产己酸微生物筛选及其在浓香型白酒窖泥养护中的应用研究

冯文聪1,陈继威1,夏博宇1,张 维1,毛文定1,殷想想1,陈茂彬1,方尚玲1,毛志海1,2*

(1.湖北工业大学生命科学与健康工程学院工业发酵省部共建协同创新中心发酵工程教育部重点实验室工业微生物湖北省重点实验室,湖北武汉 430068;2.真奥金银花药业有限公司,湖北咸宁 437000)

摘 要:该研究采用富集培养及己酸定性和定量分析从浓香型白酒酒厂的窖泥中分离筛选高产己酸的己酸菌,通过形态学观察及分子生物学技术对其进行菌种鉴定,并将其应用于窖泥养护中,检测养护前后窖泥的理化指标及挥发性风味成分。结果表明,筛选并鉴定得到一株可稳定高产己酸的水原拉梅尔芽孢杆菌(Rummeliibacillus suwonensis)DFN-1,其传代3次后,己酸产量为8.15 g/L。通过菌株DFN-1养护窖泥后,窖泥的品质明显得到改善,其水分含量提高10.62%,腐殖质含量提高47.10%,总氮含量提高30.55%,耐热芽孢杆菌数提高9.98%,铵态氮含量提高35.94%,特征风味物质己酸和己酸乙酯相对含量分别提高至31.73%和0.43%。

关键词:窖泥;己酸菌;筛选;鉴定;窖泥养护;理化指标;挥发性风味成分

浓香型白酒具有窖香浓郁、入口醇绵、丰满协调的特点,是四大香型白酒之一,市场占有率超过70%[1]。己酸乙酯作为浓香型白酒的特征风味物质,其含量直接决定浓香型白酒的品质[2-4]。己酸乙酯由己酸和乙醇反应生成,其中乙醇源自酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),己酸源自窖泥中的己酸菌[5-6]。因此,己酸菌在窖泥中的含量和产酸能力决定着窖泥的品质[7-8]。浓香型白酒的酿造特征就是采用泥窖固态发酵,窖泥是白酒固态发酵过程中重要的微生物来源,窖泥的质量与白酒品质息息相关[9-10]

目前,己酸产量低下的问题一直没有得到解决[11]。在实际生产过程中,窖泥都是伴随着生产而自然老熟[12],部分窖泥在长期使用的过程中会出现老化退化现象[13],主要原因就是己酸菌产酸能力下降。为了解决窖泥老化问题,以己酸菌为主体菌株的复合己酸菌培养液被广泛应用于人工老窖泥的培养和窖池的养护[14],通过改善窖池微生物生长环境,进而提升白酒的品质[15-16]。多数浓香型白酒厂都尝试过培养己酸菌菌液,但己酸菌产酸能力限制了菌液的养护效果[17]。目前报道的己酸菌主要为梭菌属(Clostridium sp.)、芽孢杆菌属(Bacillus sp.)和瘤胃球菌属(Ruminococcus sp.),但是己酸产量均较低(<5 g/L)且在连续传代的培养中产酸不够稳定[18-20]。因此,从窖泥中筛选获得高产己酸菌,并将其运用于窖泥养护,对解决窖泥老化等问题具有决定性作用[21-22]

本研究通过富集培养及己酸定性和定量分析从优质老窖泥中分离筛选高产己酸的己酸菌,通过形态学观察及分子生物学技术对其进行菌种鉴定,并将其应用于养护窖泥,检测养护前后窖泥的理化指标及挥发性风味成分,研究己酸菌液在窖泥养护中的效果。以期用更为合理的方式将己酸菌用于生产,为窖泥养护的实际应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

优质窖泥、劣质窖泥:湖北某浓香型白酒酒厂。

1.1.2 培养基

乙醇醋酸钠(ethanol sodium acetate,ES)液体培养基[23]:酵母膏1 g、无水乙酸钠0.5 g、MgSO4·7H2O 0.02 g、K2HPO4 0.04 g、(NH42SO4 0.05 g、蒸馏水100 mL,121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。接种前在无菌条件下加入2 mL乙醇和干热灭菌后的CaCO3 1 g。乙醇醋酸钠固体培养基:在乙醇醋酸钠液体培养基中添加琼脂2 g。

