山西老陈醋中优良酵母菌株筛选及其在木枣果酒发酵中的应用

邢晓莹1,刘 毅2,霍乃蕊3,武晓英1*

(1.太原师范学院生物系,山西太原 030619;2.山西农业大学园艺学院(山西省农科院园艺研究所),山西晋中 030031;3.山西农业大学动物科技学院,山西晋中 030801)

摘 要:采用纯培养技术从山西老陈醋的酒醪中分离、筛选产酯能力较强的酵母菌,通过形态观察、生理生化试验及分子生物学技术对其进行菌种鉴定,并对其环境耐受性进行分析。将该菌株应用于木枣果酒的发酵,并通过单因素及响应面试验对其酿造工艺进行优化。结果表明,分离筛选得到一株产酯能力较强的酵母菌Y14,总酯含量为(38.52±0.19)g/L,经鉴定为毛榛毕赤酵母(Pichia manshurica)。毛榛毕赤酵母Y14能够耐受乙醇体积分数8%、pH 2.5~4.5、高温39 ℃、糖度35°Bx及SO2200 mg/L,其酿制木枣果酒的最优工艺为料液比1∶3(g∶mL),顺序接种6%的毛榛毕赤酵母Y14和0.5%的酿酒酵母,在28 ℃环境中发酵7 d。成品枣酒的颜色呈琥珀色,酒精度为(10.5±0.12)%vol,总酯含量为(1.68±0.02)g/100 mL,枣香、酒香愉悦和谐,滋味可口。

关键词:木枣;酵母菌;果酒;响应面法

枣(Ziziphus jujuba Mill.)为鼠李科枣属植物[1],落叶灌木或小乔木,原产于中国,已有3 000多年的栽培历史[2]。木枣为枣的一个品种,主要分布于陕晋黄河沿岸的夹谷地带[3]。其中,吕梁地区是我省木枣的主要栽培区,种植面积约13.33×104 hm2,占全省红枣种植面积的40%;年产量约3×108 kg,约占全省红枣产量的60%[4]。枣果实不仅味道甘甜、营养丰富,同时也是补中益气、养血安神的常用中药,其果实中除了含有较多的矿元素和多种维生素外,还含有丰富的氨基酸、黄酮类化合物、酚类化合物、环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、多糖类(水溶性的中性多糖、酸性多糖)等功能性物质,具有清除自由基、延缓衰老的功效,提高机体细胞的免疫活性和抗补体等生理活性。

果酒是以新鲜水果(葡萄、苹果、梨、山楂、柿子等)或果品加工下脚料为主要原料,利用微生物发酵技术酿制的一种营养丰富、风味优良的酒精饮料,酒精度通常在15%vol以下[5]。果酒不仅保留了各类水果中原有的营养成分,在发酵过程中还能生成多种新的功能性成分(如阿洛糖、阿洛酮糖等)[6-10],兼具营养和保健功能。与白酒和啤酒相比,果酒的果香浓郁、色泽鲜艳,消费市场前景广阔。吕梁的木枣在丰收之年,常会面临着产品滞销、销售价格低、入不敷出等问题,大量的木枣甚至无人采摘而烂在了地里,严重影响了枣农种植、管理木枣的积极性。木枣鲜果中的含糖量在40%以上,干果中的含糖量达85%左右[11],如能将其酿制成果酒或果醋,不仅能充分利用木枣资源,解决果品产能过剩、损伤及残次果滞销等问题,还能提高水果附加值及利用率,增加农民收入,辐射周边经济发展及提高企业收入,均具有重要意义。

山西老陈醋是我国传统的谷物酿造醋,其发酵过程中含有丰富的微生物资源,主要酿造微生物除醋酸菌外,还有乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌和霉菌等。参与发酵的酿造微生物经过长期的高温、高酒精度和高酸驯化,分离得到功能菌种,具有耐受性好、致病率低等特点。基于此,本研究采用风味导向的方法,从山西老陈醋酒醪中筛选产酯能力强的功能酵母菌,结合形态观察、生理生化试验及26S rDNA基因序列分析技术对菌株进行鉴定。通过研究目标菌株的生物学特性(环境耐受性)及其在枣果酒发酵过程中的实际产酯效果,探究该菌株的商业价值,为枣酒的纯种发酵或强化发酵提供优质的菌种资源。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料及菌株

酒醪(发酵3 d、5 d、15 d的酒醪):山西老陈醋集团有限公司;安琪生香活性干酵母(多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha))Y24、安琪果酒专用酵母(Saccharomyces cerevisiae):安琪酵母股份有限公司;木枣:产自吕梁地区。

