木枣(Zizyphus jujuba Mill.),别名吕梁木枣,为大枣的一种,主要分布于山西、陕西交界的黄河沿岸地区,年产2.5亿kg以上[1]。木枣缺乏单宁等多酚类物质,不如葡萄、苹果等拥有浓郁的果香,所以酿造的酒无特色,酒体滞重,缺乏酒香。目前的枣酒企业通常利用商业酵母,生产的枣酒普遍存在残糖较高,特征香味不明显、缺少风味等共性问题,问题的出现与发酵菌种有重要关系。酵母是果酒发酵的原动力,酵母菌种的发酵性能直接影响所酿果酒的口感和风味[2],特色果酒专用酵母的筛选、鉴定与培育是果酒产业发展中的核心问题[3]。香气是酒类品质的重要的评价指标之一,由于产香酵母在果酒发酵中,对枣酒的风味及成分有着重要影响,其代谢及发酵作用在很大程度上影响果酒的复杂性[4-6]。
低醇果酒乙醇体积分数为1%~7%,且口感柔和,风味优于普通果酒,可减少高酒精度对身体健康的危害,逐渐成为果酒研究的重要趋势。产香酵母的代谢特征是产乙醇低,正适于发酵低醇果酒,所以筛选产香酵母,对开发低醇枣酒产品有实际意义[7-9]。近年已有产香酵母发酵低醇果酒的研究[10-13]。目前野生红枣酵母分离筛选的研究较少,权英等[14-17]分离筛选过野生红枣酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),鲜见野生红枣产香酵母分离筛选的研究报道。
本研究首先从自然发酵木枣中分离、筛选产香特性好的酵母,然后根据枣酒酿造要求,筛选出适宜的产香酵母并应用于枣酒发酵,测定枣酒的理化和感官指标进行评价,最后采取分子生物学方法对酵母进行鉴定。有益于解决枣酒生产存在的共性问题,为酿造出香气丰满纯正、特征香气明显,独具特色的地域性酒种提供理论参考。
1.1.1 菌株与试剂
酿酒酵母:安琪酵母股份有限公司;葡萄糖、乙醇(均为分析纯):天津市科密欧化学试剂有限公司;蛋白胨、酵母浸粉(均为生化试剂):北京奥博星生物技术有限公司;聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)引物:上海派森诺生物科技有限公司;D4030A型脱氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphates,dNTP)、DRR20AM型Taq聚合酶:日本TaKaRa Bio株式会社;琼脂糖:上海生工生物工程股份有限公司。
1.1.2 培养基
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose medium,YEPD)液体培养基:葡萄糖2%、蛋白胨2%、酵母浸粉1%,自然pH值,115 ℃高压蒸汽灭菌30 min;YEPD固体培养基:在YEPD液体培养基中添加2%琼脂粉。
YXQ-SG46-280S型压力蒸汽灭菌锅、SPX-100B-Z型生物培养箱、THZ-82型气浴恒温振荡器:上海博讯实业有限公司医疗设备厂;Nikon Eclipess E100型生物显微镜:日本尼康株式会社;Neofuge 13R型台式高速冷冻离心机:上海力申科学仪器有限公司;ABI-2720型PCR仪:美国AppliedBiosystems公司;Nano Drop 2000型ND2000:美国Thermo公司;Mini Pro 300V Power Supply型电泳仪:major science公司;Labnet Sub System 70型电泳槽:美国Labnet Inc公司;ABI 3730XL型测序仪:美国Applied Biosystems公司;6890N-5975B型气相色谱-质谱联用仪:美国Agilent公司;100 μL PDMS 萃取纤维头的固相微萃取针:美国Supelco公司。
1.3.1 产香酵母菌的分离
于山西木枣种植园采集新鲜木枣样品,整枣用纯净水清洗后,加纯净水自然发酵,分别于发酵前期、中期、后期取发酵液用于酵母菌分离[18]。发酵液经梯度稀释后,取0.2 mL涂布于YEPD培养基平板,于28 ℃培养48 h,对具有典型酵母菌落特征的单菌落进一步划线分离,经镜检为纯种后分别移种单菌落于YEPD斜面上,冷藏备用。
1.3.2 产香酵母的筛选