1.1.3 试剂

酵母膏(生化试剂):上海麦克林科技有限公司;无水乙酸钠、无水乙醇(均为分析纯):国药集团化学试剂有限公司;细菌基因组脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)提取试剂盒:天根生化科技有限公司;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

LRH-250生化培养箱:上海智城分析仪器有限公司;LDZX-50KBS高压蒸汽灭菌锅:上海申安医疗器械厂;WFJ 2000分光光度计:江苏海门市麒麟医用仪器厂;5977B-7890B气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)仪:美国安捷伦公司;厌氧产气袋:日本三菱公司;SW-CJ-2D型双人单面净化工作台:苏州净化设备有限公司;LEICA电子显微镜:德国莱卡公司;T10聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪:杭州朗基科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 己酸菌的富集

取优质窖泥样品5 g于50 mL无菌水中,35 ℃条件下振荡30 min,使窖泥均匀分散,置于80 ℃水浴锅中水浴15 min,去除杂菌。将菌液按2%(V/V)的接种量接入ES液体培养基中,封口后置于34 ℃恒温培养箱静置培养富集7 d,连续富集5次。取每次富集液测定己酸含量,选取己酸含量最高的富集液进行己酸菌分离。

1.3.2 己酸菌的分离纯化

选取己酸含量最高的富集液按10倍梯度稀释至10-7,将10-7稀释液涂布于ES固体培养基上,倒置于无氧环境(利用厌氧产气袋和厌氧培养袋共同作用提供),于34 ℃恒温培养箱培养3 d。观察平板上的菌落生长,选取单个菌落转接,用平板划线法在新的ES固体培养基上进行重复培养,重复培养3次确保得到无污染的单一菌株菌落。

1.3.3 优良己酸菌的筛选

将筛选得到的单菌落接种到ES液体培养基中,封口后置于34 ℃恒温静置培养7 d,发酵过程中观察产气情况,并对发酵液中的己酸进行定性和定量分析,筛选优良己酸菌。取1 mL己酸菌发酵液至ES液体培养基中进行传代培养,共传代三次,观察该菌株是否稳定产酸。

1.3.3 优良己酸菌的鉴定

形态学观察:将分离纯化得到的菌株接种于ES固体培养中,倒置于无氧环境,于34℃恒温静置培养7d,观察其菌落形态,并对其进行革兰氏染色,采用显微镜观察其细胞形态。

分子生物学鉴定:采用细菌基因组DNA提取试剂盒提取筛选菌株的基因组DNA,以其为模板,采用引物27f(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')和1492r(5'-TACGGCTACCTTGTTACGACTT-3')PCR扩增细菌16S rDNA基因序列。PCR扩增体系:10×ExTaq buffer 2.0 μL,ExTaq酶(5 U)0.2 μL,2.5 mmol/L脱氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleo side triphosphate,dNTP)Mix 21 μL,上、下游引物各1 μL,基因组DNA 2 μL。PCR扩增条件:94 ℃预变性5 min;94 ℃变性30 s,56 ℃退火30 s,72 ℃延伸90 s,共30个循环,然后72 ℃再延伸10 min。PCR扩增产物经1%琼脂糖凝胶电泳检测合格后委托北京六合华大基因科技有限公司进行测序。将测序结果提交至美国国家生物技术信息中心(National Center of Biotechnology Information,NCBI)的GenBank数据库中进行基本局部比对搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)同源性比对,选取同源性较高的模式菌株的16S rDNA基因序列,采用MEGA 7.0软件中的邻接(neighbor-joining,NJ)法构建系统发育树。

1.3.4 窖泥养护[17,24]

将传代培养的优良己酸菌接种于ES液体培养基中,封口后置于34 ℃培养3 d,得到己酸菌种子液。称取100 g劣质窖泥于500 mL锥形瓶中,再加入10%去离子水,摇匀,以5%的接种量接种己酸菌种子液作为实验组(养护后),以未接己酸菌组作为对照组(养护前),每24 h测定其pH值,使用5 mol/L NaOH将pH值稳定在6.3±0.2。用塞子封口,置于恒温培养箱中,在34 ℃条件下恒温培养7 d,检测pH值一直稳定在此范围内即培养完成,测定养护前后窖泥中的己酸含量[25-26]