1.1.2 培养基

孟加拉红筛选培养基[12]:蛋白胨0.5%,葡萄糖1%,磷酸二氢钾0.1%,硫酸镁0.05%,琼脂1.5%,孟加拉红0.003 3%,氯霉素0.01%,pH自然,121 ℃灭菌15 min。

产酯发酵液[13]:葡萄糖8%,酵母膏1%,蛋白胨2%,pH 4.5±0.2,121 ℃灭菌15 min。

酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)液体培养基[13]:蛋白胨2%,葡萄糖2%,酵母浸粉1%,pH 6.5±0.2,121 ℃灭菌15 min。固体培养基中添加1.5%的琼脂粉。

麦芽汁液体培养基[14]:氯霉素0.01%,麦芽膏粉13%,pH 6.0±0.2,121 ℃灭菌15 min。固体培养基中添加1.5%的琼脂粉。

1.1.3 主要试剂

酵母基因组脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)抽提试剂盒:生工生物工程(上海)股份有限公司;孟加拉红培养基、氢氧化钠、无水葡萄糖、浓盐酸、氯化钠、酵母浸粉、蛋白胨、琼脂、无水乙醇、偏重亚硫酸钾、抗坏血酸:北京索莱宝科技有限公司;LALLZYME HC果胶酶(20 000 U/g):法国LAFFORT公司;所用试剂均为生化试剂或分析纯。

1.2 仪器与设备

DL-CJ-1ND型无菌超净工作台:北京东联哈尔滨仪器设备有限公司;LS-35LJ型立式压力蒸汽灭菌锅:江阴滨江医疗设备有限公司;ZQPL-200型立式恒温振荡培养箱:天津莱玻特瑞设备有限公司;DyNA-Quant-200型荧光计:通用电气医疗集团生命科学部;UVP凝胶成像系统:上海书俊仪器设备有限公司;5424R高速冷冻离心机:德国Eppendorf公司;7500聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪:美国ABI公司;CX41型生物显微镜:日本奥林巴斯公司。

1.3 试验方法

1.3.1 酵母菌的分离

参照文献[15]采用传统纯培养方法进行分离。

1.3.2 产酯酵母菌的筛选

将保存在斜面上的菌株接种于YPD液体培养基中,28℃、130 r/min条件下活化培养24 h。按2%接种量将活化后的菌株(107 CFU/mL)接种于产酯发酵液中,28 ℃静置培养7 d,按国标GB 19777—2005《原产地域产品山西老陈醋》附录C中的方法测定发酵液中的总酯含量[16],试验重复3次。

1.3.3 产酯酵母菌的鉴定

形态观察:将筛选菌株划线接种于麦芽汁琼脂培养基,28 ℃培养48 h,观察单菌落特征,记录菌落的形状大小、菌落颜色、表面情况(粗糙或光滑、有无光泽)、隆起程度、边缘情况等[14]。将筛选菌株接种于麦芽汁液体培养基中,28 ℃培养3 d,通过光学显微镜观测其细胞形态(大小、形状、菌丝等,×400倍)[17]

生理生化试验[18-19]:对其进行糖发酵试验、碳源同化试验和氮源同化试验。

分子生物学鉴定[20]:采用酵母基因组DNA抽提试剂盒提取筛选菌株的基因组,以其为模板,采用引物NL1和NL4对菌株的26S rDNA D1/D2区域基因序列进行PCR扩增,PCR扩增产物经1%琼脂糖凝胶检测合格后委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行测序。将测序结果提交至美国国立生物技术信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)的GenBank数据库中采用基本局部比对搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)检索,选取同源性较高的模式菌株的26S rDNA D1/D2基因序列,采用MEGA 7.0生物学软件中的邻接(neighbor-joining,NJ)法构建系统发育树,自展值1 000。

1.3.4 产酯酵母的环境耐受性分析[21-22]

以YPD液体培养基为基础,按2%接种量将活化后的菌液(107 CFU/mL)接种于相应培养基中,28 ℃培养3 d,采用紫外分光光度计测定发酵液在波长600 nm处的吸光度值。依次考察产酯酵母对乙醇体积分数(0、6%、8%、10%和12%)、培养温度(30 ℃、33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃、45 ℃)、pH(4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0)、糖度(10°Bx、15°Bx、20°Bx、25°Bx、30°Bx、35°Bx)及SO2添加量(100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L)的耐受能力。

1.3.5 木枣果酒酿造工艺

操作要点:称取无病虫害的、去核后的木枣5 kg,加入木枣质量3倍的水以及0.01%的偏重亚硫酸钾和0.1%的抗坏血酸组成的复合护色液打浆,80 ℃热处理10 min。冷却至室温后转入20 L的发酵罐中,加入果胶酶,酶制剂用量为果浆质量的0.01%,搅拌均匀,在25~30 ℃的条件下静置8~10 h。将蔗糖熔化成的糖浆煮沸杀菌后加入果浆中,调整初始糖度为15°Bx。先接种产酯酵母有氧发酵24 h,再接种安琪果酒专用酵母有氧发酵24 h,之后封口发酵7 d。发酵结束的果酒上清液经0.22 μm的滤芯除菌过滤,在60~70 ℃条件下加热15~20 min进行巴氏杀菌,最后静置陈酿一段时间,经检验合格进行无菌灌装,得到木枣果酒样品。

