舒琴,焦志華,牛永武,陳啟和,焦迎春
(1.浙江大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)系,浙江杭州 310058)(2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院,青海西寧 810016)
黃酒作為我國傳統(tǒng)釀造的特色發(fā)酵飲品,酒精度通常在16%左右。傳統(tǒng)黃酒保留了發(fā)酵過程中營養(yǎng)物質(zhì)及活性物質(zhì),越來越受到人們的推崇。黃酒中的營養(yǎng)成分主要以蛋白質(zhì)為主,且絕大部分蛋白質(zhì)以肽和氨基酸形式存在,有利于人體吸收[1];另外黃酒中被檢測出含有30多種無機(jī)鹽,包括鈣、鎂、鋅等人體正常生理功能不可或缺的因子[2];黃酒發(fā)酵原料中富含較高濃度的維生素,包括B族維生素、E族維生素及酵母細(xì)胞自溶釋放的維生素[3];黃酒中含有的功能性低聚糖能夠顯著提高雙歧桿菌的增值效果,具有很好的保健功能[4];黃酒中含有的酚類物質(zhì)具有清除自由基、抗癌、抗衰老等功能;黃酒中還富含重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸和生物活性肽[5]。
黃酒是以谷物和水為原料,以酒藥、麥曲等糖化發(fā)酵劑釀造而成。黃酒的品質(zhì)和風(fēng)味不僅取決于釀造工藝,還取決于所用的發(fā)酵原料及發(fā)酵微生物。霉菌和酵母對(duì)黃酒的生產(chǎn)起主導(dǎo)作用,另外細(xì)菌中某些乳酸菌對(duì)黃酒風(fēng)味的形成有重要作用,而多數(shù)細(xì)菌對(duì)黃酒的生產(chǎn)是不利的[6]。黃酒中的微生物主要是由麥曲和酒藥提供的,麥曲是黃酒釀造的糖化劑,同時(shí)賦予黃酒獨(dú)特的風(fēng)味。酒藥中的微生物以根霉和酵母為主,因此具有糖化和發(fā)酵的雙邊功能。
通過對(duì)我國傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵工藝的研究表明,氨基甲酸乙酯主要來源于尿素。黃酒中的尿素一方面來自于發(fā)酵原料,另一方面來源于精氨酸的降解[1]。因此闡明精氨酸的代謝調(diào)控機(jī)制對(duì)于探究氨基甲酸乙酯的抑制途徑具有重要意義,精氨酸及尿素在釀酒酵母中的代謝機(jī)制如圖1所示。研究報(bào)道胞內(nèi)精氨酸主要來源于兩種途徑:一是來自酵母細(xì)胞從細(xì)胞外的吸收,二是液泡中的大量蛋白酶,在降解蛋白質(zhì)的過程中生成精氨酸[7,8,9]。釀酒酵母細(xì)胞內(nèi)的精氨酸首先在精氨酸酶(CARl)作用下水解成為鳥氨酸和尿素,鳥氨酸在鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(CAR2)的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為谷氨酸鹽,而尿素降解為谷氨酸鹽和二氧化碳[10]。細(xì)胞內(nèi)的尿素在尿素羧化酶的作用下降解為脲基甲酸鹽,脲基甲酸鹽在脲基甲酸鹽水解酶的作用下,進(jìn)一步降解為銨鹽和二氧化碳[10]。因此探究黃酒釀造過程中氨基甲酸乙酯的抑制途徑需要從釀酒酵母氮代謝入手。另外傳統(tǒng)黃酒釀造是開放式發(fā)酵,而且酒藥中的酵母通常是工業(yè)化菌株,其氮代謝調(diào)控機(jī)制尚不明確;目前,已有研究報(bào)道對(duì)黃酒發(fā)酵體系中分離到的野生型菌株(YHJ7)和BY4741進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)YHJ7和BY4741的基因轉(zhuǎn)錄水平非常相似(The Spearman correlation coefficient r=0.325,p<2.2e-16)[12]。這為應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室菌株探究氨基甲酸乙酯形成的氮代謝基礎(chǔ)及調(diào)控機(jī)制提供新的角度。
在本研究中,將使用實(shí)驗(yàn)室分離的釀酒酵母(SC)、工業(yè)化酵母(BY4741)來替代純酒藥,并且按照工業(yè)化釀造工藝進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),通過測定精氨酸和尿素濃度變化水平來分析不同酵母菌株在發(fā)酵體系中氮源代謝的差異;另外通過分析發(fā)酵結(jié)束煎酒后的成品中風(fēng)味物質(zhì)、氨基酸成分、酒精度和氨基甲酸乙酯濃度來探究不同酵母菌株對(duì)黃酒釀造品質(zhì)的影響。