1.3.5 测定方法

己酸的定性分析:使用改良后的硫酸铜显色法对己酸进行定性[27],将发酵液充分摇匀后,取2 mL于比色管中,加入1 mL 2%硫酸铜溶液和1 mL二氯甲烷,充分摇匀,静置分层后观察其显色情况。下层中出现蓝色证明有己酸存在,蓝色越明显表明己酸含量越高。己酸的定量分析:采用液液微萃取结合GC-MS法测定己酸含量[28-29]

感官评价[30-31]:从色泽、气味、手感三个方面对窖泥进行感官评价。色泽上应该呈现黄褐色或者灰褐色,无加入的酿酒原料本颜色;香味是否纯正,是否携带酯香或者酒香,香气是否持久,有无其他腐烂臭味;手感粗糙还是细腻,有无明显刺手感,质地是否均匀无杂质,是否有黏稠感。

基本理化指标:参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》测定水分;采用pH计测定pH值;参考文献[32]的方法测定铵态氮含量;参考文献[33]采用重铬酸钾氧化法测定腐殖质;参考文献[34]测定总磷含量;参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》测定总氮含量。

挥发性风味物质的测定:采用顶空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)结合GC-MS法[35]

耐热芽孢杆菌数计数:取窖泥5 g于100 mL无菌水中,于80 ℃水中水浴加热10 min,取1 mL用ES液体培养基定容到100 mL,转接到250 mL锥形瓶中,34 ℃活化培养5 h。取1 mL活化液注入9 mL无菌水试管中,摇匀,采用血球计数器计数[36]

1.3.6 数据处理

每个试验重复3次,采用Agilent MassHunter、Qualitative Analusis Navigator和SPSS 28.0.1.1处理数据,结果用“平均值±标准差”表示。采用Origin 2015绘图。

2 结果与分析

2.1 己酸菌的富集培养

将窖泥连续富集5次,测定每次富集液中的己酸含量,结果见图1。由图1可知,随着富集次数的增加,己酸含量呈先升高后下降的趋势,当富集第三次时,己酸含量最高,为6.43 g/L,因此,取第3次富集液进行己酸菌分离。

图1 窖泥富集液中己酸含量的测定结果
Fig.1 Determination results of caproic acid contents in pit mud enrichment liquid

2.2 优良己酸菌的分离及筛选

通过传统培养分离及己酸定性和定量分析,从第三次窖泥富集液中分离筛选得到一株己酸产量最高的菌株,编号为DFN-1,其硫酸铜显色结果见图2。

图2 菌株DFN-1的硫酸铜显色反应结果
Fig.2 Results of copper sulfate chromogenic reaction of strain DFN-1

从左至右分别为纯水的显色结果、纯水中添加少许正己酸的显色结果、菌株DFN-1发酵液的显色结果和ES液体培养基的显色结果。

由图2可知,菌株DFN-1发酵液的硫酸铜显色反应下层呈现深蓝色,表明该菌株能高产己酸。进一步采用GC-MS法测定发酵液中的己酸含量,结果发现,菌株DFN-1中的己酸含量为6.52 g/L。为考察其产酸稳定性,对菌株DFN-1连续传代培养至3代,结果发现,第一次传代发酵液中的己酸含量为7.45 g/L,第二代为7.82 g/L,第三代为8.15 g/L,说明菌株DNF-1能稳定产己酸。

2.3 菌株DNF-1的鉴定

2.3.1 形态学观察

菌株DFN-1的菌落形态见图3。由图3可知,菌株DFN-1的菌落呈乳白色,圆形,边缘规则,革兰氏染色呈紫色,为革兰氏阳性菌,细胞呈杆状。

图3 菌株DFN-1的菌落(a)及细胞(b)形态
Fig.3 Colony (a) and cell (b) morphology of strain DFN-1

2.3.2 分子生物学鉴定

基于16S rDNA基因序列构建菌株DFN-1的系统发育树,结果见图4。

图4 基于16S rDNA基因序列菌株DFN-1的系统发育树
Fig.4 Phylogenetic tree of strain DFN-1 based on 16S rDNA gene sequences

由图4可知,菌株DFN-1与水原拉梅尔芽孢杆菌(Rummeliibacillus suwonensis)strain G20聚于一支,亲缘关系最近。结合形态学特征,鉴定菌株DFN-1为水原拉梅尔芽孢杆菌(Rummeliibacillus suwonensis)。