1.3.6 木枣果酒酿造工艺优化

(1)单因素试验

以总酯含量作为主要评价指标,固定基本条件为料液比1∶3(g∶mL),初始发酵糖度调整至15°Bx,顺序接种6%的产酯酵母和0.5%安琪果酒专用酵母,28 ℃酒精发酵7 d。每天取样检测发酵液的糖度、酒精含量和总酯含量。在此基础上,采用单因素轮换法,分别考察并确定出料液比(1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6(g∶mL))、发酵温度(24 ℃、26 ℃、28 ℃、30 ℃、32 ℃)、产酯酵母接种量(2%、4%、6%、8%、10%)和发酵时间(5 d、6 d、7 d、8 d、9 d)这4个因素的最佳水平。

(2)响应面试验

在单因素试验的基础上,选择料液比(A)、产酯酵母接种量(B)和发酵温度(C)3个影响较大的因素为自变量,以发酵结束时的酒精度(Y1)和总酯含量(Y2)为响应值,利用软件Design-Expert 8.0.6的Box-Behnken试验设计3因素3水平的响应面试验,因素与水平见表1。

表1 木枣果酒发酵工艺优化响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface experiments for fermentation process optimization of jujube fruit wine

1.3.7 酒精度的测定

采用蒸馏法[22]测定酒精度。

1.3.8 风味及口感的测定

选10名食品专业人员参照国标GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[23],分别对木枣果酒产品的风味及口感进行感官评价。

1.3.9 数据处理

采用MEGA 7.0生物学软件和Design Expert 8.0.6软件进行试验设计及数据分析。

2 结果与分析

2.1 酵母菌的分离

从孟加拉红筛选培养基上挑取具有明显酵母菌形态特征的菌落,经纯化后初步筛选出23株酵母,编号为Y1~Y23。

2.2 产酯酵母菌的筛选

以安琪生香活性干酵母Y24为对照,测定23株产酯酵母菌株的产酯能力,结果见图1。由图1可知,与对照菌株Y24相比,菌株Y2、Y5、Y8、Y14和Y18产酯能力较强。其中,菌株Y14的产酯能力最强,为(38.52±0.19)g/L,其次是菌株Y18[(36.04±0.28)g/L]和Y5[(35.32±0.32)g/L]。因此,选择菌株Y14为目标菌株。

图1 24株酵母菌株的总酯产量
Fig.1 Total ester production of 24 yeast strains

2.3 产酯酵母菌株Y14的鉴定

2.3.1 形态观察结果

菌株Y14的菌落及细胞形态见图2。由图2可知,菌株Y14在麦芽汁琼脂培养基上培养24 h,菌落呈圆形,浅白灰色,表面平滑,不反光,边缘整齐。在麦芽汁液体培养基中28 ℃培养3 d,细胞大小为(4.6~6.5)×(3.8~6.5)μm,呈卵形、球形,不产生假菌丝。

图2 菌株Y14的菌落(a)及细胞(b)形态
Fig.2 Colony (a) and cell (b) microphotographs of strain Y14

2.3.2 生理生化试验结果

菌株Y14的生理生化试验结果见表2。由表2可知,菌株Y14可以发酵或同化利用葡萄糖、D-甘露醇、琥珀酸、乳酸、甘油和KNO3,不能发酵或同化利用L-鼠李糖、可溶性淀粉、柠檬酸、肌醇、核糖醇和纤维二糖等。根据酵母菌的形态特征与生理生化特征,参照文献[19,24],初步鉴定菌株Y14为毕赤酵母属(Pichia sp.)。

表2 菌株Y14的生理生化试验结果
Table 2 Results of physiological and biochemical tests of strain Y14

注:“+”表示结果呈阳性;“-”表示结果呈阴性。

2.3.3 26S rDNA Dl/D2序列分析结果

菌株Y14的系统发育树见图3。由图3可知,菌株Y14与毛榛毕赤酵母(Pichia manshurica)聚于一支,亲缘关系最近。结合形态观察、生理生化试验结果,鉴定菌株Y14为毛榛毕赤酵母(Pichia manshurica)。现保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心(china general microbiological culture collection center,CGMCC),编号为2.5274。

图3 基于26S rDNA基因序列菌株Y14的系统发育树
Fig.3 Phylogenetic tree of strain Y14 based on 26S rDNA gene sequence

