張辰東,蔡國林,張 明,陸 健,*
(1.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122;2.江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122;3.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無錫214122;4.宿遷市江南大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,江蘇宿遷223800;5.江蘇省農(nóng)墾麥芽有限公司,江蘇射陽224300)
麥芽是生產(chǎn)啤酒的主要原料,麥芽質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響啤酒的生產(chǎn)效率和成品啤酒的質(zhì)量。我國幅員遼闊,東北、西北、江蘇等地都是大麥的適產(chǎn)區(qū),但是與此同時(shí),近十年以來,我國年均進(jìn)口啤酒大麥達(dá)170萬t,這主要是因?yàn)椴糠謬a(chǎn)大麥麥芽的質(zhì)量存在一些缺陷,不能滿足啤酒釀造的需要。
麥汁的即時(shí)濁度是指糖化結(jié)束、煮沸之前的濁度,以EBC濁度單位表示,是一項(xiàng)評(píng)價(jià)麥芽質(zhì)量的重要指標(biāo)。研究表明引起麥汁混濁的物質(zhì)主要有蛋白質(zhì)及β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖、糊精等糖類物質(zhì)。目前,認(rèn)為引起麥汁、啤酒混濁主要是由于富含脯氨酸的蛋白質(zhì)易與多酚交聯(lián)從而形成大分子混濁物質(zhì)[1],Siebert的模型描述了啤酒中混濁活性蛋白與混濁活性多酚的結(jié)合方式,并解釋了兩者的相對(duì)含量對(duì)混濁形成的影響[2]。而對(duì)多糖引起麥汁混濁的研究相對(duì)較少,Jin采用在麥汁中反添加不同分子量及濃度的β-葡聚糖的方式研究了β-葡聚糖對(duì)麥汁濁度的影響,并提出了模型來預(yù)測β-葡聚糖濃度及分子量與濁度的關(guān)系[3]。此外,大麥及麥芽表面微生物產(chǎn)生的胞外多糖及分泌蛋白等代謝產(chǎn)物,進(jìn)入麥汁后亦會(huì)使?jié)岫壬撸?-5]。我國從加拿大、澳大利亞進(jìn)口的大麥麥芽制備的麥汁通常清亮透明,而江蘇啤酒大麥麥芽生產(chǎn)的麥汁濁度較高,且多數(shù)伴隨著過濾性能差、粘度高等釀造缺陷。這些指標(biāo)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中并未體現(xiàn),因此,大型啤酒廠為了控制原料質(zhì)量,采購麥芽通常要求其協(xié)定麥汁濁度在5.5EBC以下,甚至5.0EBC以下。主要原因是擔(dān)心引起濁度過高的物質(zhì)可能會(huì)對(duì)啤酒生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響,這導(dǎo)致江蘇啤酒大麥麥芽在國內(nèi)啤酒行業(yè)中的使用比例受到了較大的限制。
單二是江蘇啤酒大麥典型品種,在江蘇啤酒大麥約50萬t的年產(chǎn)量中,單二品種占據(jù)了40%左右。因此,本文以單二啤酒大麥制備的麥芽為研究對(duì)象,采用色譜及質(zhì)譜等技術(shù),以定量的方式對(duì)協(xié)定麥汁混濁物質(zhì)中蛋白質(zhì)與糖類進(jìn)行了研究,確定引起麥汁即時(shí)濁度升高的物質(zhì)組成,以期為單二大麥乃至其它品種的改良指明方向,為提高江蘇啤酒麥芽質(zhì)量提供依據(jù)。
商品麥芽 單二麥芽 由江蘇省農(nóng)墾麥芽有限公司提供;Metcalfe麥芽 由中糧麥芽(江陰)有限公司提供。