2.4 水原拉梅尔芽孢杆菌DFN-1在窖泥养护中的应用

2.4.1 窖泥品质指标分析

养护前后窖泥的品质指标见表1。

表1 养护前后窖泥品质指标的对比
Table 1 Comparison of quality indexes of pit mud before and after maintenance

项目养护前窖泥养护后窖泥水分/%pH值铵态氮含量/(mg·100 g-1干土)耐热芽孢杆菌数/(×109 CFU·g-1)腐殖质含量/%总氮含量/(mg·100 g-1干土)总磷含量/(mg·100 g-1干土)33.80±0.16b 3.96±0.04a 85.33±1.87b 2 064±0.04b 3.14±0.15b 190.96±5.76b 44.38±0.70a 37.39±0.50a 4.03±0.02a 116.04±3.8a 2 268±0.06a 4.62±0.14a 249.30±1.53a 43.61±2.40a

由表1可知,养护前后窖泥的品质存在一定差异,除pH值及总磷含量外,其他品质指标都有显著性变化(P<0.05)。与养护前相比,窖泥水分含量(37.39%)提高10.62%。耐热芽孢杆菌数(2.268×1012 CFU/g)提高9.88%。目前,从浓香型白酒窖泥中分离出的己酸菌株多为梭菌属(Clostridium sp.)或芽孢杆菌属(Bacillus sp.)[3-4,8],因此,杆菌数的提高可以看作是己酸菌数的提高。铵态氮含量(116.04 mg)提高35.94%。氮源的含量关系着窖泥中微生物的生长情况,铵态氮的含量与窖泥质量呈明显正相关[12]。腐殖质含量(4.62%)提高47.10%,窖泥腐殖质含量高低与所产的原酒中己酸乙酯含量有关,对窖泥酸度的调节、窖泥水分的保持以及功能菌的驯化具有重要作用,腐殖质的含量在某种程度上也反映窖泥质量的优劣[37-38]。总氮含量(249.30 mg)提高30.55%,有研究表明,总氮含量随着窖龄增加即窖泥质量上升呈上升趋势[39],理论上窖泥中总氮含量的差异可以表征窖泥真实的质量[37]。综上,采用水原拉梅尔芽孢杆菌DFN-1养护后的窖泥质量更优。

2.4.2 窖泥挥发性风味物质分析

采用GC-MS法测定养护前后窖泥中的挥发性风味物质,结果见表2。

表2 养护前后窖泥中挥发性风味成分对比
Table 2 Comparison of volatile flavor components in pit mud before and after maintenance

注:“-”表示未检出。

种类化合物丙酸冰醋酸3-苯丙酸辛酸2-甲基丁酸庚酸4-甲基戊酸正戊酸正丁酸正己酸苯甲酸乙酯丁酸己酯己酸丁酯己酸乙酯苯甲酸异丁酯苯乙酸乙酯棕榈酸乙酯丁酸丁酯庚酸庚酯丁酸丁酯3-苯丙酸乙酯己酸己酯己酸丁酯正己醇3-苯丙醇正丁醇正戊醇苯乙醇苯酚对甲酚2-氮己环酮吲哚嗪7-甲基吲哚相对含量/%养护前窖泥养护后窖泥酸类酯类0.17 0.44 0.50 1.00 1.53 3.00 4.07 4.53 8.00 31.73 0.10 0.25 0.27 0.43 0.15 0.17 0.17 0.20 0.50 0.99 0.38 3.96 11.82 0.54 1.08醇类---酚类0.07 0.23 0.76 0.58 0.95 2.05 2.82 2.43 4.75 17.15 0.19 0.27 0.17 0.42 0.22 0.60 0.36 3.49 0.49 3.49 0.96 2.48 11.79 0.55 1.36 0.40 0.95 0.18 1.98 22.77 0.57 0.48 2.15 1.10 10.73 0.11 0.13-

