許育民,馮大鴻,李秋雨,余苗,王洪,沈祥坤,田瑞杰,胡曉龍, 5
1.河南省食品工業(yè)科學(xué)研究所有限公司, 河南 鄭州 450053;
2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001;
3.安徽古井貢酒股份有限公司, 安徽 亳州 236814;
4.中國輕工業(yè)濃香型白酒固態(tài)發(fā)酵重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 宜賓 644000;
5.河南仰韶酒業(yè)有限公司 博士后科研工作站, 河南 澠池 472400
中國白酒根據(jù)生產(chǎn)工藝的差異可分為4種基本香型:濃香型(以瀘州老窖為代表)、醬香型(以茅臺為代表)、米香型(以桂林三花為代表)和清香型(以汾酒為代表).其中,濃香型白酒,又稱瀘型白酒,產(chǎn)銷量在中國白酒市場中占據(jù)極大的份額(約70%),其濃郁的風(fēng)味深受國民喜愛[1-2],其內(nèi)在風(fēng)味因子己酸乙酯被確認(rèn)為是濃香型白酒的主體香氣成分[3-4]. 白酒中酯類化合物多呈現(xiàn)果香、奶油香等風(fēng)味,這從化學(xué)本質(zhì)角度揭示了濃香型白酒深受喜愛的原因,也為濃香型白酒品質(zhì)劃分提供了依據(jù)[5].
濃香型白酒中風(fēng)味物質(zhì)與窖泥菌群的代謝產(chǎn)物有關(guān),已知的Clostridiumcarboxidivorans、拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)、丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)、科氏梭菌(Clostridiumkluyveri)等[6-9],其代謝產(chǎn)物己酸、丁酸、乙酸、正丁醇等是濃香型白酒重要的香氣物質(zhì)本體或前體. 梭菌多為專性厭氧微生物,在封窖發(fā)酵狀態(tài)下,能合成多種短鏈脂肪酸、醇類等風(fēng)味物質(zhì),其中,丁酸梭菌是窖泥中最常見且易被分離得到的梭菌,主要產(chǎn)丁酸和乙酸[10];科氏梭菌是利用特定培養(yǎng)基從窖泥中分離得到的,主要產(chǎn)己酸,其次產(chǎn)丁酸、乙酸等[9]. 除脂肪酸類化合物外,窖泥菌群所產(chǎn)醇類可直接作為濃香型白酒的香氣物質(zhì),例如,正己醇可作為濃香型白酒的重要香氣化合物貢獻(xiàn)花香[11],異戊醇則具有蘋果香氣[12]. 此外,在濃香型白酒釀造過程中,Clostridiumghoni、Clostridiumsordellii等菌株能產(chǎn)生異味物質(zhì)[13],可能會(huì)直接影響濃香型白酒的品質(zhì). 已有研究[6,14]中,部分窖泥源可培養(yǎng)厭氧梭菌菌株如Clostridiumcelerecrescens、Clostridiumcarboxidivorans等均被證實(shí)具有產(chǎn)己酸、乙酸的能力,而有機(jī)酸類經(jīng)一系列催化、酯化反應(yīng)后,也可形成己酸乙酯、乙酸乙酯等具有芳香氣味的產(chǎn)物. 基于此,本研究擬采用可培養(yǎng)方法,從河南省5家濃香型白酒酒企窖泥中分離厭氧菌株并測定其揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,以期豐富人們對窖泥源可培養(yǎng)厭氧微生物種屬多樣性及其揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的認(rèn)識,為進(jìn)一步揭示窖泥源可培養(yǎng)厭氧微生物對白酒風(fēng)味的具體貢獻(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和參考.