2.4 毛榛毕赤酵母Y14的环境耐受性分析

2.4.1 乙醇耐受性试验

乙醇是酵母菌的主要代谢产物,是酒精发酵阶段最重要的物质之一。发酵液中乙醇含量的积累也会对参与发酵的微生物产生一定的抑制和毒害作用,菌株的乙醇耐受力与乙醇产率密切相关,可以将其作为筛选高产乙醇酵母的一个参考依据[25]。菌株Y14对乙醇的耐受性见图4。由图4可知,随着乙醇体积分数的增大,菌株Y14的生长逐渐受到抑制。当乙醇体积分数在0~6%之间时,OD600nm值呈缓慢下降趋势,此时的乙醇体积分数对菌株Y14的正常生长影响较小;当乙醇体积分数达到8%时,OD600nm值降为0.68,表明菌株Y14的生长受到抑制,生长较缓慢;当乙醇体积分数>8%后,OD600nm值迅速降低,菌株Y14的生长受到严重抑制,基本不生长。因此,确定菌株Y14的最高耐受乙醇体积分数为8%。

图4 菌株Y14对乙醇的耐受性
Fig.4 Ethanol tolerance of strain Y14

2.4.2 pH耐受性试验

山西老陈醋是我国传统的谷物酿造醋,是自然富集的多菌种共同发酵的过程,含有丰富的微生物资源[26]。随着酒化时间的延长,酒醪的pH值逐渐降低,至发酵结束时,pH值由发酵初期的3.92降至3.22,这就要求参与发酵的微生物,必须具有一定的耐酸性。菌株Y14的pH耐受性试验结果见图5。

图5 菌株Y14的pH耐受性
Fig.5 pH tolerance of strain Y14

由图5可知,随着pH值的降低,菌株Y14的生物量呈先升高后降低的趋势,适宜菌株Y14生长的最佳pH值为3.5。当pH值在3.5~4.5之间时,OD600nm值呈逐渐上升趋势,且在pH 3.5时达到峰值(OD600nm值1.08),表明该pH值范围适合菌体的生长;当pH值在2.5~3.5之间时,OD600nm值开始降低,表明菌株Y14的生长受到抑制,生长较缓慢;当pH值在2.0~2.5之间时,OD600nm值迅速降低,菌株Y14的生长受到严重抑制,基本不生长。因此,确定菌株Y14的最佳培养pH值为3.5,可以耐受的pH值为2.5~4.5。

2.4.3 温度耐受性试验

酵母菌生长温度在20~40 ℃之间,是典型的嗜温型生物[27]。菌株Y14的温度耐受性结果见图6。由图6可知,当温度在28~30 ℃时,菌株Y14的OD600nm值基本保持平稳,该温度区间适合菌株Y14的生长繁殖;当温度在30~39 ℃时,OD600nm值呈持续下降趋势,表明菌株Y14的生长受到了影响,菌株的繁殖能力随温度的升高明显减弱;当温度超过42 ℃后,菌体的生长繁殖基本停止,推测可能是高温破坏酵母细胞膜,造成细胞损伤,影响细胞生长和代谢[28-29]。因此,确定菌株Y14的最高耐受温度为39 ℃。

图6 菌株Y14对温度的耐受性
Fig.6 Temperature tolerance of strain Y14

2.4.4 糖度耐受性试验

水果中的糖以葡萄糖、果糖、蔗糖为主,酵母菌可利用这些糖类供自身生长繁殖,同时进行酒精发酵产生乙醇[5]。在一定范围内,酵母的发酵能力随着糖浓度的增大而增强。但是,过高浓度的糖会对酵母菌的生长产生抑制作用,同时,高渗透压也会造成酵母细胞的水分流失,致使其活性降低[29]。菌株Y14的糖度耐受性结果见图7。由图7可知,随着葡萄糖含量的升高,菌株Y14生物量先升高后降低,当发酵液的糖度<30°Bx时,不会对其产生负影响,说明菌株Y14对葡萄糖的耐受性较好。果酒酒精发酵时的初始糖浓度一般<25°Bx(按葡萄糖计)[30-32],而山西老陈醋糖化阶段的还原糖含量通常<20°Bx[12],菌株Y14能够发挥正常功能。因此,菌株Y14的最适发酵糖度为30°Bx,可以耐受35°Bx的糖度。