由表2可知,与养护前窖泥相比,养护后窖泥中的酸类物质(除3-苯丙酸外)相对含量都有一定幅度的提升。其中,正丁酸、正戊酸、冰醋酸、丙酸相对含量分别提高3.25%、2.10%、0.21%、0.10%,己酸相对含量提高幅度最大,为14.58%。这几种酸是浓香型白酒重要的有机酸,不仅能给白酒带来了愉悦的香气,还能在其他微生物作用下产生各种富含香味的酯类物质,增强浓香型白酒整体风格,提升酒体口感和舒适性。尤其是己酸具有增香,减少刺激,调节口感的特点[40]。己酸乙酯、己酸丁酯、己酸己酯的相对含量分别提高0.01%、0.13%、1.48%,这些酯类物质是浓香型白酒的主要香气成分,赋予酒体独特的风味。醇类物质整体呈现下降趋势,正丁醇和正戊醇在养护后窖泥中均未检出。正丁醇和正戊醇带有微苦的味道,这两者醇类物质的减少能提高酒体的醇甜[41]。酚类物质是酒体中主要的臭味来源,养护后窖泥中甲酚和苯酚的相对含量分别下降12.04%和0.88%。结果表明,养护后大部分酸类和酯类物质的含量都得到了提高,这有助于窖泥发酵后增强浓香型白酒的香气和特征风味,改善酒体口感和品质;而正戊醇和正丁醇等高级醇则减少甚至低于检出限。养护后的窖泥成分更加符合于浓香型白酒生产的条件,更能满足实际生产中的需要。

3 结论

本研究以湖北某酒厂的优质老窖泥为研究对象,通过富集培养基己酸定性定量分析筛选得到一株可稳定高产己酸的己酸菌DFN-1,其传代3次后,己酸产量达到8.15 g/L。通过形态观察及分子生物学技术鉴定该菌株为水原拉梅尔芽孢杆菌(Rummeliibacillus suwonensis)DFN-1。将R.suwonensis DFN-1应用于窖泥中进行养护后,窖泥的品质明显得到改善,其水分含量提高10.62%,腐殖质含量提高47.10%,总氮含量提高30.55%,耐热芽孢杆菌数提高9.98%,铵态氮含量提高35.94%,特征风味物质己酸和己酸乙酯相对含量分别提高至31.73%和0.43%。本研究结果为窖泥养护提供了新思路。

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Screening of caproic acid-producing microorganisms and their application in the pit mud maintenance of strong-flavor Baijiu

FENG Wencong1,CHEN Jiwei1,XIA Boyu1,ZHANG Wei1,MAO Wending1,YIN Xiangxiang1,CHEN Maobin1,FANG Shangling1,MAO Zhihai1,2*
(1.Cooperative Innovation Center of Industrial Fermentation(Ministry of Education&Hubei Province),Key Laboratory of Fermentation Engineering(Ministry of Education),Hubei Key Laboratory of Industrial Microbiology,College of Life Science and Health Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Zhenao Jinyinhua Pharmaceutical Co.,Ltd.,Xianning 437000,China)

Abstract:In this study, caproic acid-producing bacteria with high yield caproic acid were isolated and screened from the pit mud of a strong-flavor(Nongxiangxing)Baijiu distillery by enrichment culture and qualitative and quantitative analysis of caproic acid,identified by morphological observation and molecular biology techniques,and applied in pit mud maintenance to test the physicochemical indexes and volatile flavor components of pit mud before and after maintenance.The results showed that a strain DFN-1 was screened and identified as Rummeliibacillus suwonensis, which was stable for high production of caproic acid.The caproic acid yield was 8.15 g/L after three passages.The quality of the pit mud was significantly improved after maintenance pit mud by the strain DFN-1,with the moisture contents increased by 10.62%,the humus contents increased by 47.6%,the total nitrogen contents increased by 30.55%, the thermophilic Bacillus count increased by 9.98%, the ammonium nitrogen content increased by 35.94%,and the relative contents of characteristic flavor substance caproic acid and ethyl caproate were increased to 31.73%and 0.43%,respectively.

Key words:pit mud;caproic acid bacteria;screening;identification;pit mud maintenance;physicochemical index;volatile flavor component

中图分类号:TS261.1文章编号:0254-5071(2024)11-0041-05doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2024.11.007

引文格式:冯文聪,陈继威,夏博宇,等.产己酸微生物筛选及其在浓香型白酒窖泥养护中的应用研究[J].中国酿造,2024,43(11):41-45.

收稿日期:2024-03-04修回日期:2024-05-13

基金项目:“十三五”国家重点研发计划重点专项(2016YFD0400500);湖北省科技厅重大专项(2018ABA084)

作者简介:冯文聪(1999-),男,硕士研究生,研究方向为酿酒微生物。

*通讯作者:毛志海(1985-),男,高级工程师,硕士,研究方向为工业微生物。