冰葡萄酒俗称冰酒,指在气温低于-7 ℃条件下,葡萄经过自然冷冻、采摘、压榨、浓缩后酿造的葡萄酒[1-2]。其酒色如金,具有花香、柑橘和蜂蜜等类香气,口感圆润,久有余香[3-4],但在冰酒的生产过程中存在挥发酸(volatile acid,VA)含量高的问题,国际和加拿大的法律规范允许冰酒中最高VA含量为1.3 g/L[1],我国国标GB/T 25504—2010《冰葡萄酒》要求冰酒中VA含量≤2.1 g/L。乙酸是葡萄酒中挥发酸的主要组成成分[5],对葡萄酒风味具有不良影响。多数冰酒的挥发酸超标,影响冰酒的香气,破坏冰酒的质量。
冰葡萄汁经冷冻浓缩后含糖量和含酸量高,致使在冰酒的酿造过程中,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)细胞失水收缩,生长和糖代谢速率变缓。甘油可防止水流出,对酵母具有保护作用,所以在高渗透压环境下,酵母激活高渗甘油(high osmolarity glycerol,HOG)途径,高产甘油[6]。而酵母为维持体内的氧化还原平衡,会合成更多的挥发酸[7],降低冰酒的香气,对酒的质量存在负面影响[8]。有研究表明,菌株、发酵温度[9]及培养基[10]等因素都会影响挥发酸的产量,但酵母菌种对冰酒挥发酸含量的影响最大[11]。因此,选育低产挥发酸的酿酒酵母具有重要应用推广价值。CORDENTE A G等[12]获得一株低产乙酸的YAP1突变菌株;何娟等[13]对冰酒中分离的酵母菌进行基因分型,为筛选本土优良冰酒酵母打下基础。但在冰酒中应用的酿酒酵母的选育研究尚鲜有报道。因此,选育低产挥发酸的酿酒酵母对冰酒的酿造具有重要意义。
常压室温等离子体(atmospheric and room temperature plasma,ARTP)诱变技术具有突变率高、突变遗传较稳定、操作简便等优点[14],广泛应用于微生物育种[15-16]。因此,本研究以发酵性能优良却高产挥发酸的酿酒酵母NX4为原始菌株,采用ARTP诱变技术选育低产挥发酸酿酒酵母,并对其遗传稳定性及耐受性进行分析。同时,应用该突变菌株酿造冰葡萄酒,对其理化指标、感官品质及挥发性风味物质进行分析,以期获得具有推广价值的优良酿酒酵母菌株。
1.1.1 菌株
酿酒酵母NX4:从宁夏广夏三基地赤霞珠自然发酵过程中分离,保存于西北农林科技大学葡萄酒学院;商业菌株F15:法国LAFFORT公司。
1.1.2 试剂
葡萄糖、果糖、2-脱氧葡萄糖(2-deoxyglucose,2-DG)、2,4-二硝基苯酚(2,4-dinitrophenol,2,4-DNP)、3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,3,5-DNS)、2,3,5-三苯基氯化四氮唑(2,3,5-triphenyl-2H-tetrazolium chloride,TTC)(分析纯):北京索莱宝科技有限公司;K-GCROLGK甘油检测试剂盒:爱尔兰Megazyme公司。
1.1.3 培养基
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YEPD)培养基:酵母浸粉1%,葡萄糖2%,蛋白胨2%,121 ℃灭菌20 min。固体培养基加琼脂2%。
2-DG培养基[17]:酵母浸粉1%,蛋白胨2%,葡萄糖8%,2-DG 0.015%,琼脂2%。
2,4-DNP培养基[18]:葡萄糖2%,无氨基酸酵母氮源(yeast nitrogen base without amino acids,YNB)0.67%,2,4-DNP 0.002 2%,琼脂2%。
TTC培养基[19]下层:酵母浸粉1%,蛋白胨2%,葡萄糖2%,琼脂2%;上层:TTC 0.05%,葡萄糖0.5%,琼脂1.5%,115 ℃灭菌30 min。
冰酒模拟汁[1]:葡萄糖200 g/L,果糖200 g/L,L-苹果酸4.5 g/L,柠檬酸0.3 g/L,酒石酸4.5 g/L,硫酸铵2 g/L,YNB(不含硫酸铵)1.7 g/L,Tween 80 1 mL/L,油酸5 mg/L,pH值3.2,0.22 μm滤膜过滤除菌。
