浓香型白酒是我国白酒的主要香型之一,其所用原料[1-3]、酿造工艺[4-6]、酿造环境[7-9]等条件决定了其酒体风格和成品品质。在白酒发酵过程中,有机酸和乙醇在酯酶的催化作用下产生构成白酒风味的主要酯类物质,因此,产酯微生物在白酒酿造中对于其风味的形成具有重要贡献[10]。
酵母菌是白酒酿造中的主要功能微生物之一[11-12],根据其主要代谢产物类型一般将其分为产酒酵母和产酯(香)酵母,产酒酵母的主要贡献是通过其较强的发酵力产生乙醇,产酯酵母菌则通过产生以酯类为主的多种代谢产物从而影响原酒和成品酒风味的形成[13],只有2类酵母菌在酿造过程中保持适当的比例和较高活性,才能保证白酒发酵的顺利进行及成品酒的质量[14]。近年来,研究人员从白酒曲药[15-16]、糟醅[17-18]、窖泥[19-20]等样品中分离到大量的产酯酵母,并对其生长特性、耐受性和产酯种类等特性进行了一定研究。目前分离到的产酯酵母主要有库德毕赤酵母(Phichia kudriavzevii)、异常威克汉姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)、扣囊复膜酵母(Saccharomycopsis fibuligera)、戴尔凯氏有孢圆酵母(Torulaspora delbureckii)、德巴利汉逊酵母(Debaryomyces hanseni)等,其所产生的酯类物质及含量根据菌株来源、产香培养基种类、测定方法等不同存在较大差异。贾丽艳等[21]从清香型白酒酒醅中分离到一株库德毕赤酵母FJZ,该菌可产生浓郁的苹果清香,在小米固体培养基中能产生大量的乙酸乙酯,占其总挥发性物质的37.71%;徐丽萍[22]从泸型大曲中筛选到一株汉逊酵母,并对其产酯条件进行了优化,在最佳条件下该菌株的产酯量为1.479 g/L;Yang Yurong等[23]从手工制小曲中分离到一株扣囊复膜酵母YRNN,将其用于米酒酿造,通过顶空固相萃取-气相色谱-质谱(headspace solid phase extractiongas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)仪对米酒的香气成分进行分析,结果发现,添加菌株YRNN的米酒中乙酸乙酯、己酸乙酯和辛酸乙酯明显高于对照组。
目前研究人员对分离出的产酯香酵母的产酯能力进行了系统研究,并将其中部分优良菌株用于种曲制备[24-25]、窖泥强化[26-27]等,但鲜有针对宋河浓香型白酒产酯香酵母的研究。本研究以宋河浓香型白酒酒醅为研究对象,对其中的可培养酵母菌进行分离、鉴定,同时对其中产酯香酵母菌进行研究,从中筛选出性能优良的产酯酵母菌菌株,进而为其在酿酒生产中的应用提供理论依据。
浓香型白酒酒醅样品:采自河南省宋河酒业股份有限公司浓香型白酒发酵过程中(0、3、6、9、15、21、27、33、48、60 d)窖池底(JC)、窖池中部(JZ)与窖池壁(JB)的酒醅。
蛋白胨、酵母粉、琼脂粉(均为生化试剂) 北京奥博星生物技术有限责任公司;已酸乙酯、乳酸乙酯(均为分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;Ezup柱式酵母基因组DNA抽提试剂盒、聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)及电泳所用试剂 生工生物工程(上海)股份有限公司。
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YEPD)固体培养基[28]:葡萄糖20 g、蛋白胨20 g、酵母浸出粉10 g、琼脂粉20 g、蒸馏水1 000 mL,121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。液体培养基中不添加琼脂。
初筛培养基[29]:酵母膏10 g、溴甲酚紫0.4 mg、己酸乙酯1.0 mL、乳酸乙酯1.0 mL、琼脂20 g、蒸馏水1 000 mL,115 ℃高压蒸汽灭菌20 min。
豆芽汁培养基[30]:黄豆芽汁100 mL、葡萄糖50 g、蒸馏水1 000 mL,121 ℃高压蒸汽灭菌20 min。