图7 菌株Y14对糖的耐受性
Fig.7 Glucose tolerance of strain Y14

2.4.5 SO2耐受性试验

果酒发酵前期通常需加入适量的SO2,达到防止杂菌污染、抗氧化以及护色等目的,但较高浓度的SO2对发酵主体微生物也有一定的抑制作用[33]。菌株Y14对SO2的耐受性见图8。由图8可知,菌株Y14的生长随着SO2质量浓度的升高逐渐受到不同程度的抑制。目标菌株在含有0~150 mg/L SO2的培养液中生长24 h后,OD600nm值略有下降,表明菌株Y14的生长繁殖基本不受影响;当SO2质量浓度为150~250 mg/L时,OD600nm值迅速降低,表明其生长受到较大程度的抑制;当SO2质量浓度>250 mg/L之后,生物量基本为0,表明其生长受到严重抑制。果酒发酵初期,为抑制或杀死其他杂菌,保证发酵的正常进行,通常会添加60~100 mg/L的SO2[34],菌株Y14在这个范围内基本不受影响,能够正常发挥其生理功能。因此,菌株Y14最高可以耐受质量浓度为200 mg/L的SO2

图8 菌株Y14对SO2的耐受性
Fig.8 SO2tolerance of strain Y14

2.5 毛榛毕赤酵母Y14在木枣果酒中的应用

2.5.1 料液比对木枣果酒发酵的影响

以总酯含量为主要评价指标,料液比对木枣果酒发酵的影响见表3。由表3可知,不同的料液比对木枣果酒酒精度、总酯含量及风味、口感的影响显著(P<0.05)。当料液比为1∶2(g∶mL)时,木枣果酒的酒精度最高,达11.2%vol,总酯含量为(1.22±0.01)g/100 mL,发酵液果香浓郁,口感偏苦涩;当料液比为1∶3(g∶mL)时,木枣果酒的酒精度为(10.6±0.16)%vol,总酯含量最高为(1.64±0.06)g/100 mL,有浓郁的枣香气和协调的酒香,酒体丰满,酸甜适口;当料液比为1∶4~1∶6(g∶mL)时,枣汁浓度降低,发酵而成的木枣果酒酒精度在6.8%vol~8.8%vol之间,总酯含量在(0.46~1.48)g/100mL之间,枣香、酒香较淡,酒质较粗糙。因此,确定最适料液比为1∶3(g∶mL)。

表3 料液比对木枣果酒发酵的影响
Table 3 Effect of material to liquid ratio on jujube fruit wine fermentation

注:不同小写字母表示对结果影响显著(P<0.05)。下同。

2.5.2 发酵温度对木枣果酒发酵的影响

以总酯含量为主要评价指标,发酵温度对木枣果酒发酵的影响见表4。

表4 不同发酵温度对木枣果酒发酵的影响
Table 4 Effect of different fermentation temperature on jujube fruit wine fermentation

低温更有利于产酯酵母发酵,从而提高果酒品质[35];但是温度过低也会影响酵母的繁殖和代谢速度。由表4可知,当发酵温度为24~26 ℃时,发酵液中的酒精含量偏低,为7.6%vol~8.9%vol,枣香浓郁,酒香较淡,口感偏甜;当发酵温度为28~32 ℃时,发酵液中的酒精含量为10.8%vol~11.2%vol,总酯含量为(1.42~1.68)g/100 mL,果香、酒香愉悦和谐,滋味可口,无苦味。26~28 ℃发酵条件下的总酯含量明显高于32 ℃发酵温度下的,推测可能是略低的发酵温度适合酯类物质的生成,当发酵温度高于28 ℃会导致产酯酵母的产酶活力降低,不利于产酯酵母代谢,果酒品质也相应降低[35-36]。因此,确定最适发酵温度为28 ℃。

2.5.3 毛榛毕赤酵母Y14接种量对木枣果酒发酵的影响

以总酯含量为主要评价指标,毛榛毕赤酵母Y14接种量对木枣果酒发酵的影响见表5。

表5 不同毛榛毕赤酵母Y14接种量对木枣果酒发酵的影响
Table 5 Effect of different Pichia manshurica inoculum on jujube fruit wine fermentation

由表5可知,P.manshurica Y14接种量过低,发酵启动慢,24 h后接种的安琪果酒专用酵母快速繁殖成为优势菌,会对P.manshurica Y14的生长繁殖产生竞争性的抑制作用,发酵液中也会积累大量的酒精,抑制了P.manshurica Y14的繁殖及代谢,不利于提高发酵液中的总酯含量。当P.manshurica Y14接种量为6%~8%时,木枣果酒的酒精度为10.0%vol~10.2%vol,总酯含量为(1.64~1.68)g/100 mL,果香、酒香愉悦和谐,口感较好。继续加大P.manshurica Y14的接种量,一方面酵母快速繁殖消耗了大量的营养物质,酒体含糖量降低;另一方面可能会导致发酵液中溶氧不足,进而对酵母菌的生长繁殖产生抑制作用,不利于香气物质的形成,导致口感变差。因此,确定最适P.manshurica Y14的接种量为6%。