丙烯酰胺、甲叉雙丙烯酰胺、十二烷基磺酸鈉、過硫酸銨、考馬斯亮藍(lán) G-250、考馬斯亮藍(lán) R-250等 均為上海生工進(jìn)口分裝產(chǎn)品;其他試劑 均為國產(chǎn)分析純產(chǎn)品。真菌α-淀粉酶(Fungamyl 800L)、中性蛋白酶(Neatrase 0.8L)為諾維信公司產(chǎn)品;β-葡聚糖酶 為裕立寶公司產(chǎn)品。
WGZ-2-PJ型濁度計(jì) 上海昕瑞儀器儀表有限公司;自動(dòng)糖化儀 輕工部西安輕機(jī)所光電公司;麥芽標(biāo)準(zhǔn)粉碎機(jī) 北京德之杰啤酒技術(shù)有限責(zé)任公司;H1850R臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;KjeItec2300凱氏定氮儀 瑞典FOSS分析儀器有限公司;Agilent 1100安捷倫液相色譜儀美國安捷倫公司;垂直電泳槽 美國Bio-Rad公司;UV-2100紫外分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;ICS-5000離子交換色譜儀 美國戴安公司;基質(zhì)輔助激光解析飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜 德國Bruker公司等。
1.2.1 麥汁濁度及常規(guī)指標(biāo)的測定 麥汁的制備參照文獻(xiàn)[6]采用協(xié)定糖化法。濁度的測定采用濁度計(jì),測定原理為90°角散射濁度法[7],測定在麥汁開始過濾后的30min內(nèi)完成。麥汁常規(guī)指標(biāo)的測定參照文獻(xiàn)[6]。
1.2.2 麥汁混濁物質(zhì)的收集 取過濾后的麥汁離心,12000r/min 離心(30min,4℃)后,棄去上清,沉淀物質(zhì)冷凍干燥。
1.2.3 混濁物質(zhì)的酶解 蛋白酶酶解,取一份協(xié)定麥汁(350mL)制備的混濁物質(zhì),加3mL蒸餾水及0.1mL蛋白酶,40℃水浴1h后,80℃水浴20min以滅活酶制劑。真菌淀粉酶和β-葡聚糖酶酶解,取一份協(xié)定麥汁(350mL)制備的混濁物質(zhì),加3mL蒸餾水及0.1mL真菌淀粉酶和0.1mL β-葡聚糖酶,40℃水浴1h后,80℃水浴20min以滅活酶制劑。
1.2.4 糖化過程添加酶制劑實(shí)驗(yàn) 蛋白酶添加實(shí)驗(yàn),在單二麥芽協(xié)定糖化起始階段添加0.1mL蛋白酶;真菌淀粉酶和β-葡聚糖酶添加實(shí)驗(yàn),在單二麥芽協(xié)定糖化起始階段添加0.1mL真菌淀粉酶和0.1mL β-葡聚糖酶。糖化結(jié)束后,測定麥汁濁度。
1.2.5 麥芽蛋白的提取 取細(xì)粉的麥芽粉0.1g,加1mL蒸餾水,60℃水浴提取1h,期間每隔15min混勻數(shù)次,離心取上清液,作為水溶蛋白(清蛋白);在沉淀中再添加5%(W/V)NaCl溶液1mL,重復(fù)提取過程,上清液為鹽溶蛋白(球蛋白);在沉淀中再添加70%乙醇溶液1mL,重復(fù)提取過程,離心取上清液,作為醇溶蛋白[8]。
1.2.6 蛋白質(zhì)含量的測定 取凍干后的沉淀物質(zhì),參照文獻(xiàn)[9]測定。
1.2.7 氨基酸組成分析 凍干物用6mol/L鹽酸在110℃真空條件下水解22h,水解液過濾、離心,用高效液相色譜法測定氨基酸含量[10]。
1.2.8 SDS-PAGE電泳 采用單向垂直電泳系統(tǒng),分離膠為12.5%丙烯酰胺,濃縮膠為5%。樣品為少量凍干沉淀物質(zhì)溶于8mol/L尿素(含有1%(W/V)SDS、1%(V/V)β-巰基乙醇)中。蛋白質(zhì)含量的測定采用 Bradford 法[11],A、B、C、D 泳道上樣量分別為10、15、15、20μL。
1.2.9 MALDI-TOF/TOF鑒定 切取SDS-PAGE電泳膠上的目標(biāo)條帶,經(jīng)過胰蛋白酶消化之后,通過飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜分析和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(NCBInr)檢索(http://www.matrixscience.com/)進(jìn)行蛋白質(zhì)鑒定。