一级筛选:产香酵母筛选方法参考刘文丽等[19]采用嗅闻法,即将产香酵母菌种转接斜面培养24 h后,将斜面置于鼻孔下方,嗅闻挥发香气,评价指标为香气的有无和浓淡等产香效果。
二级筛选:采用枣汁发酵法,评价指标为酒精度和香气特征。菌株活化:28 ℃条件下于YEPD培养基中振荡培养16 h;发酵:28 ℃在200 mL 20°Bx枣汁中发酵5~35 d;菌液浓度为107~108 CFU/mL,接种量体积分数为4%。试验平行重复3次。
1.3.3 产香酵母发酵枣酒试验
菌株活化:菌株先在含有20°Bx枣汁的试管中28 ℃振荡培养16 h,然后转入含有20°Bx枣汁的三角瓶中继续扩大培养16 h。发酵:28 ℃在350 mL 20°Bx枣汁中发酵5~35 d;菌液浓度为107~108CFU/mL,接种量总体积分数为4%。试验平行重复3次。分别采用纯种发酵与混菌发酵的方式:(1)将筛选的产香酵母单独发酵枣汁。(2)将筛选的产香酵母与商业酿酒酵母按1∶1,进行顺序接菌,即先接入产香酵母,发酵2 d后再接入酿酒酵母发酵枣汁。发酵完成后,对酒样进行理化分析和感官品评。对照为商业酿酒酵母发酵的枣汁。
1.3.4 枣酒理化指标测定及感官评定
酒精度、总糖、总酸等理化指标的检测参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》[20]。感官品评:参照GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》中葡萄酒感官评定要求,制定枣酒感官评定标准,见表1。
表1 枣酒感官评定标准
Table 1 Sensory evaluation standards of jujube wine
1.3.5 酵母香气成分的测定[21]
酵母香气成分的测定采用顶空固相微萃取(headspacesolid phase microextraction,HS-SPME)-气相色谱-质谱法(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)。前处理方法:称取适量样品置于顶空瓶中,加3 mL饱和NaCl溶液密封,于80 ℃条件下平衡30 min,用固相微萃取针萃取30 min,待萃取结束后,萃取针在进样口解吸5 min。
GC-MS分析条件:HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25μm);分流比:不分流;载气流速:1.0mL/min;进样口温度:240 ℃;扫描方式:全扫描;离子源温度:230 ℃;四级杆温度:180 ℃。升温程序:起始温度:45 ℃,保持4 min,以6 ℃/min的速率升至130℃,再以10℃/min的速率升至240℃,保持8min。
定性、定量方法:采集到的质谱图利用美国国家生物技术信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)谱库进行检索,定性鉴定样品中的挥发性成分,并利用峰面积归一化法分析各成分的相对含量。
1.3.6 真菌ITS测序鉴定产香酵母
根据真菌基因组脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)抽提试剂盒说明书提取酵母菌的DNA,以其为模板,采用引物26sF(5'-GCATATCGGTAAGCGGAGGAAAAG-3')和26sR(5'-GGTCCGTGTTTCAAGACGG-3')进行PCR扩增。PCR扩增体系:1.0 μL基因组DNA,5.0 μL 10×Buffer,1.0 μLTaq聚合酶,1.0 μL dNTP,1.5 μL 26sF引物,1.5 μL 26sR引物,39.0 μL双蒸水(ddH2O),总体积50.0 μL[22]。PCR扩增条件:95 ℃预变性5 min;95 ℃变性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸90 s,循环35次;72 ℃终延伸7 min。反应完成后,取3 μL PCR 产物进行1%琼脂糖凝胶电泳检测。取各个菌种纯化后的PCR产物,使用测序仪ABI3730-XL进行DNA测序。用美国国家生物技术信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)的基本局部比对搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)将拼接后的序列文件进行同源性比对,得到与待测物种序列相似性最大的物种信息,采用MEGA6.0软件中的邻接(neighbor-joining,NJ)法构建系统发育树。