CX31三目可拍照显微镜 日本奥林巴斯公司;BSP-150生化培养箱 上海博迅实业有限公司;T-Profssional Standard PCR仪 德国耶拿分析仪器股份公司;JY04S-3E凝胶成像仪 北京君意东方电泳设备有限公司;5430R高速台式冷冻离心机 德国艾本德公司;LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;GC7890A GC仪、5975C MS仪 美国安捷伦公司。
1.3.1 酵母菌的分离纯化
在无菌条件下称取1 g酒醅样品于无菌生理盐水中,制备成菌悬液,按10倍梯度稀释后,选取不同稀释度的菌悬液涂布于YEPD平板上,30 ℃倒置培养2~4 d。挑取菌落形态不同的酵母菌划线分离2~3次,将分离纯化后的菌株进行编号,进行斜面和甘油管保藏备用。
1.3.2 酵母菌的鉴定
形态观察:观察并记录分离纯化后的酵母菌在平板上的颜色、光滑程度、菌落边缘等不同特征,并在光学显微镜下观察其细胞形态。
分子生物学鉴定:采用Ezup柱式酵母基因组DNA抽提试剂盒提取分离菌株的基因组DNA,以其为模板,选用26S rRNA D1/D2区基因[31]引物NL1(5′-GCATATCGGTAAGCGGAGGAAAAG-3′)和NL4(5′-GGTCCGTGTTTCAAGACGG-3′)进行PCR扩增。PCR扩增体系:基因组DNA 1 μL、上下游引物各1 μL、2×SanTaq Plus PCR Mix 10 μL、双蒸水(ddH2O)7 μL。PCR扩增条件:94 ℃预变性5 min; 94 ℃变性30 s,55 ℃退火40 s,72 ℃延伸1 min,共30个 循环;72 ℃再延伸10 min。采用1%琼脂糖凝胶电泳对PCR扩增产物进行分析,电泳结束后置于凝胶成像仪拍照分析是否有目的条带扩出,条带是否单一。将PCR产物送生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序分析,将测序结果于提交至NCBI的GenBank数据库中,利用BLAST进行26S rRNA基因相似性比较分析,选取数据库中相似模式菌株的26S rRNA基因序列,利用Clustal-X软件进行多重序列比对后,采用MEGA 5.0软件中的邻接法构建系统发育树。
1.3.3 产酯香酵母菌的筛选
初筛:将分离纯化后的酵母菌点接于初筛培养基,30 ℃条件下培养,每12 h进行观察,挑选其中产生变色圈的菌株进行复筛。
复筛:将初筛菌株接种于豆芽汁培养基中,30 ℃、220 r/min条件下培养3 d,测定其质量以判断其发酵力。将培养2 d后的发酵液进行离心(5 000 r/min、4 ℃)后取上清液,按照4∶1的比例加入1%己酸溶液,将混合好的溶液用封口膜密封好后于30 ℃静置培养2 d,采用GC法测混合液中己酸乙酯的含量[32]。
1.3.4 产酯香酵母菌的生长特性
生长曲线的测定:将待测菌株接种至YEPD液体培养基,30 ℃、220 r/min条件下培养至OD560 nm值为1后,按照2%(V/V)的接种量接种至新鲜的YEPD液体培养基,定期取样测定OD560 nm值,绘制生长曲线。
NaCl耐受性[30]:将待测菌株分别点接至含有5、10、15 g/100 mL NaCl的YEPD固体培养基平板上,每个菌种做3个平行和空白对照,30 ℃条件下培养7~14 d,观察并记录菌株在不同盐含量培养基上的生长情况。
乙醇耐受性[30]:将活化后OD560 nm值为1的待测菌株以1%(V/V)的接种量分别接种至含8%、10%、12%、14%、16%(V/V)乙醇的YEPD液体培养基中,30 ℃条件下静置培养3 d,观察酵母菌菌株的产气情况和沉淀量。
最适生长温度[30]:将活化后OD560 nm值为1的待测菌株以5%(V/V)的接种量转接至YEPD液体培养基中,在不同温度(15~50 ℃)下静置培养2 d后测定其OD560 nm值。
最适生长pH值[30]:将活化后OD560 nm值为1的待测菌株以5%(V/V)的接种量接种至不同pH值(1~12)的YEPD液体培养基中,30 ℃静置培养2 d后测定其OD560 nm值。
1.3.5 产酯香酵母菌的挥发性发酵产物分析
将复筛得到的菌株以2%(V/V)的接种量接种到豆芽汁培养基中,30 ℃静置培养3 d后,采用HS-SPME-GC-MS法测定挥发性风味成分[30]。
HS-SPME条件:取6 mL发酵液于20 mL顶空瓶中,在45 ℃条件下对样品瓶进行加热,在100 ℃条件下对仪器的阀和定量环进行加热,传输线的温度为110 ℃,样品瓶的加热时间为45 min,样品瓶的加热方式为振荡加热。