1.2.10 總糖含量測定 將少量凍干樣品分散于蒸餾水中,采用苯酚-硫酸法測定總糖含量[12]。
1.2.11 總多酚含量測定 將少量凍干樣品分散于蒸餾水中,采用Folin-Ciocalteu法測定總多酚含量[13]。
1.2.12 高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測(HPAEC-PAD)分析多糖水解后單糖組成 多糖的水解采用 Krahl等人(2009)的方法[14],取少量凍干物質(zhì),加4mL蒸餾水和4mL 4mol/L HCl,于沸水浴中水解1h,冷卻至室溫后加4mL 4mol/L NaOH中和,離心,過0.45μm濾膜,用高效陰離子交換色譜分析單糖含量。色譜柱:CarboPac PA20;檢測器:脈沖安培檢測器;流動(dòng)相 A:水;流動(dòng)相 B:250mmol/L NaOH;流動(dòng)相 C:1mol/L NaAc;流速:0.5mL/min;梯度洗脫條件:0~21.1min,98.2%A、1.8%B;21.1~30min,93.2%A、1.8%B、5%C;30~30.1min,78.2%A、1.8%B、20%C;30.1~50min,20%A、80%B。
表1 不同品種麥芽常規(guī)指標(biāo)及協(xié)定麥汁濁度比較Table 1 Comparison of malt quality parameters and Congress wort turbidity between Daner and Metcalfe malt
表2 混濁物質(zhì)基本成分Table 2 Basic ingredient of the turbid substances
1.2.13 數(shù)據(jù)分析 所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均測定3次,取其平均值。運(yùn)用SPSS 11.5軟件進(jìn)行方差分析。
啤酒行業(yè)普遍采用協(xié)定麥汁指標(biāo)評(píng)價(jià)麥芽的品質(zhì)。單二與Metcalfe協(xié)定麥汁指標(biāo)如表1所示,可以看出Metcalfe麥芽的質(zhì)量明顯優(yōu)于單二麥芽,單二麥汁的濁度比 Metcalfe麥汁高 7.82EBC,粘度比Metcalfe麥汁高0.21mPa·s,而30min的過濾體積僅為130mL,不到Metcalfe麥汁的50%。在江蘇啤酒大麥麥芽中,協(xié)定麥汁即時(shí)濁度高、粘度大與過濾性能差通常同時(shí)出現(xiàn),而混濁物質(zhì)可能是導(dǎo)致濾層堵塞,引起過濾速度減慢的物質(zhì)基礎(chǔ),因此有必要對(duì)引起麥汁即時(shí)濁度升高的混濁物質(zhì)進(jìn)行解析。
通過離心收集單二麥汁的混濁物質(zhì),經(jīng)冷凍干燥后,對(duì)制備的混濁物質(zhì)的基本成分分析如表2所示,可以看出麥汁混濁物質(zhì)主要成分為多糖,其次為蛋白質(zhì)、多酚,三種物質(zhì)總量為98.87%。以往對(duì)于麥汁混濁物質(zhì)的研究,主要以顯微染色及反添加的方式定性描述,而本研究首次通過離心得到混濁物質(zhì),采用定量分析的方式,全面、真實(shí)地描述了麥汁混濁物質(zhì)。在江蘇麥芽麥汁中,陳繼超[15]通過反添加各種物質(zhì)的方式發(fā)現(xiàn)影響麥汁濁度的物質(zhì)主要為高分子和中分子蛋白,然而由于反添加物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及分子量與麥汁內(nèi)源性混濁物質(zhì)有差異,因此并不能真實(shí)地反映出麥汁混濁物質(zhì)的組成情況。
