supelco公司;氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)和液相色譜儀,美國(guó)Agilent公司;PAL RTC2多功能樣品前處理平臺(tái)(帶有SPME模塊),瑞士CTC公司。
1.3.1 樣品的采集
在五糧液釀酒車(chē)間和制曲車(chē)間外圍環(huán)境采集空氣樣品,采用FKC-1型浮游菌采樣器,距離地面80 cm,將直徑為9 cm的麥芽汁瓊脂平板置于采樣器內(nèi),每次采樣設(shè)置3個(gè)平行,空氣流量為100 L/min,采樣時(shí)間為1 min。
1.3.2 菌株的分離
將采集樣品后的平板倒置于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2~3 d,待菌落長(zhǎng)出后,挑選菌落形態(tài)不同的疑似酵母單菌落于YEPD瓊脂培養(yǎng)基中,編號(hào)并劃線純化,重復(fù)純化2~3次,直至平板上的菌落都為同一形態(tài),利用傳代培養(yǎng)法,在4 ℃下進(jìn)行斜面保存并編號(hào)。
1.3.3 菌株的鑒定
1.3.3.1 菌株形態(tài)學(xué)鑒定
參照《酵母菌的特征與鑒定手冊(cè)》進(jìn)行[18]。
菌落形態(tài)觀察:將純化后的菌株接種于YEPD平板,置于28 ℃培養(yǎng)2~3 d,觀察單菌落,并記錄菌落的大小、形狀、顏色、透明度、質(zhì)地、邊緣、濕潤(rùn)程度等菌落特征。
顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài):挑取單菌落于5 mL麥芽汁液體培養(yǎng)基中,于28 ℃、120 r/min振蕩培養(yǎng)24 h,顯微鏡下觀察細(xì)胞的微觀特征。
1.3.3.2 菌株生理生化鑒定
按照梅里埃酵母菌生理生化鑒定試劑盒說(shuō)明(API 20A CUX)測(cè)定菌株的生理生化特征。假菌絲觀察:將酵母接種于玉米粉瓊脂培養(yǎng)基上,28 ℃培養(yǎng)3 d,觀察酵母是否含有假菌絲。
1.3.3.3 菌株分子鑒定
基因組DNA提?。簩⒒罨木杲尤?0 mL麥芽汁培養(yǎng)基中,160 r/min、28 ℃搖瓶培養(yǎng)24 h后,室溫下12 000 r/min離心5 min獲得菌體,用Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒提取菌株的基因組DNA。
PCR擴(kuò)增:采用酵母菌通用引物為NL1(5′-GCATATCAA TAAGCGGAGGAAAAG-3′)和NL4(5′-GGTCCGTGTTTCAAGACGG-3′),PCR反應(yīng)體系包括(μL):基因組DNA 0.5、10×Buffer(含Mg2+)2.5、dNTP 1、聚合酶0.2、引物0.5、模板0.5,加雙蒸水至25;PCR循環(huán)條件為94 ℃ 4 min預(yù)變性、94 ℃ 45 s變性、55 ℃ 45 s退火、72 ℃ 1 min延伸、循環(huán)30次,72 ℃ 10 min修復(fù)延伸,4 ℃終止反應(yīng)。經(jīng)PCR反應(yīng)擴(kuò)增出26S rDNA產(chǎn)物,用PCR及酶反應(yīng)產(chǎn)物純化試劑盒將PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化,將純化產(chǎn)物送至上海生工生物工程股份有限公司完成測(cè)序。
1.3.4 酵母菌的系統(tǒng)發(fā)育分析
參考文獻(xiàn)[19]所述方法將菌株26S rDNA D1/D2序列提交NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行同源性比對(duì),選取相似度較高的模式菌株的26S rDNA D1/D2區(qū)域序列作為參比對(duì)象;利用MEGA 5.0軟件進(jìn)行多序列比對(duì)、Kimura-2模型計(jì)算進(jìn)化距離、最后采用鄰接法(neighbor-joining)繪制系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),其中進(jìn)化樹(shù)拓?fù)浞治鰹? 000次。
1.3.5 揮發(fā)性風(fēng)味成分的測(cè)定
使用HS-SPME-GC-MS檢測(cè)菌株發(fā)酵體系中揮發(fā)性風(fēng)味成分[19]。吸取2 mL發(fā)酵液于20 mL頂空樣品瓶中,加入內(nèi)標(biāo)(4-辛醇,終質(zhì)量濃度0.5 mg/L),60 ℃平衡15 min,插入萃取頭吸附45 min后,插入GC進(jìn)樣口熱解析3 min。