2.5.4 发酵时间对木枣果酒发酵的影响

以总酯含量为主要评价指标,发酵时间对木枣果酒发酵的影响见表6。

表6 不同发酵时间对木枣果酒发酵的影响
Table 6 Effect of different fermentation time on jujube fruit wine fermentation

由表6可知,不同发酵时间对木枣果酒酒精度的影响不大。当发酵时间为5~6 d时,木枣果酒中的果香和酒香较淡,酒味略重,口感较差,推测可能是果酒中的酯类、有机酸、多糖、氨基酸等风味物质尚未完全生成,发酵不彻底所致[37];当发酵时间为7 d时,木枣果酒中的总酯含量为1.62 g/100 mL,果香和酒香逐渐协调一致,酒体丰满,酸甜可口,同时果酒的酒度达到最大值11.0%vol;随着发酵时间的继续延长(9 d),木枣果酒的酒精度略有所降低,此时应结束发酵。因此,确定最适发酵时间为7 d。同时,考虑到发酵时间对木枣果酒酒精度的影响并不明显,故而在响应面试验中发酵时间不作为考察因子进行考虑。

2.5.5 木枣果酒发酵工艺优化响应面试验

(1)回归模型的建立及方差分析

响应面试验设计及结果见表7,方差分析见表8。

采用软件Design-Expert 8.0.6对表7的数据进行回归拟合,得到二次回归方程为:

由表8回归方程的方差分析结果可知,两个模型均极显著(P<0.01),且失拟项均不显著(P=0.29/0.055>0.05),说明此两个模型是可靠的;变异系数(coefficient of variation,CV)=2.09%/9.38%,较小,说明试验操作可信;酒精度和总酯含量的校正决定系数R2Adj=0.948 5/0.900 0,表明94.85%/90.00%的响应值变化是由所选变量引起的,决定系数R2=0.977 5/0.956 2与R2Adj较接近,说明模型拟合程度较好,误差较小,采用响应曲面法优化建立的木枣果酒发酵工艺回归方程(模型)是有效的。

表7 木枣果酒发酵工艺优化响应面试验设计及结果
Table 7 Design and results of response surface experiments for jujube fruit wine fermentation process optimization

表8 响应面试验结果的方差分析
Table 8 Variance analysis of response surface experiments results

注:“*”表示对结果影响显著(P<0.05);“**”表示对结果影响极显著(P<0.01);“ns”表示对结果影响不显著(P>0.05)。下同。

以酒精度为响应值时,一次项AB和二次项A2C2对结果影响极显著(P<0.01),交互项ABACBC影响显著(P<0.05),由F检验可以得到因子贡献率为ABC;以总酯含量为响应值时,一次项AC和二次项A2B2影响极显著(P<0.01),一次项B影响显著(P<0.05),由F检验可以得到因子贡献率为ACB

(2)响应曲面分析

3个因素对指标影响的响应面结果见图9。由图9可直观地看出料液比、P.manshurica Y14接种量和发酵温度的交互作用对酒精含量(Y1)和总酯含量(Y2)的影响程度。响应面的陡峭程度,表示两个因素之间的交互作用是否明显。在Y1模型中ABACBC交互作用显著,等高线呈现椭圆形,存在极值,曲面较为陡峭,交互作用显著;在Y2模型中,ABACBC交互作用不显著,与表8中的方差分析结果一致。

图9 料液比、接种量和发酵温度交互作用对酒精度(a)及总酯含量(b)影响的响应曲面及等高线
Fig.9 Response surface plots and contour lines for effects of interaction between material-liquid ratio,inoculum and fermentation temperature on alcohol content (a) and total ester content (b)

(3)验证试验

以总酯含量为主要评价指标,通过回归拟合方程2得到的木枣果酒最优发酵条件为料液比1.0∶2.8(g∶mL),毛榛毕赤酵母接种量6.2%,发酵温度28.3 ℃,预测的总酯含量为1.67 g/100 mL,酒精度为10.8%vol。实际发酵中为操作方便调整为料液比1∶3(g∶mL),顺序接种毛榛毕赤酵母Y14 6%、安琪果酒专用酵母0.5%,发酵温度28 ℃,发酵周期7 d,在优化得出的最佳条件下做3次平行验证试验,获得木枣果酒的总酯含量为(1.68±0.02)g/100 mL,酒精度为(10.5±0.12)%vol,与理论预测值接近。成品果酒的颜色呈琥珀色,枣香、酒香浓郁清新,酒体丰满醇厚,酸甜可口。因此,经响应面法优化所得的最佳发酵工艺参数准确可靠,模型合理可靠,具有实际应用价值。