圖1 精氨酸和尿素在釀酒酵母細(xì)胞中的代謝調(diào)控途徑Fig.1 The metabolic regulation of arginine and urea in Saccharomyces cerevisiae cells
菌株:野生型釀酒酵母SC是由本實(shí)驗(yàn)室從浙江安吉烏氈帽黃酒釀造廠黃酒發(fā)酵體系中分離得到;BY4741購于自EUROSCARF(Frankfurt, Germany)。
發(fā)酵原料:酒藥、熟麥曲,來自于浙江安吉烏氈帽黃酒釀造廠;糯米,來自于惠宜公司。
主要化學(xué)試劑:9-占噸醇、3-巰基丙酸(3-MPA)、鄰苯二甲醛(OPA)、9-芴甲氧羰基氯甲酸酯(FMOC-Cl),購自 Sigma-Aldrich;硼酸、精氨酸、尿素、硫酸銨、乙酸鈉等購自生工生物工程(上海)股份有限公司;醋酸、四氫呋喃、乙酸乙酯(分析純)、乙腈(HPLC級(jí)別)、甲醇(HPLC級(jí)別)、鹽酸等購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
YPD培養(yǎng)基:1%(W/V)酵母提取物,2%(W/V)蛋白胨,2%(W/V)葡萄糖。進(jìn)行固體培養(yǎng)時(shí),另加入2%(W/V)的瓊脂。
1.3.1 菌株培養(yǎng)
取保藏的釀酒酵母SC和BY4741,接種于YPD斜面培養(yǎng)基,28 ℃恒溫活化培養(yǎng)24 h,再接種于20 mL YPD液體培養(yǎng)基,28 ℃恒溫培養(yǎng)至OD600=0.4左右,轉(zhuǎn)接至1 L的YPD培養(yǎng)基,于28 ℃,220 r/min搖床培養(yǎng)至OD600=0.8。離心后放置-80 ℃冰箱預(yù)凍12 h,后經(jīng)真空冷凍干燥獲得酵母菌體,并保存于4 ℃。
1.3.2 黃酒釀造及煎酒
以0.5 kg糯米為原料,于28 ℃下浸米2 d,控制料水質(zhì)量比為 1:1.2。蒸飯后攤開冷卻,使米飯的品溫保持在30 ℃左右,加入90 g麥曲和1 g酒藥及0.6 L水,攪拌均勻,并放置在 25 ℃恒溫箱開始糖化作用,5 d后調(diào)節(jié)溫度至18 ℃進(jìn)行發(fā)酵作用,每隔10 d取樣100 mL凍存于-80 ℃冰箱,發(fā)酵30 d后取樣,煎酒,避光4 ℃保存。其中不同處理組酒藥及酵母添加量如表1所示。
表1 不同分組釀造黃酒中添加的微生物Table 1 The designed fermentation microbial combinations that used in different groups of fermented Chinese rice wine
1.3.3 精氨酸濃度測定
柱前衍生:配制0.1 M、pH 9.9的硼酸緩沖液作為衍生緩沖液,將10 mg鄰苯二甲醛(OPA)溶解于1 mL 0.02 M,pH 9.9的硼酸緩沖液中,并加入0.8%的巰基丙酸(3-MPA),用NaOH調(diào)節(jié)pH至9.3作為衍生試劑 1,配制 5 mg/mL的芴甲氧羰酰氯(FMOC-Cl)作為衍生試劑2,取1 mL發(fā)酵液上樣,樣品及衍生試劑均需經(jīng)0.22 μm過濾器過濾。采用自動(dòng)進(jìn)樣程序進(jìn)樣并進(jìn)行柱前衍生。
流動(dòng)相:A相稱取0.8 g結(jié)晶乙酸鈉于1000 mL燒杯中,加入1000 mL水?dāng)嚢柚寥芙猓偌尤?25 μL三乙胺,加5%醋酸將pH 7.2,加入5 mL四氫呋喃,混合后備用。B相稱取4 g乙酸鈉,加入200 mL水?dāng)嚢柚寥芙?,加醋酸鈉調(diào)節(jié)pH 7.2,加400 mL乙腈和400 mL甲醇。
按照表2中洗脫梯度進(jìn)行洗脫。
表2 HPLC測定精氨酸濃度時(shí)流動(dòng)相比例及流速Table 2 The mobile phase for arginine determination by HPLC
1.3.4 尿素濃度測定
柱前衍生:分別配制終濃度為1.5 mol/L的鹽酸和0.02 mol/L的9-羥基噸溶液作為衍生試劑,取1 mL發(fā)酵液作為樣品,樣品及衍生試劑均需經(jīng)0.22 μm濾頭進(jìn)行過濾。
流動(dòng)相:A相為0.02 M乙酸鈉溶液,B相為乙腈。按照表2.3洗脫梯度進(jìn)行洗脫。
表3 HPLC測定尿素濃度時(shí)流動(dòng)相比例及流速Table 3 The mobile phase for urea determination by HPLC
1.3.5 氨基甲酸乙酯濃度測定
樣品前處理:取50 mL黃酒樣品與50 mL乙酸乙酯混合均勻并萃取氨基甲酸乙酯,將萃取后的液體置于真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行濃縮,蒸干后用5 mL 30%甲醇溶解,樣品中氨基甲酸乙酯濃度濃縮至原來樣品的10倍。