酵母群的种类与地理气候条件有关,每年都有微小的变化[23]。本试验从木枣发酵液中共分离出232株产香酵母菌株,编号为Z1~Z232,依据菌株菌落和细胞形态学特征,将菌株分为3类。产香酵母菌株的分离结果见表2,菌落形态和细胞形态见图1。
表2 产香酵母菌株的分离结果
Table 2 Isolation results of aroma-producing yeast strains
图1 三类产香酵母菌菌株的菌落(a)和细胞形态(b)
Fig.1 Colonial (a) and cell (b) morphology of three aroma-producing yeast strains
由表2及图1可知,分离的232个菌株属于三类不同的产香酵母,它们在菌落、细胞形态学特征及出芽方式上不同。
对保存的232株产香酵母菌株通过嗅闻斜面香气,鉴别菌株有无产香现象并比较香气的浓淡,结果如表3所示。
表3 产香酵母菌株产香试验结果
Table 3 Results of aroma-producing tests of aroma-producing yeast strains
由表3可知,产香效果较好的菌株有18株,菌株产香,香气较浓的菌株有11株,香气较淡的有7株,将这18株菌株进行二级筛选试验。
对18株产香酵母菌株进行枣汁发酵试验,结果如表4所示。
表4 产香酵母菌株发酵枣汁结果
Table 4 Results of jujube juice fermentation by aroma-producing yeast strains
注:“-”表示未发酵。
产香酵母通过对枣汁发酵,产香特征较好的酵母菌株有Z1、Z2、Z5、Z12、Z29、Z228,其中产香特性最好的是菌株Z228。菌株Z188和Z191因在发酵枣汁时不产气,没有香味仅有酸味,未能完成发酵。发酵样品的酒精度均在4%vol~7%vol之间,不同样品酒精度相差不大,但是菌株Z228发酵枣酒香气较浓,所以筛选菌株Z228进行枣酒发酵试验。
将产香酵母Z228单独或与酿酒酵母(1∶1)协同发酵枣汁,对照为商业酿酒酵母发酵的枣汁。发酵完成后测定枣汁发酵液理化指标同时进行感官品评,结果如表5、表6所示。
表5 不同菌种发酵枣汁理化指标测定结果
Table 5 Determination results of physical and chemical indexes of fermented jujube juice by different strains
表6 不同菌种发酵枣汁感官评定结果
Table 6 Sensory evaluation results of fermented jujube juice by different strains
酿酒酵母起酵快,但发酵稳定性差,持续时间短,5 d后即中止发酵,会导致枣酒残糖较高。产香酵母起酵慢,但发酵稳定,持续时间长,至少30 d后中止发酵,能充分发酵枣汁,并且能为枣酒提供丰富的香味成分。由表5及表6可知,酿酒酵母单独发酵枣汁,酒精度较高,为10.2%vol,残糖偏高,为9.7 g/L,香气较淡,口感、风格一般;产香酵母单独发酵枣汁,酒精度低,为6.2%vol,残糖高达75.3 g/L,营养成分多,酸度低,为1.6 g/L,香气浓,花香,口感略甜,柔和,酸苦味淡,风格明显,符合低醇果酒要求;产香酵母与酿酒酵母协同发酵枣汁,酒精度提高到13.3%vol,残糖降到5.6%vol,花香清香明显、协调,酒体丰满,苦味得以淡化。结果表明,协同发酵既能提高枣酒酒精度,降低残糖,又使枣酒拥有更加复杂的花香与果香气,原有苦味减弱,产品特色风格明显。产香酵母发酵时产酒精能力弱,但可消耗一部分糖,混菌发酵能明显提高酒样中花香和果香[24-26]。产香酵母产总酸比酿酒酵母和混菌发酵低,具备一定的降酸能力,这与刘小雨等[27]的实验结果一致。