為進(jìn)一步驗(yàn)證多糖引起混濁的能力,對(duì)混濁物質(zhì)采用不同的酶制劑進(jìn)行酶解處理,將處理后的混濁物質(zhì)反添加到協(xié)定糖化結(jié)束前20min的麥汁中,同時(shí)以不作處理的混濁物質(zhì)作為對(duì)照,引起麥汁濁度變化的情況如表3所示??梢钥闯龇刺砑踊鞚嵛镔|(zhì)后,單二及Metcalfe麥汁濁度分別升高3.44EBC及2.92EBC,使用蛋白酶對(duì)混濁物質(zhì)酶解后并反添加,單二及Metcalfe麥汁濁度分別升高2.98EBC及2.57EBC,使用真菌淀粉酶和β-葡聚糖酶處理后并反添加,單二及Metcalfe麥汁濁度分別升高0.33EBC及0.30EBC。因此,認(rèn)為引起單二協(xié)定麥汁混濁的主要物質(zhì)為多糖。
表3 酶解混濁物質(zhì)對(duì)麥汁濁度的影響Table 3 Effect of turbid substances hydrolysed by enzyme on wort turbidity
糖化初始階段添加酶制劑對(duì)麥汁濁度的影響如圖1所示??梢钥闯觯鞍酌讣罢婢矸勖负挺拢暇厶敲付加薪档望溨瓭岫鹊淖饔茫尤氲鞍酌负?,麥汁濁度從對(duì)照的9.00EBC降低到8.33EBC,加入真菌淀粉酶和 β-葡聚糖酶后,麥汁濁度從對(duì)照的9.00EBC降低到4.57EBC。由此進(jìn)一步證明,多糖為引起單二麥汁混濁的主要物質(zhì)。
多糖的單糖組成分析結(jié)果如表4所示,可以看出,凍干物質(zhì)水解后的單糖主要為葡萄糖,其次為半乳糖、阿拉伯糖、木糖,此外還有少量的鼠李糖及氨基糖。根據(jù)麥汁混濁物質(zhì)的組成情況分析,葡萄糖主要來源于未降解的β-葡聚糖或糊精;阿拉伯木聚糖含量可根據(jù)Schwarz提出的公式:阿拉伯木聚糖(AX)=(阿拉伯糖(arabinose)+木糖(xylose))×0.88[16]計(jì)算得到,含量為 1.19%(W/W);阿拉伯半乳聚糖肽(AGP)含量為半乳糖的1.516倍[14],為5.31%(W/W)。通常認(rèn)為β-葡聚糖與阿拉伯木聚糖對(duì)麥汁的粘度影響很大,而這些聚糖物質(zhì)在濃度較高時(shí),會(huì)交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),進(jìn)而形成高粘度凝膠,與蛋白、多酚及其它多糖結(jié)合形成復(fù)雜的混濁物質(zhì)[17]。阿拉伯半乳聚糖肽是一種非交聯(lián)、多分散的大分子物質(zhì),在水溶液中只表現(xiàn)出輕微的非理想效應(yīng)[18]。
表4 混濁物質(zhì)中單糖組成Table 4 Monosaccharide composition of the turbid substances
圖1 協(xié)定糖化添加酶制劑對(duì)單二麥汁濁度的影響Fig.1 Effect of enzyme on Daner wort turbidity in Congress Mashing
2.4.1 SDS-PAGE電泳 混濁蛋白的SDS-PAGE電泳圖譜如圖2所示,可以看出麥汁中混濁蛋白包括多個(gè)條帶,蛋白分子量主要分布于25~45ku及小于18.4ku兩個(gè)部分,這與文獻(xiàn)報(bào)道的啤酒混濁蛋白的分子量分布較為一致[8]。蛋白來源方面,從圖2可以看出麥汁混濁蛋白主要來自于麥芽水溶蛋白及醇溶蛋白,其中條帶1和5在麥芽蛋白中沒有明顯對(duì)應(yīng)條帶,可能是由于麥芽蛋白提取方法的限制所致,條帶2和4在麥芽醇溶蛋白中有對(duì)應(yīng)條帶,條帶3和6在麥芽水溶及鹽溶蛋白中有對(duì)應(yīng)條帶,表明這部分蛋白可以抵抗糖化過程中的酶解作用及熱變性,進(jìn)而出現(xiàn)在過濾后的麥汁中。
2.4.2 混濁蛋白的質(zhì)譜分析 混濁蛋白的SDSPAGE條帶經(jīng)胰蛋白酶消化、質(zhì)譜分析的結(jié)果如表5所示,可以看出,混濁蛋白中的條帶1與條帶2都鑒定為AMY2/BASI復(fù)合體A鏈,BASI來源于大麥,是一種大麥α-淀粉酶/枯草桿菌蛋白酶抑制劑,它能夠與大麥 α-淀粉酶同工酶2(AMY2)結(jié)合形成AMY2/BASI復(fù)合體,這是一種蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的復(fù)合體,通常認(rèn)為該復(fù)合體與調(diào)節(jié)大麥中淀粉降解有關(guān)[19]。條帶1與條帶2分子量相差較大,鑒定為同一蛋白,這可能是由于AMY2與BASI結(jié)合為蛋白復(fù)合體,并相互交聯(lián)從而形成了分子量較大的物質(zhì),而在SDS-PAGE電泳時(shí)又沒有打開交聯(lián),從而出現(xiàn)在了電泳圖譜中。同時(shí)由于質(zhì)譜鑒定是以匹配的氨基酸序列為依據(jù),因此條帶1同樣鑒定為AMY2/BASI復(fù)合體A鏈。