牛肉粉,北京雙玄微生物培養(yǎng)基制品廠產(chǎn);胰蛋白胨、酵母粉、醋酸銨、葡萄糖、NaCl、NaOH,北京奧博星生物科技有限責(zé)任公司產(chǎn);醋酸鈉,天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn);DL-乳酸鈉,上?;菖d生化試劑有限公司產(chǎn);KH2PO3,廣東汕頭市西隴化工廠;乙醇,天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠產(chǎn);乙醇,色譜純,天津市富宇化工精細(xì)有限公司產(chǎn);可溶性淀粉,天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司產(chǎn);瓊脂粉、聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、乙二胺四乙酸(EDTA),北京索萊寶科技有限公司產(chǎn);苯酚、美藍(lán)、氯仿,天津市化學(xué)試劑三廠產(chǎn);半胱氨酸鹽酸鹽、taq酶PCR擴(kuò)增試劑盒、引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)、引物1492R(5′-AAGGAGGTGATCCACCC-3′)、1×TAE緩沖液、Maker2000、6×loading buffer、瓊脂糖、Ezup柱式細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒,生工生物工程(上海)股份有限公司產(chǎn);除氧袋,日本三菱集團(tuán)產(chǎn);CH2Cl2,色譜純,天津四友有限公司產(chǎn);叔戊醇、2-乙基丁酸、乙酸正戊酯,色譜純,中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院產(chǎn). 以上化學(xué)試劑除特別說明外,均為分析純.
MP200A型精密電子天平,上海良豐儀器儀表有限公司產(chǎn);SW-CJ-ID型超凈工作臺,蘇州凈化設(shè)備有限公司產(chǎn);LX-C50型立式自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌鍋,合肥華泰醫(yī)療設(shè)備有限公司產(chǎn);立式雙層智能精密型搖床,上海?,攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn);DF-1型集熱式恒溫磁力攪拌鍋,金壇市中大儀器廠產(chǎn);2.5 L厭氧罐,日本三菱集團(tuán)產(chǎn);DH-400型恒溫培養(yǎng)箱,上海鴻都電子科技有限公司產(chǎn);TGL-20M型高速冷凍離心機(jī),上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司產(chǎn);數(shù)字可調(diào)式移液槍,上海大龍公司產(chǎn);Mixer 4K微型渦旋混合儀、離心管,上海生工生物工程有限公司產(chǎn);DYY-16D型穩(wěn)壓電泳儀,北京六一儀器設(shè)備有限公司產(chǎn);TC1000-G型PCR儀,西安天隆科技有限公司產(chǎn);WD9403-C型紫外凝膠成像儀,美國Bio-Rad公司產(chǎn);50 μL微量進(jìn)樣器,上海安亭微量進(jìn)樣器廠產(chǎn);5977B-7890B型氣質(zhì)聯(lián)用儀、2 mL進(jìn)樣瓶,美國安捷倫公司產(chǎn).
1.3.1 窖泥樣品采集為了篩選更具多樣性的厭氧微生物,本研究窖泥樣品采集自河南省5家具有代表性的濃香型白酒酒企正常使用的老窖窖池(窖齡≥12 a),包括豫東HG酒企、豫西YS酒企、豫北BQC酒企、豫南WGC酒企和豫中JH酒企. 每個(gè)酒企均采集窖底泥200 g,置于帶有標(biāo)記的無菌袋中,放入盛有冰袋的泡沫箱中運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,保存?zhèn)溆?
1.3.2 厭氧菌株培養(yǎng)基制備所選培養(yǎng)基為改良梭菌增殖培養(yǎng)基(Modified Reinforced Clostridium Medium,MRCM):酵母粉3 g,牛肉粉10 g,胰蛋白胨10 g,葡萄糖5 g,可溶性淀粉1 g,NaCl 0.5 g,醋酸鈉3 g,DL-乳酸鈉2 g,半胱氨酸鹽酸鹽0.5 g,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的美藍(lán)0.2 mL,瓊脂15 g(固體培養(yǎng)基時(shí)添加),蒸餾水1000 mL,pH值(7.1±0.1),1×105Pa滅菌20 min. 接種前加入過濾除菌的乙醇20 mL(改良方法).