菌株Z228和对照酿酒酵母发酵枣汁的挥发性成分GC-MS分析总离子流色谱图见图2,香气成分及含量分别见表7、表8。
图2 菌株Z228(A)及酿酒酵母(B)发酵枣汁中香气成分GC-MS分析总离子流色谱图
Fig.2 Total ions chromatogram of aroma components in fermented jujube juice by strain Z228 (A) and Saccharomyces cerevisiae(B) analysis by GC-MS
表7 菌株Z228发酵枣汁中香气成分测定结果
Table 7 Determination results aroma components in fermented jujube juice by strain Z228
续表
表8 酿酒酵母发酵枣汁中香气成分测定结果
Table 8 Determination results of aroma components in fermented jujube juice by Saccharomyces cerevisiae
续表
由表7、表8可见,菌株Z228发酵枣汁中共测得46种主要香气成分:香气成分主要为醇类、酸类和酚类,主要为异戊醇(15.64%)、6-羟基烟酸(6.75%)、苯乙醇(2.47%),异戊醇(2.26%),4-乙基苯酚(1.10%)、4-乙基-2-甲氧基-苯酚(1.10%)等。其中乙醇含量极高,酯类含量很低,这和一般产酯较高的产香酵母不同。乙醇具有特殊香味,是合成乙酯的前体;6-羟基烟酸具有协调香气作用;苯乙醇具有柔和、愉快和持久的玫瑰香气,异戊醇具有苹果白兰地香气,苯乙醇、异戊醇等高级醇还能衬托酯香,使酒香更完美;4-乙基苯酚呈强烈木-酚气息,有轻微香甜气息;4-乙基-2-甲氧基-苯酚呈强烈香辛料、丁香和发酵似香气,有炒花生气息。
对照酿酒酵母发酵枣汁中共测得33种主要香气成分:辛酸乙酯(20.45%)、异戊醇(15.64%)、癸酸乙酯(15.41%)、乙酸-3-甲基丁酯(9.38%)、乙醇(9.11%)、己酸乙酯(7.95%)、乙酸乙酯(2.72%)、月桂酸乙酯(2.34%)、乙醛缩二乙醇(2.17%)、2-(氨基氧基)乙酸(1.82%)、苯乙醇(1.11%)、2,3-丁二醇(1.04%)等。香气成分主要为高级醇类、酸类和酯类,其中酯类含量较高。菌株Z228和酿酒酵母发酵枣汁香气成分区别较大,二者协同发酵,达到优势互补,并且能有效利用酸类和醇类合成更多酯类,使酒体丰满,香气复杂而有层次感。
依据菌落和细胞形态学特征,产香酵母菌株Z228初步鉴定为第二类(见表2),采用真菌ITS测序方法将产香酵母进一步鉴定,结果见图3。由图3可知,通过比对和构建系统发育树结果表明,产香酵母菌株Z228与季也蒙毕赤酵母(Meyerozyma guilliermondii)的序列同源性最高,相似度达到99.65%。与季也蒙毕赤酵母的亲缘关系最近,所以鉴定菌株Z228为季也蒙毕赤酵母(Meyerozyma guilliermondii)。
图3 基于ITS基因序列酵母菌株Z228的系统发育树
Fig.3 Phylogenetic tree of yeast strain Z228 based on ITS gene sequences
山西木枣种植园采集的木枣经自然发酵,从不同时期共分离出三类共232株产香酵母菌株,一级筛选采用嗅闻法筛选出产香效果较好的菌株有18株,二级筛选采用枣汁发酵法筛选出产香特性最好的菌株Z228,测定了菌株香气成分。将产香酵母Z228单独或与酿酒酵母协同发酵枣汁,结果表明产香酵母单独发酵枣汁,酒精度低,残糖高,酸度低,香气浓;协同发酵既能提高酒精度,降低残糖,又能使产品拥有更加复杂的花香与果香气味,原有苦味减弱,产品极具风味特色。最后通过分子生物学鉴定菌株Z228为季也蒙毕赤酵母(Meyerozyma guilliermondii)。
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Screening and application of aroma-producing yeast strains from jujube