GC条件:进样口温度240 ℃,载气为高纯氦气,流速1.2 mL/min,分流比5∶1。柱箱升温程序为初始温度50 ℃保持2 min,以3 ℃/min升至80 ℃,随之以5 ℃/min升至230 ℃,保持10 min。
MS条件:使用电子电离源,离子源温度230 ℃,四极杆温度170 ℃,辅助加热温度250 ℃,电子能量70 eV,灯丝流量0.20 mA,检测器电压350 V。采用全扫描模式采集信号,扫描范围为m/z 33~550。
定性、定量分析:根据样品中挥发性物质质谱特征,提取特征离子后,结合NIST 2014质谱数据库比对检索,完成各组分物质结构定性鉴定,采用峰面积归一化法计算各物质相对含量。
每组实验设置3个样品重复,各重复样品进行平行处理和数据测定;利用Excel 2016软件进行数据分析和绘图。
采用传统培养分离方法从10个浓香型白酒酒醅样品中共分离纯化得到29株菌株,其中部分代表性菌株的菌落形态及显微形态见图1。绝大部分菌株在YEPD固体培养基平板上于30 ℃条件下培养2~3 d生长良好;菌落湿润、光滑,呈乳白色、米黄色;所分离菌株显微形态多呈椭圆形、柠檬形,无假菌丝,部分菌株可观察到出芽生长,结合《酵母菌的特征与鉴定手册》[33],初步判断分离菌株均为酵母菌。
图1 部分代表菌株的菌落形态与细胞形态
Fig.1 Colonial morphology and cellular morphology of representative strains
由图2及表1可知,经过形态学观察和分子生物学鉴定,29株酵母菌被鉴定为归属于4个属5个种,分别为卡斯泰利诺莫夫氏酵母(N. castellii)、发酵毕赤酵母(P. fermentans)、盔形毕赤酵母(P. manshurica)和酿酒酵母(S. cerevisiae),其中毕赤酵母属有10株,占总分离菌株数的34.48%;诺莫夫氏酵母属和接合酵母属各有3株,占总分离菌株数的10.34%;酿酒酵母属13株,占总分离菌株数的44.83%。
表1 29株酵母菌菌株的鉴定结果
Table1 Identification results of the 29 yeast strains
菌株编号分离来源鉴定结果CL-083 d JB CL-106 d JZ卡斯泰利诺莫夫氏酵母CL-126 d JB(Naumovozyma castellii)0D10 d JC CL-010 d JC CL-030 d JC CL-040 d JC 0D60 d JC发酵毕赤酵母(Pichia fermentans)0D70 d JC 0D80 d JC CL-050 d JC CL-169 d JB CL-2533 d JZ盔形毕赤酵母(Pichia manshurica)CL-093 d JB CL-116 d JZ 6D46 d JB CL-136 d JB CL-149 d JZ CL-159 d JZ CL-179 d JB酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)CL-189 d JB CL-2015 d JB CL-2121 d JZ CL-2221 d JB CL-2327 d JZ CL-2427 d JB CL-063d JZ CL-073d JB鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)CL-199d JB
图2 基于26S rRNA D1/D2区基因序列29株酵母菌菌株的系统发育树
Fig.2 Phylogenetic tree of 29 yeast strains based on the D1/D2 domain sequences of the 26S rRNA gene
在宋河浓香型白酒发酵3、6、9、21、27 d的窖池中部、窖池壁以及15 d的窖池壁均分离出了酿酒酵母(S. cerevisiae),说明其在发酵酒醅中分布较广,为发酵过程中的优势菌。卡斯泰利诺莫夫氏酵母(N. castellii)和毕赤酵母(Pichia)主要在发酵前期(0~9 d)分离到,可能是随着发酵周期的延长,窖池内的溶氧、pH值等条件发生较大变化,不利于好氧性酵母的生长。本研究共分离到4个属5个种的29株酵母菌,除P. manshurica外,其他菌株在发酵前21 d的酒醅中都有分布。酵母属只分离到S. cerevisiae 1个种,但在发酵3、6、9、21、27 d的窖池中部、窖池壁及发酵 15 d的窖池壁酒醅中都分离出了S. cerevisiae,在分离酵母菌株中数量最多,因此,Saccharomyces为优势属, S. cerevisiae为优势种。