威代尔冰葡萄汁:总糖含量350.2 g/L,总酸(以酒石酸计)含量15.7 g/L,pH值2.9。添加250 mg/L(NH4)2SO4补充氮源,同时加250 μL/L二氨基二环己基甲烷灭菌,静置过夜。
MANDELA ARTP诱变仪:北京艾德豪克国际技术有限公司;LC-10ATVP液相色谱仪:日本岛津公司;SBA-40E生物传感分析仪:山东省科学院生物研究所;QP2010Plus气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)仪:日本岛津公司。
1.3.1 常温室压等离子体诱变
将菌株NX4接种于YEPD固体培养基上,30 ℃条件下培养2 d。挑取单菌落于YEPD液体培养基中,30 ℃培养16 h。用无菌生理盐水将培养至对数期的酿酒酵母NX4制备成菌悬液(1×107 CFU/mL),分别在ARTP仪下诱变处理0、5 s、15 s、20 s、40 s、60 s、80 s、100 s、120 s后,稀释涂布于YEPD固体培养基上,30 ℃条件下培养2 d。对平板进行菌落计数,以未处理为对照计算致死率,获得致死曲线,进而确定最佳诱变处理时间。
1.3.2 低产挥发酸突变菌株的筛选
平板初筛:诱变后的菌悬液稀释涂布于2-DG、2,4-DNP和TTC培养基平板,30 ℃条件下培养2 d,挑取2-DG、2,4-DNP培养基平板上的大菌落和TTC培养基平板上的白色菌落,保存。
冰酒模拟汁发酵复筛:将初筛获得的突变菌株接种于10 mL冰酒模拟汁中,接种量5×105 CFU/mL,于20 ℃、100 r/mim条件下培养10 d,采用高效液相离子排阻色谱法测定乙酸含量。将初筛获得的突变菌株接种于300 mL冰酒模拟汁中,20 ℃条件下发酵,当酒精度达到9%vol~14%vol时,测定发酵液的基本理化指标(挥发酸含量、残糖量、总酸含量、酒精度)。
1.3.3 遗传稳定性的测定
将最终筛选得到的突变菌株进行传代培养,取5代和10代菌体接种于冰酒模拟汁中,20 ℃条件下发酵20 d,测定挥发酸含量。
1.3.4 耐受性的测定
将最终筛选得到的突变菌株分别接种于含不同酒精度(12%vol、14%vol、16%vol、18%vol)、SO2(400 mg/L、500 mg/L、600 mg/L)、葡萄糖(300 g/L、400 g/L、500 g/L)的YEPD培养基,接种量为5×106 CFU/mL,25 ℃静置培养,每隔4 h观察产气,发酵3 d后测定OD600nm值,考察突变菌株的酒精、SO2及糖耐受性。将最终筛选得到的突变菌株接种于YEPD培养基,接种量为5×106 CFU/mL,于20 ℃、14 ℃、8 ℃和4 ℃条件下恒温静置培养,每隔4 h观察产气,发酵3 d后测定OD600nm值,考察菌株的低温耐受性。
1.3.5 威代尔冰葡萄汁发酵
将复筛获得的突变菌株、原始菌株NX4及商业菌株F5分别接种于800 mL威代尔冰葡萄汁中,接种量5×105 CFU/mL,18 ℃静置发酵。当酒精度达到9%vol~14%vol时,添加SO2至终质量浓度为50 mg/L,4 ℃终止发酵,测定冰葡萄酒的基本理化指标。4 ℃陈酿6个月后测定挥发性风味物质,并对其进行感官评价。
1.3.6 测定方法
乙酸含量[20]:采用高效液相离子排阻色谱法进行测定。残糖、总酸和挥发酸含量:参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》进行测定,总酸以酒石酸计,挥发酸以醋酸计。酒精度:采用生物传感分析仪测定。甘油:参照文献[21]的方法测定。
感官评分:选取15名经过培训的品尝员,参照GB15037—2006《葡萄酒》从外观、香气、口感、品质4方面对冰葡萄酒进行感官评分,满分100分。
挥发性物质:采用搅拌棒萃取法提取发酵液中的香气物质,采用GC-MS方法测定,具体方法参照文献[22]。
酿酒酵母NX4经ARTP诱变处理后的致死曲线见图1。由图1可知,当诱变时间为65 s时,致死率为92.73%,在85%~95%之间,因此,确定最佳诱变处理时间为65 s。