色譜和質(zhì)譜條件:進(jìn)樣口溫度為230 ℃,載氣(He)流速為1 mL/min,采用不分流模式進(jìn)樣;氣相色譜升溫程序:起始溫度40 ℃,保持5 min,以4 ℃/min升至230 ℃,保持15 min。質(zhì)譜EI源,電子轟擊能量70 eV;離子源溫度200 ℃,四級(jí)桿溫度150 ℃,質(zhì)數(shù)掃描范圍35~350 amu。
使用R語(yǔ)言軟件[20]進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)熱圖的繪制。
從五糧液釀酒車(chē)間和制曲車(chē)間外圍環(huán)境采集空氣樣品,從中共分離到酵母菌株73株,分屬于11個(gè)屬,14個(gè)種(表1)。
表1 酵母菌的分離結(jié)果Table 1 Yeasts isolated from workshop
2.2.1 形態(tài)特征
14株不同種酵母菌菌落和顯微鏡形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示:此14株菌菌落均為不透明,其中Y1、Y2、Y5、Y7、Y8和Y9的菌落形態(tài)相似,均為表面光滑濕潤(rùn),邊緣整齊無(wú)擴(kuò)散,易挑取,區(qū)別在于菌落顏色有一定差異;Y4和Y6的菌落形態(tài)相似,都是表面干燥不光滑,邊緣不整齊無(wú)擴(kuò)散,易挑??;而Y3則為乳白色,表面干燥不光滑,菌落分2圈,里圈光滑,外圈有顆粒狀,邊緣整齊擴(kuò)散,易挑取。
圖1 代表性酵母菌的菌落和微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The colony morphologies and micromorphologies of representative yeasts 注:A~N分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、 Y11、Y12、Y13、Y14的菌落形態(tài);a~n為Y1、Y2、Y3、Y4、 Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11、Y12、Y13、Y14的顯微形態(tài)
微觀形態(tài)方面,此14株菌細(xì)胞大都為橢圓形(Y7為圓形),多核(Y9單核),單生,芽殖,但細(xì)胞大小不一。其中Y4藕節(jié)狀,裂殖或芽殖,Y6為藕節(jié)狀,無(wú)核。
2.2.2 生理生化特征
利用API 20A CUX生理生化鑒定試劑盒測(cè)定菌株的生理生化特征(表2),不同種的酵母菌株在碳氮源的利用上不完全相同。Y1、Y2、Y3、Y4、Y7、Y8、Y10、Y13等8株菌在碳氮源利用方面符合酵母菌的特征與鑒定手冊(cè)[18]。
表2 代表性酵母菌的生理生化特征Table 2 Physiological and biochemical tests of representative yeasts
所有的酵母菌均能利用葡萄糖(表2),淀粉是濃香型白酒糟醅中主要的碳源物質(zhì),由此可見(jiàn)本研究中從車(chē)間空氣中篩選的酵母菌株均具備代謝葡萄糖的能力。另外,Y6的碳源利用結(jié)果和酵母菌的特征與鑒定手冊(cè)中相差較大,Y6可額外利用半乳糖、蔗糖、麥芽糖和α-甲基-D-葡萄糖苷,Y11可額外利用麥芽糖、松三糖、木糖和α-甲基-D-葡萄糖苷,具體原因仍需進(jìn)一步探討。假菌絲方面,Y4、Y6、Y9和Y14有假菌絲出現(xiàn),其他10株菌都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)假菌絲。
核糖體DNA中的26S rDNA D1/D2區(qū)具有較高的突變率,可作為親緣關(guān)系較近的菌株之間的分類(lèi)研究[21]。此14株不同種的酵母菌株的26S rDNA D1/D2序列和用BLAST檢索到的與之有高度同源性菌株的26S rDNA D1/D2序列通過(guò)MEGA5.0軟件進(jìn)行比對(duì)和構(gòu)建N-J系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖2),可通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的建立對(duì)此14株不同種的酵母菌種間親緣關(guān)系進(jìn)行了直觀界定。
圖2 代表性菌株系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.2 Phylogenetic tree of representative strains 注:采用鄰接法對(duì)豐度大于1%的菌株序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù);分支點(diǎn) 的數(shù)字為分子的Bootstrap值,標(biāo)尺表示核酸距離,分支長(zhǎng)度為相似度