杨建刚等[32]从泸州老窖不同发酵周期的酒醅中分离到130株酵母菌,共有9个属15个种,其中在发酵0~12 d,均分离到S. cerevisiae和N. castellii,且这2种菌均为优势菌种;谭壹等[34]以五粮液发酵旺盛期酒醅为研究对象,通过高通量测序和纯培养对其中的酵母菌进行分析,其中高通量测序检测出9个属11个种的酵母菌群,其中优势种为Kazachstnia exigua、S. cerevisiae、Kazachstania humilis和P. kudriavzevii;通过纯培养检测出57株4个种属的酵母菌,其中分离频率较高的为S. cerevisiae(22.8%)和 P. kudriavzevii(56.1%)。结合本研究结果,推测酿酒酵母在浓香型白酒酒醅中相对丰度较高。
本研究采用己酸乙酯和乳酸乙酯作为筛选碳源,溴甲酚紫为指示剂,当待检测菌株可在初筛培养基平板上生长且产生黄色变色圈,则说明这些菌株可产酯酶分解酯类。结果发现,菌株CL-13、CL-19、CL-21和CL-24在初筛平板上出现了变色圈。
采用质量损失法测定4株酵母菌菌株的发酵力。结果发现,当发酵3 d时,菌株CL-13、CL-19、CL-21和CL-24的发酵力分别为(0.322±0.021)、(1.105±0.043)、(0.849±0.047)g和(0.946±0.051)g,说明菌株CL-19的发酵力最好。
进一步采用GC法检测4株酵母菌菌株产已酸乙酯的能力。结果发现,菌株CL-13、CL-19、CL-21和CL-24发酵产己酸乙酯的质量浓度分别为(0.131±0.020)、(0.118±0.036)、(0.126±0.017)mg/mL 和(0.139±0.024)mg/mL,其中菌株CL-24产己酸乙酯的能力较强。综上,菌株CL-19、CL-21和CL-24为产酯能力较好的优良菌株,选定为后续研究的目标菌株。
2.4.1 生长曲线
由图3可知,菌株CL-19于发酵96 h时进入对数期,在发酵96~120 h为稳定期,发酵132 h时进入衰亡期,可能是随着培养基的消耗、pH值和溶氧的变化等菌体开始自溶。菌株CL-21于发酵108 h时进入对数期,稳定期维持时间约24 h,在发酵132 h时进入衰亡期。菌株CL-24与其他2株菌株相比生长较为缓慢,于发酵120 h时进入对数期,发酵120~144 h为稳定期,在发酵144 h时进入衰亡期。本实验中菌株的生产曲线是通过测定菌株在YEPD液体培养基中摇瓶培养的OD560 nm值,与窖池实际环境存在差异,但在摇瓶中的生长趋势可以反映出其生长速率,为优势菌株的监测和强化提供一定参考依据。
图3 3株产酯香酵母菌菌株的生长曲线
Fig.3 Growth curves of three ester aroma-producing yeast strains
2.4.2 NaCl耐受性
由表2可知,3株待测菌株均可在含5 g/100 mL NaCl的YEPD固体培养基上生长良好;在含10 g/100 mL NaCl的YEPD固体培养基平板上有一定差异,菌株CL21生长基本不受影响,随着盐含量的升高,菌株CL19和CL24的生长受到一定限制;菌株CL-21可在含15 g/100 mL NaCl的YEPD固体培养基平板上生长,说明该菌株对NaCl有较强的耐受性,具有较强的抵御高渗环境的能力。研究表明,酿酒酵母在高渗透压下,通过活化高渗透甘油应答蛋白1,从而激活下游转录因子Hot1p,转录因子Hot1p对其甘油合成及转运基因进行调节,最终通过增加胞内甘油的合成积累而抵御渗透压的增高[35]。酒醅成分复杂,发酵周期长,耐高渗的抗逆酵母菌株在窖池中的稳定增殖对酒醅的正常发酵具有重要意义。
表2 3株酵母菌菌株的NaCl耐受性
Table2 NaCl tolerance of the three yeast strains
NaCl质量浓度/(g/100 mL)菌种编号51015CL-19+++++-CL-21++++++++CL-24++++++-