图1 常温室压等离子体诱变后酿酒酵母NX4的致死率曲线
Fig.1 Lethal rate curve of Saccharomyces cerevisiae NX4 induced by atmospheric and room temperature plasma
诱变后的酿酒酵母NX4在2-DG培养基、2,4-DNP培养基和TTC培养基的生长情况见图2,挑选2-DG培养基、2,4-DNP培养基平板上的大菌落和TTC平板上的白色菌落共260株保存。
图2 常温室压等离子体诱变后酿酒酵母NX4在2-DG(a)、2,4-DNP(b)和TTC平板(c)上的菌落形态
Fig.2 Colony morphology of Saccharomyces cerevisiae NX4 induced by atmospheric and room temperature plasma on 2-DG (a),2,4-DNP (b) and TTC plate (c)
初筛得到的突变菌株经10 mL冰酒模拟汁发酵后,从中筛选出9株低产乙酸的突变菌株,分别为菌株T2-5、T2-20、T2-30、T2-42、T3-38、T3-47、2DG136、DNP2-72 和T3-10,其乙酸产量见表1。由表1可知,突变菌株的乙酸产量为2.20~2.45 g/L,较原始菌株NX4(2.90 g/L)降低15.52%~25.5%。
9株筛选菌株经过300 mL冰酒模拟汁发酵后,测定发酵液的基本理化指标,结果见表2。由表2可知,突变菌株T2-5的挥发酸产量最低,为2.40 g/L,较原始菌株NX4降低23.1%。与原始菌株NX4相比,其总酸含量降低9.4%,酒精度和残糖量无显著差异(P<0.05)。因此,选择突变菌株T2-5为目标菌株进行进一步研究。
表1 低产乙酸突变菌株的筛选结果
Table 1 Screening results of low-yield acetic acid mutant strains
表2 冰酒模拟汁发酵样的基本理化指标
Table 2 Basic physical and chemical indexes of ice wine simulation juice fermentation samples
注:不同小写字母表示原始菌株NX4差异显著(P<0.05)。下同。
突变菌株T2-5经连续传代培养后,选取传代5次和10次的菌株发酵冰酒模拟汁,测定挥发酸含量,结果见图3。
图3 突变菌株T2-5的遗传稳定性
Fig.3 Genetic stability of mutant strain T2-5
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。
由图3可知,突变菌株T2-5传代5次和10次后挥发酸产量无显著差异(P>0.05)。结果表明,突变菌株T2-5具有良好的遗传稳定性。
突变菌株T2-5的酒精、SO2、糖和温度耐受性测定结果见表3及图4。由表3及图4可知,原始菌株NX4的酒精耐受性显著高于突变菌株T2-5(P<0.05),SO2耐受性无明显差异(P>0.05)。突变菌株T2-5在糖含量为300 g/L时,菌体量显著高于原始菌株NX4(P<0.05);而在糖含量为400 g/L和500 g/L时,菌体量较原始菌株NX4低,但产气较快,表明其具有较好的糖耐受性。突变菌株T2-5在低温耐受性上弱于原始菌株NX4,但差异不显著(P>0.05)。结果表明,突变菌株T2-5具有较低的酒精耐受性,利于冰酒发酵到适宜酒精度后发酵终止,其所具有的高糖耐受性,有利于顺利启动冰酒发酵。
表3 以产气特征为评价指标突变菌株T2-5的耐受性
Table 3 Tolerance of mutant strain T2-5 using gas production characteristic as evaluation index
注:“+++”表示产气情况好,“++”表示产气情况良好,“+”表示产气少。