1.3.3 窖泥源可培養(yǎng)厭氧菌株分離與純化除培養(yǎng)基調(diào)整為MRCM外,其他操作參照文獻(xiàn)[15]的方法對窖泥樣品中的厭氧菌株進(jìn)行分離與純化.
1.3.4 窖泥源可培養(yǎng)厭氧菌株DNA提取、PCR擴(kuò)增及測序1)DNA提?。簠⒖己闻嘈碌萚15]的方法,吸取菌株發(fā)酵液1 mL置于無菌離心管中,于10 000 r/min條件下離心1 min,棄上清液,用超純水洗滌細(xì)胞沉淀一次,于10 000 r/min條件下離心1 min,得到最終細(xì)胞沉淀,并按照Ezup柱式細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒說明書進(jìn)行菌株DNA提取.
2)PCR擴(kuò)增:采用細(xì)菌16S rRNA通用引物27F和1492R擴(kuò)增16S rRNA序列,PCR擴(kuò)增體系及擴(kuò)增條件參照何培新等[15]的方法.
3)測序:采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測擴(kuò)增條帶,將擴(kuò)增合格的目的條帶直接送生工生物工程(上海)股份有限公司測序,并將可信序列提交美國國家生物技術(shù)信息中心(NCBI)比對,獲得初步鑒定結(jié)果.
1.3.5 菌株發(fā)酵液GC-MS分析吸取菌株發(fā)酵液3 mL,加入1.5 g NaCl充分飽和;吸取飽和菌株發(fā)酵液2 mL至15 mL離心管中,加入20 μL內(nèi)標(biāo)溶液和等體積CH2Cl2后進(jìn)行萃取,在渦旋混合儀中于2000 r/min條件下充分振蕩20 s,靜置分層3 min;采用1 mL醫(yī)用注射器吸取下層萃取液1 mL,過有機(jī)相濾膜(0.22 μm),將濾液置于2 mL上樣瓶中,于4 ℃冰箱中保存待測.
GC條件:色譜柱為安捷倫DB-FFAP柱(60 m×250 μm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度為250 ℃;載氣為He;流速為1.0 mL/min;色譜柱升溫程序?yàn)?5 ℃保持3 min,以5 ℃/min的速率升溫至220 ℃并保持5 min,運(yùn)行溫度250 ℃保持2 min.
MS條件:EI源電子能為70 eV;電子倍增器電壓為1617 V;質(zhì)量掃描范圍為50~550 amu;離子源溫度為230 ℃;四極桿溫度為150 ℃.
內(nèi)標(biāo)溶液的配制(體積分?jǐn)?shù)為1%):分別移取叔戊醇、2-乙基丁酸和乙酸正戊酯各1 mL于100 mL容量瓶中,用乙醇定容至刻度線處.
采用GC-MS數(shù)據(jù)分析軟件,分析所測定的發(fā)酵液揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù),MS信號積分參數(shù)的初始閾值設(shè)置為17.5,記錄積分峰的Name、Math、R-Math、Prob值和CAS號,保留所有樣品中R-Match大于700的出峰物質(zhì). 所有物質(zhì)含量均以其峰面積與2-乙基丁酸峰面積的比值表示.
根據(jù)厭氧菌株菌落的形態(tài)差異,從各分離平板生長的菌落中共挑取138株菌,并將其16S rRNA基因序列提交NCBI進(jìn)行在線比對分析. 上述138株菌的最高相似菌隸屬于30個(gè)種,其中每種最高相似菌及其對應(yīng)代表性菌株的編號見表1. 由表1可知,最高相似菌分屬于梭菌綱和芽孢桿菌綱中的8個(gè)屬,包括梭菌屬(Clostridium)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、Paraclostridium、Terrisporobacter、Muricomes、產(chǎn)己酸菌屬(Caproiciproducens)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)和葡萄球菌屬(Staphylococcus). 從窖泥分離得到的30種細(xì)菌中,僅有15種細(xì)菌屬于梭菌綱,這遠(yuǎn)低于已報(bào)道的高通量測序得到的窖泥中梭菌綱菌屬的數(shù)量[16]. 目前,從環(huán)境中通過純培養(yǎng)獲得的微生物少于1%[17],同時(shí)窖泥理化成分復(fù)雜且梭菌綱細(xì)菌多為專性厭氧菌,這可能是導(dǎo)致窖泥中可培養(yǎng)梭菌綱細(xì)菌種類較少的原因.