3 结论

采用纯培养技术从山西老陈醋酒醪中共分离到23株酵母菌,通过产酯性能测试,初筛出1株产酯能力最强的菌株Y14,总酯产量为(38.52±0.19)g/L,通过形态观察、生理生化试验及分子生物学技术鉴定其为毛榛毕赤酵母(Pichia manshurica)。菌株Y14的环境耐受性分析结果表明,菌株Y14可在乙醇体积分数8%、pH值2.5~4.5、糖度35 °Bx、SO2200 mg/L和最高温度不超过39 ℃的环境中生存。将P.manshurica Y14应用于木枣果酒发酵,在单因素试验的基础上采用响应面分析,获得木枣果酒的最适发酵工艺为料液比1∶3(g∶mL),P.manshurica Y14和安琪果酒专用酵母的顺序接种量分别为6%和0.5%,发酵温度28 ℃,周期7 d。制成的木枣果酒酒精度为(10.5±0.12)%vol,总酯含量为(1.68±0.02)g/100 mL,有明显的枣香气,浓郁清新,酒体丰满醇厚,酸甜可口。

参考文献:

[1]刘孟军.枣属植物分类学研究进展[J].园艺学报,1999,26(5):302-308.

[2]张立华,王丹,宫文哲,等.枣核木醋液化学成分分析及其抑菌活性[J].食品科学,2016,37(14):123-127.

[3]李玲,闫旭宇,张昊,等.基于高通量测序的木枣鲜食枣果成熟过程转录组分析[J].分子植物育种,2020,18(13):4213-4221.

[4]杨飞.山西吕梁市红枣产业发展现状与问题探讨[J].山西林业科技,2017,46(1):49-51.

[5]张倩茹,殷龙龙,尹蓉,等.果酒主要成分及其功能性研究进展[J].食品与机械,2020,36(4):226-230,236.

[6]DUARTE W F,DIAS D R,OLIVEIRA J M,et al.Characterization of different fruit wines made from cacao,cupuassu,gabiroba,jaboticaba and umbu[J].LWT-Food Sci Technol,2010,43(10):1564-1572.

[7]赵驰,朱永清,董玲,等.李子果酒主发酵过程中理化指标及挥发性成分变化分析[J].中国酿造,2019,38(9):65-68.

[8]信思悦,唐玲,盛怀宇,等.陈酿方式对无花果果酒理化特性及体外抗氧化性的影响[J].食品与发酵工业,2019,45(5):121-126.

[9]YANG H,HUA J L,WANG C.Anti-oxidation and anti-aging activity of polysaccharide from Malus micromalus Makino fruit wine[J]. Int J Biol Macromol,2019,121:1203-1212.

[10]黄佳.猕猴桃酒发酵及陈酿过程中多酚及多糖的变化规律[D].杨陵:西北农林科技大学,2016.

[11]牛林茹,李涛,冯俊敏,等.7种大品类红枣中可溶性糖含量及组成成分分析[J].山西农业科学,2015,43(1):10-13.

[12]李江涌.山西老陈醋主要工艺参数的分析研究[D].晋中:山西农业大学,2017.

[13]李锐利.高产乙酸乙酯酵母的选育及在清香型小曲酒中的应用研究[D].武汉:湖北工业大学,2011.

[14]王媛慧.山西老陈醋大曲中优良酵母菌的分离鉴定及发酵应用研究[D].晋中:山西农业大学,2014.

[15]贾丽艳,田宇敏,荆旭,等.清香风味导向的酿酒酵母Y2的分离鉴定及生物学特性研究[J].中国食品学报,2020,20(1):230-236.

[16]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 19777—2005原产地域产品山西老陈醋[S].北京:中国标准出版社,2005.

[17]XINGX Y,WANG Y H,HUO N R,et al. Candida ethanolica strain Y18 enhances aroma of Shanxi aged-vinegar[J].Food Sci Technol Res,2018,24(6):1069-1081.

[18]郝林.食品微生物学实验技术[M].北京:中国农业出版社,2001(6):144-146.

[19]LODDER J.The Yeasts.A taxonomic study,2nd[M].Amsterdam&London:North Holland Publishers,2011:34-113.

[20]王琛.白酒酒醅中酵母菌的分离鉴定及特性研究[D].雅安:四川农业大学,2013.

[21]祝霞,王璐璐,赵丹丹,等.甘肃河西走廊葡萄酒产区本土酒酒球菌发酵耐受性分析[J].食品科学,2020,41(18):159-164.

[22]邢爽,王亚平,郭学武,等.发酵条件对5种产酯酵母酒精发酵和产酯的影响[J].中国酿造,2018,37(2):24-28.

[23]中国人民共和国国家质量监督检验总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 15038—2006葡萄酒果酒通用分析方法[S].北京:中国标准出版社,2006.

[24]BARNETT J A.胡瑞卿译.酵母菌的特征与鉴定手册[M].青岛:青岛海洋大学出版社,1991.