圖2 混濁蛋白的SDS-PAGE分析Fig.2 SDS-PAGE of wort haze proteins
條帶3鑒定為Z4蛋白。Z蛋白屬于絲氨酸蛋白酶抑制劑家族,有Z4蛋白與Z7蛋白兩種。Z蛋白與β-淀粉酶在某種程度上具有一定的聯(lián)系,是一種富含賴氨酸的蛋白質(zhì),其在制麥及糖化過程中能夠抵抗變性及蛋白酶的水解作用,繼而出現(xiàn)在麥汁中,形成混濁物質(zhì)[20]。條帶4鑒定為大麥醇溶蛋白γ3。大麥醇溶蛋白是一種富含脯氨酸的蛋白質(zhì),根據(jù)分子量、硫含量及氨基酸組成的差異,可分為B、C、D及γ四種。金蓓等研究認(rèn)為與胰蛋白酶抑制劑 CMe、germin E及Z蛋白相比,大麥醇溶蛋白γ3是一種次要的混濁活性蛋白,但是在形成混濁的過程中依然具有關(guān)鍵性作用[8,21]。條帶5鑒定為油體鈣蛋白2,這是一種與油脂代謝有關(guān)的蛋白,如參與膜融合和脂肪體融合等過程,同時(shí)有文獻(xiàn)指出油體鈣蛋白可能具有一種利于蛋白質(zhì)相互結(jié)合的獨(dú)特表面[22],這可能與混濁的形成有關(guān)。條帶6鑒定為BTI-CMe2.1,是一種氯仿/甲醇可溶蛋白(CM蛋白),屬于胰蛋白酶/α-淀粉酶抑制劑屬,通常分子量較低,在9~16ku之間,且脯氨酸含量較低,在8%左右。這些疏水蛋白或其片段在制麥及糖化過程中能夠抵抗蛋白酶的水解作用而出現(xiàn)在麥汁中,進(jìn)而形成混濁物質(zhì)[23]。
表5 混濁蛋白的質(zhì)譜鑒定結(jié)果Table 5 Haze protein identified by mass spectrometry
2.4.3 氨基酸含量分析 混濁蛋白的氨基酸分析結(jié)果如表6所示,可以看出麥汁混濁蛋白的氨基酸組成具有一定的特異性,以谷氨酸、天冬氨酸及脯氨酸居多。谷氨酸及脯氨酸通常認(rèn)為是啤酒混濁蛋白的主要氨基酸[1],而在麥汁混濁蛋白中這兩種氨基酸的含量很豐富,也證實(shí)了啤酒混濁蛋白與麥汁混濁蛋白的同源性;麥芽 α-淀粉酶中富含天冬氨酸[24-25],這與麥汁混濁蛋白中天冬氨酸含量豐富相吻合。
表6 混濁物質(zhì)中17種氨基酸含量Table 6 Amino acid content of the turbid substances
采用SDS-PAGE電泳結(jié)合質(zhì)譜分析、離子交換色譜技術(shù)研究了單二麥汁混濁物質(zhì)中的蛋白質(zhì)及糖類物質(zhì),結(jié)果表明:a.引起江蘇單二啤酒大麥麥芽協(xié)定麥汁混濁的關(guān)鍵性物質(zhì)為多糖。b.組成混濁多糖的單糖以葡萄糖為主,其次為半乳糖、阿拉伯糖、木糖。c.混濁蛋白研究方面,SDS-PAGE電泳表明混濁物質(zhì)中蛋白質(zhì)分子量主要集中于25~45ku及小于18.4ku的兩個(gè)部分,質(zhì)譜分析表明混濁蛋白主要為AMY2/BASI復(fù)合體A鏈,此外還有少量的Z4蛋白、大麥醇溶蛋白γ3、油體鈣蛋白2及BTI-CMe2.1。氨基酸組成以谷氨酸、天冬氨酸及脯氨酸居多。后續(xù)將對(duì)多糖的結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)是否存在交聯(lián)特性等進(jìn)行研究,以進(jìn)一步明確多糖引起麥汁混濁的原因。本研究明確了單二麥芽協(xié)定麥汁中的混濁成分,對(duì)提高麥芽品質(zhì)、改良大麥品種具有借鑒意義。
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