表1 代表性菌株的16S rRNA基因序列分析結(jié)果Table 1 The 16S rRNA gene sequence analysis results of representative strains
濃香型白酒釀造采用窖泥固態(tài)發(fā)酵,窖泥中棲息著眾多微生物,包括細(xì)菌、古生菌、放線菌、霉菌、酵母菌等,其中細(xì)菌和古生菌為主要微生物[18]. 參與白酒香味成分形成的原核微生物主要是芽孢桿菌綱、梭菌綱等細(xì)菌[19],其中梭菌綱細(xì)菌為是白酒釀造過程中的一類重要核心功能菌[20]. 目前,酪丁酸梭菌、枯草芽孢桿菌、丁酸梭菌等均為已報(bào)道的從窖泥中分離得到的梭菌屬,這表明河南地區(qū)窖泥菌屬同四川、貴州等地區(qū)窖泥菌屬存在一定的共性. 芽孢桿菌屬多為兼性厭氧菌屬,如諾瓦氏芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等. 相較于之前的諸多研究[15,21-22],本研究首次從窖泥分離得到苯溶副梭菌(Paraclostridiumbenzoelyticum)、彼得羅里氏桿菌(Terrisporobacterpetrolearius)、穆里奇球菌(Muricomesintestini)、半乳糖己酸菌(Caproiciproducensgalactitolivorans)和譎詐梭菌(Terrisporobacterglycolicus),這也進(jìn)一步豐富了人們對窖泥源可培養(yǎng)梭菌綱細(xì)菌物種多樣性的認(rèn)識.
采用GC-MS方法,對窖泥中篩選到的30種最高相似菌代表性菌株的發(fā)酵液進(jìn)行揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的萃取和檢測,結(jié)果見表2. 由表2可知,菌株發(fā)酵液共檢測到55種揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,其中酸類14種、醇類18種、酯類11種、其他化合物12種.
表2 菌株發(fā)酵液的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物Table 2 All volatile metabolites in the fermentation broth of the strain
梭菌綱細(xì)菌發(fā)酵液中揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的GC-MS分析結(jié)果如圖1所示. 由圖1可知,15種梭菌綱細(xì)菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物包括13種酸類、8種酯類、18種醇類和11種其他類,其中多種梭菌具有較好的產(chǎn)酸(如4-甲基戊酸、2-甲基丁酸、3-苯丙酸等)能力. P24(產(chǎn)孢梭菌)、P135(譎詐梭菌)、P138(七葉梭菌)、P1(酪丁酸梭菌)、P130(苯溶副梭菌)和P27(丁酸梭菌)的產(chǎn)酸能力均強(qiáng)于其他菌株,其發(fā)酵液中的丁酸、4-甲基戊酸和3-苯丙酸相對含量均比其他菌株高. P1產(chǎn)己酸和2-甲基己酸能力較高,這也與蒲秀鑫等[21]研究結(jié)果一致. 己酸作為白酒中最重要的酸類物質(zhì)之一[23],在窖泥中各種微生物的催化、酯化作用下,可產(chǎn)生濃香型白酒的主體香己酸乙酯[24]. 此外,多株梭菌能產(chǎn)多種醇類化合物(如1-丁醇、3-苯丙醇等),且P135、P24和P101(彼得羅里氏桿菌)產(chǎn)總醇含量相對較高,其中1-丁醇具有特殊的香味,其與乙酸經(jīng)酯化反應(yīng)生成的乙酸丁酯具有濃郁的果香. 