由圖2可知,Y1和Wickerhamiellapararugosa聚為一支、Y2和Pichiakudriavzevii聚為一支、Y3和Pichiaexigua聚為一支、Y4和Candidaethanolica聚為一支、Y5和Kazachstaniabulderi聚為一支、Y6和Saccharomycesunisporus聚為一支、Y7和Saccharomycescerevisiae聚為一支、Y8和Naumovozymacastellii聚為一支、Y9和Meyerozymacaribbica聚為一支、Y10和Debaryomyceshansenii聚為一支、Y11和Zygosaccharomycesbailii聚為一支、Y12和Clavisporalusitaniae聚為一支、Y13和Debaryomycessubglobosus聚為一支、Y14和Saccharomycopsisfibuligera聚為一支。由系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)可以直觀地看出該14株酵母菌都已經(jīng)鑒定到種。
酵母在發(fā)酵過(guò)程中能產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物或代謝產(chǎn)物,如高級(jí)醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)、萜烯類(lèi)、酚類(lèi)、吡嗪類(lèi)等,這些物質(zhì)對(duì)白酒的風(fēng)味具有重要的貢獻(xiàn)。因此,使用HS-SPME/GC-MS測(cè)定此14株不同種酵母菌發(fā)酵液中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。
2.4.1 風(fēng)味物質(zhì)總含量
五糧液釀造環(huán)境中產(chǎn)酒酵母相對(duì)豐富一些,醇類(lèi)物質(zhì)主要在酵母繁殖過(guò)程中形成,產(chǎn)酒酵母合成高級(jí)醇的能力比較強(qiáng),而酸和醇發(fā)生酯化反應(yīng)又會(huì)產(chǎn)生酯類(lèi)物質(zhì),酯類(lèi)是芳香化合物,在濃香型白酒中起著重要作用,是形成酒體香氣濃郁的主要因素。如圖3所示,酵母菌發(fā)酵液風(fēng)味物質(zhì)中,總酯和總醇含量相對(duì)較高。其中,Y1、Y2、Y5酯類(lèi)總含量比較高,含量都在60 mg/L以上,Y1最高達(dá)到95 mg/L;Y1、Y5、Y7、Y8、Y10醇類(lèi)總含量比較高,都在60 mg/L以上,Y7(S.cerevisiae)則高達(dá)115 mg/L。
圖3 酵母菌風(fēng)味物質(zhì)總含量Fig.3 Total content of flavor compounds in yeasts
酸類(lèi)影響白酒的口感和后味,是影響白酒口味的主要因素,酵母菌發(fā)酵液中酸類(lèi)成分總含量相對(duì)較低,可能是因?yàn)榻湍副旧懋a(chǎn)酸能力較弱,加上酸和醇又發(fā)生酯化反應(yīng)生成了酯類(lèi)物質(zhì),使得發(fā)酵液中總酸含量偏低,總含量最高的是Y11(15.12 mg/L),其次是Y1(8.9 mg/L);發(fā)酵液中醛酮類(lèi)含量極低,Y5醛類(lèi)總含量最高,僅7 mg/L。
2.4.2 風(fēng)味物質(zhì)
白酒中酯的形成主要是由微生物細(xì)胞中所含酯酶的催化作用而產(chǎn)生的,酵母對(duì)乙酯的合成能力最強(qiáng)[10]。如圖4-a所示,發(fā)酵液中酯類(lèi)物質(zhì)主要是乙酯,己酸乙酯是濃香型白酒的主體香成分,王濤等[22]發(fā)現(xiàn)濃香型白酒釀造環(huán)境中存在大量能夠促進(jìn)糟醅產(chǎn)已酸乙酯的酵母,本文中W.pararugosa(Y1)、K.bulderi(Y5)和Z.bailii(Y11)都可產(chǎn)生己酸乙酯,對(duì)于此3株菌能否促進(jìn)糟醅產(chǎn)生更多的己酸乙酯還需進(jìn)一步研究;發(fā)酵液中檢測(cè)出的乙酸乙酯含量也比較高,Y1、Y2、Y5中乙酸乙酯含量相對(duì)較高,Y1最高達(dá)到了70 mg/L。醇類(lèi)除乙醇外,含量比較高的有苯乙醇、異戊醇和異丁醇,對(duì)形成酒的風(fēng)味和促使酒體豐滿(mǎn)、濃厚起著重要的作用,Y7和Y10主要產(chǎn)苯乙醇,還有一定量的異戊醇。Y2、Y5、Y11棕櫚酸乙酯含量較高,高沸點(diǎn)酯在白酒中有一定的含量范圍時(shí)能夠穩(wěn)定酒體的香氣。酸類(lèi)主要是己酸、乙酸和乳酸等有機(jī)酸類(lèi),影響白酒的口感和后味,其中Y1發(fā)酵液己酸含量較高,Y11發(fā)酵液乙酸含量較高,乳酸不具揮發(fā)性,故未檢出;醛類(lèi)物質(zhì)中含量相對(duì)較高的是苯甲醛和苯乙醛,但相比其他主體風(fēng)味物質(zhì)這2種醛類(lèi)在發(fā)酵液中含量均比較低。