注:++++.生长旺盛,+++.生长较好,++.生长缓慢,+.生长稀少,-.不生长。表3同。
2.4.3 乙醇耐受性
由表3可知,3株酵母菌菌株在乙醇体积分数为8%时均可旺盛生长,菌株CL-19和CL-21在乙醇体积分数为10%和12%时仍能较好生长,其中菌株CL-21在乙醇体积分数为16%时仍能生长,具有较高的乙醇耐受能力;而菌株CL-19和CL-24的生长则随着乙醇体积分数的增大而逐渐受到抑制,最高耐受乙醇体积分数分别为14%和12%。研究表明,大多数酵母菌可耐受体积分数5%~10%的乙醇,当乙醇体积分数高于细胞最大耐受体积分数时,菌株的发酵能力、发酵速度和产乙醇量下降,部分菌株在高乙醇胁迫下发生自溶死亡[36]。本研究中的3株酵母菌菌株均有较高的乙醇耐受性,可在浓香型白酒生产过程中保持较高活力。浓香型白酒酒醅在发酵中后期的乙醇体积分数一般保持在 5%~6%,乙醇是酒醅发酵的主要产物之一,部分作为发酵后期产酯的底物,部分作为原酒的主要成分直至 出窖[37]。
表3 3株酵母菌菌株的乙醇耐受性
Table3 Ethanol tolerance of the three yeast strains
乙醇体积分数/%菌株编号810121416CL-19++++++++++++-CL-21++++++++++++++CL-24++++++++-
2.4.4 最适生长温度
由表4可知,3株酵母菌在15~40 ℃的环境中均可以正常生长,当温度达到45 ℃时,酵母菌的生长受到严重抑制。菌株CL-19和CL-24的最适生长温度均为30 ℃;而菌株CL-21的最适生长温度可达到35 ℃,属于耐高温型酵母菌。张杰等[38]在宋河浓香型白酒为期60 d的发酵周期中对酒醅的发酵温度进行持续监测,当酒醅入窖第10天时温度达到最高,为30 ℃,在发酵中后期平缓降至23 ℃。本研究中的3株酵母菌在整个发酵周期的温度变化范围下均能旺盛生长,并进行底物转化和生成乙醇、酯类等代谢产物。
表4 3株酵母菌菌株的最适生长温度
Table4 Optimal growth temperatures of the three yeast strains
菌株OD560 nm编号15 ℃20 ℃25 ℃30 ℃35 ℃40 ℃45 ℃50 ℃CL-191.798±0.0341.799±0.0511.818±0.0271.917±0.0271.775±0.0481.712±0.0340.387±0.0450.283±0.064 CL-211.752±0.0261.745±0.0471.806±0.0561.818±0.0511.830±0.0531.740±0.0360.438±0.0610.273±0.058 CL-241.759±0.0191.758±0.0351.790±0.0381.820±0.0271.770±0.0411.775±0.0470.438±0.0540.268±0.037
2.4.5 最适生长pH值
由表5可知,3株酵母菌在pH 2~9之间均可正常生长,当 pH值为1或pH≥10时,都会抑制酵母菌的生长。菌株CL-19最适生长pH值为6;菌株CL-21的最适生长pH值为7;菌株CL-24的最适生长pH值为5。
表5 3株酵母菌菌株的最适生长pH值
Table5 Optimal growth pH of the three yeast strains
菌株OD560 nm编号pH 1pH 2pH 3pH 4pH 5pH 6pH 7pH 8pH 9pH 10pH 11pH 12 CL-190.329±0.0402.06±0.0142.077±0.0242.091±0.0572.090±0.0472.096±0.0192.090±0.0212.091±0.0272.089±0.0260.294±0.0470.105±0.0340.057±0.027 CL-210.329±0.0201.845±0.0351.844±0.0281.837±0.0241.869±0.0511.859±0.0271.899±0.0271.836±0.0341.835±0.0270.294±0.0260.105±0.0270.057±0.031 CL-240.329±0.0541.837±0.0241.868±0.0341.858±0.0191.957±0.0271.888±0.0351.841±0.0361.872±0.0381.930±0.0310.294±0.0290.105±0.0170.057±0.040