[25]贺家明,赵样颖,陈苏萍.酵母耐乙醇性状及提高其乙醇耐性的途径[J].酿酒科技,2000(2):84.

[26]邢晓莹.基于山西老陈醋优良菌株在山楂醋酿造中的应用[D].晋中:山西农业大学,2019.

[27]ARTHUR H,WATSON K.Thermal adaptation in yeast:growth temperatures,membrane lipid,and cytochrome composition of psychrophilic,mesophilic,and thermophilic yeasts[J].J Bacteriol,1976,128:56-68.

[28]陈丽花,任丽霞,李东娜,等.甜酒曲中优质酵母菌的分离鉴定及其产香特性分析[J].食品科学:1-13[2021-03-17].

[29]赵美琳,诸葛斌,陆信曜,等.工业酵母抗逆机理研究进展[J].微生物学通报,2019,46(5):188-197.

[30]陈桂飞,刘艳秋.猕猴桃苹果梨复合果酒发酵特性的研究[J].中国酿造,2020,39(3):198-201.

[31]陈小玲.蓝莓果酒酵母筛选及发酵工艺优化的研究[D].汉中:陕西理工大学,2018.

[32]于斌,陈娟,张世鹏,等.沙果果酒发酵工艺优化及抗氧化活性的研究[J].中国酿造,2020,39(1):142-145.

[33]张丽娜,孙玉梅,曹方,等.不同SO2添加量的草莓发酵微生物种群及理化特性动态测定[J].大连工业大学学报,2012,31(2):98-102.

[34]蒲鹏飞.非酿酒酵母与酿酒酵母的相互作用及其对海红果酒品质的影响[D].西安:陕西科技大学,2018.

[35]CONTRERAS A,HIDALGO C,HENSCHKE P A,et al.Evaluation of non-Saccharomyces yeasts for the reduction of alcohol content in wine[J].Appl Environ Microbiol,2014,80(5):1670.

[36]邢爽,王亚平,郭学武,等.发酵条件对5种产酯酵母酒精发酵和产酯的影响[J].中国酿造,2018,37(2):24-28.

[37]尚远宏,田金凤.响应面法优化芒果蜂蜜果酒发酵工艺的研究[J].中国酿造,2019,38(12):183-188.

Screening of excellent yeast strains in Shanxi-aged vinegar and their application in jujube wine fermentation

XING Xiaoying1,LIU Yi2,HUO Nairui3,WU Xiaoying1*
(1.Department of Biology,Taiyuan Normal University,Taiyuan 030619,China;2.College of Horticulture,Shanxi Agricultural University(Horticulture Research Institute,Shanxi Academy of Agricultural),Jinzhong 030031,China;3.College of Animal Science,Shanxi Agricultural University,Jinzhong 030801,China)

Abstract:The yeast with strong ester-producing ability was isolated and screened from the mash of Shanxi aged vinegar with culture-dependent technique.Through morphological observation,physiological and biochemical tests and molecular biology techniques,the strains were identified,and their environmental resistant was analyzed.Then the strain was applied to the fermentation of jujube fruit wine,and its brewing process was optimized through single factor and response surface tests.The results showed that a strain of yeast Y14 with strong ester-producing ability was isolated and screened,with a total ester production of(38.52±0.19)g/L,and it was identified as Pichia manshurica.It could tolerate 8%ethanol,pH 2.5-4.5,temperature 39 ℃,sugar content 35°Bx and SO2200 mg/L.The optimal process for brewing jujube fruit wine was as follows:material to liquid ratio 1∶3(g∶ml),P.manshurica inoculum 6% and Saccharomyces cerevisiae 0.5%in order,fermentation at 28 ℃for 7 d.The color of the jujube wine was amber,the alcohol content was(10.5±0.12)%vol,and the total ester was(1.68±0.02)g/100 ml.The jujube wine had pleasant and harmonious jujube and wine aroma with nice taste.

Key words:jujube;yeast;fruit wine;response surface methodology

中图分类号:TS264.2

文章编号:0254-5071(2021)03-0064-09

doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2021.03.012

引文格式:邢晓莹,刘毅,霍乃蕊,等.山西老陈醋中优良酵母菌株筛选及其在木枣果酒发酵中的应用[J].中国酿造,2021,40(3):64-72.

收稿日期:2020-08-17

修回日期:2020-11-06

基金项目:2020年度山西省高等学校科技创新项目(2020L0527);太原师范学院博士启动项目;山西省重点研发项目(2015-TN-10)

作者简介:邢晓莹(1988-),女,讲师,博士,研究方向为食品发酵、果品贮藏和加工。

*通讯作者:武晓英(1973-),女,副教授,博士,研究方向为动物生殖生理调控。