图4 以OD600nm值为评价指标突变菌株T2-5的酒精(A)、二氧化硫(B)、糖浓度(C)和温度(D)耐受性
Fig.4 Alcohol (A),SO2(B),sugar content (C) and temperature (D) tolerance of mutant strain T2-5 using OD600nmvalue as evaluation index
2.5.1 冰葡萄酒的基本理化指标
分别采用突变菌株T2-5、原始菌株NX4及商业菌株F15发酵威代尔冰葡萄汁制备冰葡萄酒,测定冰葡萄酒的基本理化指标,结果见表4。由表4可知,与原始菌株NX4相比,突变菌株T2-5发酵的冰葡萄酒的挥发酸含量降低26.4%,其他指标均无显著差异(P>0.05)。与商业菌株F15相比,基本理化指标均无显著差异(P>0.05)。
表4 冰葡萄酒的基本理化指标
Table 4 Basic physical and chemical indexes of ice wine
2.5.2 冰葡萄酒的感官评价
冰葡萄酒陈酿6个月后,选取15位感官品尝员对其进行感官评价,结果见表5。由表5可知,突变菌株T2-5发酵的冰葡萄酒呈浅金黄色,澄清;香气浓郁度中等,具有典型的花香、蜂蜜、蜜桃、柠檬、甜瓜等热带水果香气,淡淡的饼干味,香气持久;口感适中平衡,品质好。其感官评分最高,为77.14分,优于其他两个冰葡萄酒样。
表5 冰葡萄酒的感官评分
Table 5 Sensory evaluation score of ice wine
2.5.3 冰葡萄酒中挥发性物质的测定
冰葡萄酒中挥发性物质的测定结果见表6。由表6可知,从3种冰葡萄酒共检出29种挥发性物质,包括高级醇类、酯类、酸类、萜烯类和醛酮类等物质。
与菌株F15酿造冰葡萄酒相比,菌株T2-5酿造冰葡萄酒检出的香气种类较多。菌株T2-5酿造冰葡萄酒具有更多的乙酸己酯、棕榈酸乙酯、辛酸、壬酸、肉豆蔻酸等酸类以及萜烯类和醛酮类香气物质。
与菌株NX4酿造冰葡萄酒相比,菌株T2-5酿造冰葡萄酒的甜果类香气略高,高级醇类、酯类香气物质的含量略低,但差异不大,主要包括异戊醇、乙酸异戊酯、乙酸己酯、乙酸庚酯、己酸乙酯、庚酸乙酯等香气物质,使得菌株T2-5酿造冰葡萄酒在菠萝、香蕉、玫瑰花等香气上浓郁度略降低,这与感官品尝结果一致。在酸类香气上,菌株T2-5酿造冰葡萄酒明显低于菌株NX4酿造,主要包括辛酸、壬酸、癸酸、9-癸烯酸等香气物质。菌株T2-5酿造冰酒具有更为优雅的淡淡的奶油香气,出现酸败、粗糙不适的香气缺陷风险很小。同时菌株T2-5酿造冰酒具有更高浓度的1-辛烯-3-醇、苯乙醇、玫瑰醚、十一醛等香气物质,弥补玫瑰类、具有更浓郁的薰衣草等清甜类的花香。
表6 冰葡萄酒中挥发性风味物质的测定结果
Table 6 Determination results of volatile flavor compounds in ice wine
续表
注:标有“*”的香气化合物含量的单位为mg/L。
酿酒酵母NX4经ARTP诱变后,利用平板初筛、冰酒模拟汁发酵复筛获得一株低产挥发酸的突变菌株T2-5,其具有良好的遗传稳定性,更高的糖耐受性和更低的酒精耐受性,利于在冰酒中应用。与原始菌株NX4相比,利用该突变菌株酿造的冰酒挥发酸含量降低26.4%,感官评分较高(77.14分),香气浓郁度有所降低,但持久性增强,具有典型的花香、蜂蜜、蜜桃、柠檬、甜瓜等果香,口感更丰富圆润,品质有所提高。其中高级醇类、酯类物质浓度略低,酸类明显降低,同时,具有更高浓度的1-辛烯-3-醇、苯乙醇、玫瑰醚、十一醛等香气物质。
[1]ERASMUS D J,CLIFF M,VUUREN H J.Impact of yeast strain on the production of acetic acid,glycerol,and the sensory attributes of ice wine[J].Am J Enol Viticult,2004,55(4):371-378.
[2]黄卫东,李景明,王秀芹.冰葡萄酒生产及其在我国的发展[J].农产品加工(学刊),2005(z2):56-61.