采用GC-MS对菌株CL-19、CL-21和CL-24发酵产物进行检测。由表6可知,从3株产酯香酵母菌株发酵产物中共检出14种酯类物质,共有的酯类物质有4种,分别为乙酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸异戊酯、正己酸乙酯。这4种酯类物质在菌株CL-19、CL-21和CL-24所产酯类物质含量中占比分别为97.9%、89.65%、75.92%。其中,菌株CL-19所产主要酯类物质种类(11种)和相对含量(45.64%)最多;菌株CL-21所产主要酯类物质种类和相对含量分别为8种、4.83%;菌株CL-24所产主要酯类物质种类和相对含量分别为8种、6.52%。总体来看,菌株CL-19具有很好的产酯香能力,可作为产酯香的优势菌株。
表6 3株酵母菌菌株所产主要酯类物质GC-MS分析结果
Table6 GC‑MS analysis results of major ester compounds produced by the three yeast strains
酯类物质相对含量/%菌株CL-19菌株CL-21菌株CL-24乙酸乙酯42.182.322.47辛酸乙酯1.631.281.72乙酸异戊酯0.610.410.41正己酸乙酯0.260.320.35癸酸乙酯0.40/0.23碳酸乙烯基酯0.14/0.05丙酸乙酯0.13//甲基丙-1-基碳酸酯0.100.07/丁酸乙酯0.10/0.99异氰酸异丁酯0.05//异丁酸乙酯0.04//碳酸乙烯基乙酯/0.15/异丙基碳酸甲酯/0.15/乙烯基苯基碳酸酯/0.130.30总计45.644.836.52
注:/.未检出。
采用传统培养分离方法从宋河浓香型白酒酒醅中共分离得到29株酵母菌,经过形态观察及分子生物学鉴定,归属于4个属5个种,分别为卡斯泰利诺莫夫氏酵母(N. castellii)3株、发酵毕赤酵母(P. fermentans)9株、盔形毕赤酵母(P. manshurica)1株、鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxxii)3株和酿酒酵母 (S. cerevisiae)3株,分别占总菌株数的10.34%、31.03%、3.45%、10.34%和44.83%,其中Saccharomyces为优势菌属,S. cerevisiae为优势菌种。通过筛选得到 Z. rouxxii CL-19、S. cerevisiae CL-21和S. cerevisiae CL-24 3株优良产酯香酵母菌菌株,其中菌株CL-21的NaCl耐受性、乙醇耐受性和耐高温能力最强。3株酵母菌所产酯类含量高且共有的酯类分别为乙酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸异戊酯和正己酸乙酯,这4种酯类分别占菌株CL-19、CL-21和CL-24所产酯类总含量的97.9%、89.65%、75.92%。菌株CL-19的产酯种类(11种)和相对含量(45.64%)最高,具有较强的产酯香能力。
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Isolation, Identification and Ester-Aroma Producing Characteristics of Culturable Yeasts from Fermented Grains of Henan Songhe Strong-Flavor Baijiu
CHENG Shuang, GAO Fang, LIU Bingbing, et al. Isolation, identification and ester-aroma producing characteristics of culturable yeasts from fermented grains of Henan Songhe strong-flavor Baijiu[J]. China Brewing, 2026, 45(5): 40-47. (in Chinese with English abstract)DOI: 10.11882/j.issn.0254-5071.2026.05.006. http://www.chinabrewing.net.cn