圖4 酵母菌風(fēng)味物質(zhì)含量Fig.4 Content of flavor compounds in yeasts
此14株酵母菌能產(chǎn)生多種風(fēng)味物質(zhì),除正常主體風(fēng)味外,還會(huì)產(chǎn)生其他多種微量成分,多以水果香味為主。如圖4-b所示,發(fā)酵液中微量風(fēng)味物質(zhì)主要有庚酸乙酯、辛酸乙酯、丁酸丁酯、十二酸乙酯、戊酸乙酯、壬酸乙酯、十四酸乙酯、苯酚、乙偶姻和吡嗪類(lèi)等。Y1、Y5、Y7、Y8、Y10、Y11、Y14發(fā)酵液微量風(fēng)味物質(zhì)非常豐富;SUSANNE[23]分離的1株C.pararugosa在15 ℃下溫育的葡萄酒中存在較低濃度的揮發(fā)性酚,其他有關(guān)W.pararugosa產(chǎn)酚類(lèi)物質(zhì)的報(bào)道幾乎沒(méi)有,對(duì)S.cerevisiae的報(bào)道以產(chǎn)醇酯類(lèi)物質(zhì)居多[24],而本文中W.pararugosa(Y1)和S.cerevisiae(Y7)發(fā)酵液中除了有酯類(lèi)和醇類(lèi)物質(zhì)外,苯酚含量較高,分別為2 260和2 427 μg/L,酚類(lèi)化合物是白酒中重要的呈香呈味物質(zhì)和有益成分[25],因此有必要對(duì)這2株菌所產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行深入研究。乙偶姻是傳統(tǒng)發(fā)酵食品中重要香氣成分四甲基吡嗪生物合成的前體物質(zhì),是多種微生物糖代謝的中間產(chǎn)物[26-27],具有特殊奶油香氣,是白酒微量風(fēng)味的重要組成成分。K.bulderi(Y5)發(fā)酵液中風(fēng)味物質(zhì)較豐富,除主體風(fēng)味醇酯外,還檢測(cè)出了乙偶姻,達(dá)到1 568 μg/L。Y3和Y12發(fā)酵液中風(fēng)味成分基本一致,都檢測(cè)出較高的異戊酸,異戊酸是生成異戊酯類(lèi)的前體物質(zhì),參與白酒的風(fēng)味組成;吡嗪具有明顯的焦香或烤堅(jiān)果香味,是白酒中含氮微量成分,同時(shí)也是白酒香氣成分的重要組成物質(zhì)[28]。本研究中檢測(cè)到的吡嗪類(lèi)物質(zhì)有6種,分別是:2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、甲基吡嗪、三甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪和2-乙基-3,5-二甲基吡嗪,除菌株Y4,其他13株酵母菌發(fā)酵液中都檢測(cè)出此6種吡嗪類(lèi)物質(zhì),且Y1這6種物質(zhì)含量較高。
綜上可見(jiàn),酵母菌產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)差異較大,可能是由于這些酵母菌之間生理生化差異明顯,因而導(dǎo)致最終產(chǎn)物不同,其中Y1、Y5、Y7和Y11這4株菌產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)較豐富且含量較高,表明這4株酵母菌在濃香型白酒中具有更好的應(yīng)用潛力,可以作為后續(xù)重點(diǎn)研究菌株。
本研究利用傳統(tǒng)培養(yǎng)法從五糧液釀造車(chē)間空氣中分離篩選出73株酵母菌,它們分屬于11個(gè)屬14個(gè)種,其中,畢赤酵母屬Pichia最多,其次是德巴利酵母屬Debaryomyces,釀酒酵母屬Saccharomyces和復(fù)膜孢酵母屬Saccharomycopsis,表明白酒釀造糟醅和車(chē)間空氣中的酵母菌種屬的關(guān)聯(lián)度較大。進(jìn)一步利用HS-SPME/GC-MS分析了酵母菌在麥芽汁培養(yǎng)基中的風(fēng)味成分,結(jié)果表明酵母菌除了主要的乙酸乙酯、異戊醇、苯乙醇等常見(jiàn)風(fēng)味物質(zhì)外,還會(huì)產(chǎn)生其他多種風(fēng)味成分,如W.pararugosa、P.kudriavzevii和K.bulderi可產(chǎn)生乙酸乙酯,W.pararugosa、K.bulderi和Z.bailii可產(chǎn)生己酸乙酯,W.pararugosa和S.cerevisiae能產(chǎn)生苯酚,P.exigua和C.lusitaniae能產(chǎn)生異戊酸等。本研究中的酵母菌雖然代謝的風(fēng)味物質(zhì)含量較低,但種類(lèi)豐富,在發(fā)酵過(guò)程中對(duì)白酒風(fēng)味的貢獻(xiàn)度以及代謝調(diào)控高產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)性能優(yōu)化等還需進(jìn)一步深入研究。