勾文君等[25]從窖泥中分離得到的一株拜氏梭菌具有相對高產(chǎn)1-丁醇的性能,而本研究中的P25(拜氏梭菌)并未高產(chǎn)1-丁醇,這可能是由菌株之間的性能差異造成的. 同屬Terrisporobacter菌屬的P101和P135均具有較高的產(chǎn)1-丁醇能力. 除1-丁醇外,P24、P27、P101、P130、P135產(chǎn)3-苯丙醇能力相對較高,而3-苯丙醇是一種天然的香精香料,廣泛存在于草莓、肉桂油中,其濃度較高時(shí)具有清甜花香,稀釋后則具有一股令人愉快的瓜果香味[26]. 相比于酸類和醇類化合物,上述15種梭菌綱細(xì)菌所產(chǎn)酯類和其他類化合物含量均較低. 例如,P76(穆里奇球菌)僅產(chǎn)生了少量三甲基吡嗪和2,6-二甲基吡嗪,而吡嗪類物質(zhì)具有焙烤香,在醬香型、兼香型和芝麻香型白酒中含量較高[27-28].
圖1 梭菌綱細(xì)菌發(fā)酵液中揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的GC-MS分析結(jié)果Fig.1 GC-MS analysis results of volatile metabolites in the Clostridium fermentation broth
芽孢桿菌綱細(xì)菌發(fā)酵液中揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的GC-MS分析結(jié)果如圖2所示. 由圖2可知,15種芽孢桿菌菌株的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物主要包括13種酸類、13種醇類、8種酯類和5種其他類. P5(地衣芽孢桿菌)、P21(面狀類芽孢桿菌)、P28(富馬里奧利芽孢桿菌)、P31(人葡萄球菌)和P112(海內(nèi)氏芽孢桿菌)的產(chǎn)酸能力均強(qiáng)于其他菌株,且P112產(chǎn)酸能力最強(qiáng),P10(蕈狀芽孢桿菌)產(chǎn)丁酸能力最強(qiáng). 較上述梭菌綱細(xì)菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,丙酸只在芽孢桿菌綱細(xì)菌的發(fā)酵液中測得,且含量較低. 芽孢桿菌綱細(xì)菌也可產(chǎn)多種醇類物質(zhì),上述產(chǎn)酸能力最強(qiáng)的P5、P21、P28和P112產(chǎn)醇能力也較強(qiáng).另外,P11(凝結(jié)芽孢桿菌)產(chǎn)1-丙醇能力較強(qiáng),而P28、P112產(chǎn)3-苯丙醇能力相對較強(qiáng). 芽孢桿菌的產(chǎn)酯能力較弱,其中十六酸1-(羥甲基)-1,2-乙二醇酯和異別膽酸乙酯在酯類代謝產(chǎn)物中的含量相對較高. 其他類產(chǎn)物主要是乙偶姻、糖苷和本環(huán)類,在揮發(fā)性代謝產(chǎn)物中的相對含量較低. 15種芽孢桿菌菌株中,P9(貝萊斯芽孢桿菌)產(chǎn)揮發(fā)性成分較少且相對含量較低,其次是P23(Baenibacilluspuldeungensis)、P15(枯草芽孢桿菌)、P72(華氏葡萄球菌)和P16(諾瓦氏芽孢桿菌),推測它們可能對白酒品質(zhì)提升的貢獻(xiàn)較小. 將圖1與圖2進(jìn)行對比可知,梭菌綱細(xì)菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物種類比芽孢桿菌綱細(xì)菌多,且所產(chǎn)醇類和其他類物質(zhì)較多. 以P5為例,其為兼性厭氧菌株,從酒醅[29]、大曲[30-31]中均能分離得到,國內(nèi)相關(guān)研究多針對其產(chǎn)酶能力,其復(fù)雜的產(chǎn)酶體系是產(chǎn)生醇類物質(zhì)、酯類物質(zhì)進(jìn)而形成白酒獨(dú)特風(fēng)味的重要基礎(chǔ).