[3]李志江,刘彬,戴凌燕,等.冰酒的研究现状与发展趋势[J].酿酒,2006,33(4):48-50.
[4]CLIFF M,YUKSEL D,GIRARD B,et al.Characterization of Canadian ice wines by sensory and compositional analyses[J].Am J Enol Viticult,2002,53(1):46-53.
[5]VILELA-MOURA A,SCHULLER D,MENDES-FAIA A,et al.The impact of acetate metabolism on yeast fermentative performance and wine quality:reduction of volatile acidity of grape musts and wines[J].Appl Microbiol Biot,2011,89(2):271-280.
[6]HOHMANN S.Control of high osmolarity signalling in the yeast Saccharomyces cerevisiae[J].FEBS Lett,2009,583(24):4025-4029.
[7]MICHNICK S,ROUSTAN J L,REMIZE F,et al.Modulation of glycerol and ethanol yields during alcoholic fermentation in Saccharomyces cerevisiae strains overexpressed or disrupted for GPD1 encoding glycerol 3-phosphate dehydrogenase[J].Yeast,1997,13(9):783-793.
[8]CLIFF M A,PICKERING G J.Determination of odour detection thresholds for acetic acid and ethyl acetate in ice wine[J].J Wine Res,2006,17(1):45-52.
[9]TORIJA M J,BELTRAN G,NOVO M,et al.Effects of fermentation temperature and Saccharomyces species on the cell fatty acid composition and presence of volatile compounds in wine[J].Int J Food Microbiol,2003,85(1-2):127-136.
[10]BELTRAN G,NOVO M,GUILLAMON J M,et al.Effect of fermentation temperature and culture media on the yeast lipid composition and wine volatile compounds[J].Int J Food Microbiol,2008,121(2):169-177.
[11]裴广仁,李记明,于英,等.冰葡萄酒中高含量挥发酸的影响因素分析[J].食品与发酵工业,2014,40(3):58-62.
[12]CORDENTE A G,CORDERO-BUESO G,PRETORIUS I S,et al.Novel wine yeast with mutations in YAP1 that produce less acetic acid during fermentation[J].FEMS Yeast Res,2013,13(1):62-73.
[13]何娟,曹培鑫,黄英子,等.贵人香冰酒大生产过程中酵母菌群结构及动态变化[J].中国酿造,2014,33(5):30-33.
[14]祁田甜,张婵,胡济美,等.常压室温等离子体诱变技术选育高产Monacolin K 紫色红曲霉突变株[J].食品科学,2015,36(9):66-70.
[15]李慧芝,康振,李江华,等.常压室温等离子体诱变扭脱甲基杆菌AM1高产吡咯喹啉醌[J].生物工程学报,2016,32(8):1145-1149.
[16]张雪,张晓菲,王立言,等.常压室温等离子体生物诱变育种及其应用研究进展[J].化工学报,2014,65(7):2676-2684.
[17]MIZUNO A,TABEI H,IWAHUTI M.Characterization of low-acetic-acidproducing yeast isolated from 2-deoxyglucose-resistant mutants and its application to high-gravitybrewing[J].J Biosci Bioeng,2006,101(1):31-37.
[18]KOSUGI S,KIYOSHI K,OBA T,et al.Isolation of a high malic and low acetic acid-producing sake yeast Saccharomyces cerevisiae strain screened from respiratory inhibitor 2,4-dinitrophenol (DNP)-resistant strains[J].J Biosci Bioeng,2014,117(1):39-44.
[19]田殿梅,张良,卢中明,等.猕猴桃白兰地专用酵母菌的选育及鉴定[J].食品与发酵工业,2012,38(9):28-32.
[20]姚浔平,李小平,陈晓红,等.离子排阻色谱法测定啤酒和饮料中有机酸研究[J].中国卫生检验杂志,2008(5):801-803.
[21]江璐.酿酒酵母单倍体的分离及其发酵特性研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2014.
[22]王华,张莉,丁吉星,等.山葡萄‘北冰红’起泡葡萄酒研发与评价[J].食品与发酵工业,2015,41(7):93-98.
Mutation breeding of low-yield volatile acid Saccharomyces cerevisiae by atmospheric and room temperature plasma