圖2 芽孢桿菌綱細(xì)菌發(fā)酵液中揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的GC-MS分析結(jié)果Fig.2 GC-MS analysis results of volatile metabolites in the Bacillus fermentation broth
代表性菌株的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物載荷圖和散點(diǎn)圖如圖3所示,其中C為梭菌代表菌株編號,B為芽孢桿菌代表菌株編號. 由圖3a)可知,條件限制性分析顯示Axis1具有68.7%的貢獻(xiàn)度,Axis2具有11.2%的貢獻(xiàn)度,大多數(shù)(41種)揮發(fā)性代謝產(chǎn)物分布于Axis1中心垂直線右側(cè). 由圖3b)可知,梭菌綱菌株P(guān)1、P24、P27、P96、P101、P130、P135、P138及芽孢桿菌綱菌株P(guān)5、P21、P28、P31、P112分布于Axis1中心軸右側(cè),推測這些菌株是上述揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的主要貢獻(xiàn)菌株. P1和P96主要與丁酸(S3)、己酸(S8)、二甲基己酸(S14)、正己醇(C11)、R-2,3-丁二醇(C16)、3-甲基-丁醇(C17)、氨基肉桂酸甲酯(Z9)等有關(guān),而P5、P21、P28、P31、P112主要與其他揮發(fā)性代謝產(chǎn)物有關(guān). P24、P27、P135、P138主要與2-甲基丙酸(S4)、2-甲基丁酸(S5)、戊酸(S6)、4-甲基戊酸(S7)、尿酸(S10)等有關(guān);P101、P130主要與1-丙醇(C10)、3-甲基-1- 己醇(C13)有關(guān);P25、P48、P76、P74、P83、P87、P118主要與乙酸(S1)、丙酸(S2)、苯基丙二酸(S13)、乙偶姻(Q3)、三甲基吡嗪(Q8)、2,6-二甲基吡嗪(Q9)等有關(guān).
圖3 代表性菌株的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物載荷圖和散點(diǎn)圖Fig.3 The load diagram and scatter diagram of representative strains volatile metabolites
本文采用可培養(yǎng)技術(shù)從河南省5家濃香型白酒企業(yè)窖泥中分離出138株厭氧細(xì)菌,基于其16S rRNA基因序列分析出最高相似菌共30個(gè)種,分屬于梭菌綱和芽孢桿菌綱中的8個(gè)屬,包括梭菌屬、芽孢桿菌屬、Paraclostridium、Terrisporobacter、Muricomes、產(chǎn)己酸菌屬、類芽孢桿菌屬和葡萄球菌屬. GC-MS分析結(jié)果表明,從篩選的梭菌綱細(xì)菌和芽孢桿菌綱細(xì)菌中共檢測到55種揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,包括14種酸類、18種醇類、11種酯類及12種其他化合物,且15種梭菌綱細(xì)菌的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物種類(50種)比15種芽孢桿菌綱細(xì)菌(39種)多,尤其是醇類和其他類化合物種類較多. 主成分分析結(jié)果表明,不同厭氧細(xì)菌代謝產(chǎn)物存在一定的差異,如P101和P130主要與1-丙醇、3-甲基-1-己醇呈現(xiàn)較高的相關(guān)性,而P28和P112產(chǎn)3-苯丙醇能力相對較強(qiáng). 本研究在一定程度上豐富了我們對窖泥源可培養(yǎng)厭氧微生物群落及其代謝物多樣性的認(rèn)識,初步分析了上述菌株與揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的關(guān)聯(lián),為今后通過窖泥產(chǎn)香功能菌的定向強(qiáng)化提升白酒品質(zhì)提供了理論依據(jù).