柱前衍生:配制1.5 mol/L鹽酸和0.01 mol/L占噸醇/正丙醇溶液備用,取1 mL標(biāo)樣或濃縮樣品,加入0.1 mL鹽酸和0.2 mL占噸醇溶液混合均勻,室溫避光放置30 min,經(jīng)0.22 μm濾頭進(jìn)行過濾,進(jìn)樣。
HPLC色譜條件:色譜柱為 C18反相柱(250 mm×4.6 mm,4 μm),進(jìn)樣量為20 μL,激發(fā)波長為233 nm,發(fā)射波長為600 nm,洗脫程序如表4所示。
表4 HPLC測定氨基甲酸乙酯濃度時(shí)流動(dòng)相比例及流速Table 4 The mobile phase for ethyl carbamate determination by HPLC
1.3.6 乙醇含量測定
根據(jù)國標(biāo)GB/T 5009.48-2003中乙醇測定方法,取100 mL發(fā)酵黃酒于250 mL蒸餾器中,再加入50 mL水和數(shù)粒玻璃珠,蒸餾并用量筒收集餾出液至100 mL,將酒精計(jì)置于其中測定酒精度及溫度,并將酒精度換算成20 ℃時(shí)候的乙醇濃度。
1.3.7 風(fēng)味物質(zhì)檢測
萃取頭準(zhǔn)備:萃取頭(SPME Fiber Assembly,50/30 μm,24 Ga,自動(dòng)進(jìn)樣針)在第一次使用前,先在氣相色譜口270 ℃條件下活化1 h,以后每次使用前活化30 min。
樣品處理:將4 mL酒樣和1g Nacl加入頂空瓶中,旋緊蓋子并密封。加熱至 50 ℃攪拌并充分吸附,將萃取頭插入頂空瓶中50 ℃保持30 min。
GC-MS分析:色譜條件:載氣為氦氣,流速為1 mL/min,采用無分流進(jìn)樣;程序升溫:初始柱溫40 ℃,保持5 min,以5 ℃/mL的速率升溫至230 ℃,保持10 min。進(jìn)樣口溫度為250 ℃,GC解析時(shí)間2.5 min。
質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源(EI)電子能量為70 eV,離子源溫度為 200 ℃,接口溫度為 250 ℃,檢測口電壓為 350 v。掃描方式為全掃描,質(zhì)量范圍為35~350。
1.3.8 游離氨基酸含量測定
對(duì)發(fā)酵30 d并煎酒后的4組發(fā)酵黃酒采用日本日立L-8900氨基酸分析儀進(jìn)行游離氨基酸的檢測(天門冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸),檢測原理為采用茚三酮作為衍生劑與氨基酸發(fā)生衍生,經(jīng)檢測器進(jìn)行檢測分析。樣品前處理方法為:精確量取10 mL樣品,加0.1 mol/L鹽酸溶液超聲波振蕩5 min,加5%磺酸水楊酸5 mL去除蛋白,在13000 r/min,4 ℃離心10 min,取上清液,氮吹儀濃縮趕酸,加0.02 mol/L鹽酸2 mL,旋渦振蕩,過0.22 μm孔徑水膜,上機(jī)。
1.3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。采用SPSS軟件對(duì)數(shù)值進(jìn)行差異顯著性分析。采用Origin 8.0軟件作圖。
圖2 不同微生物替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液中精氨酸濃度的測定Fig.2 The changing profiles of arginase concentration under different nitrogen conditions
不同釀酒酵母菌株替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí),發(fā)酵液中精氨酸濃度變化如圖2所示。用麥曲和酒藥進(jìn)行發(fā)酵10 d左右,精氨酸保持較高濃度并在后續(xù)發(fā)酵過程中出現(xiàn)較緩慢的增長趨勢,說明發(fā)酵初期微生物對(duì)原料的利用速率比較高;從圖2中可以看出,發(fā)酵20 d后添加硫酸銨的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比,精氨酸濃度開始有較快的增長,說明添加硫酸銨后釀酒酵母對(duì)精氨酸的利用速率降低。這主要是受氮代謝抑制的調(diào)控作用。
應(yīng)用釀酒酵母SC及BY4741替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí),發(fā)酵液中精氨酸濃度變化水平差異不大,均保持較快的增長趨勢。與酒藥發(fā)酵組相比,SC及BY4741組發(fā)酵前期微生物對(duì)發(fā)酵原料的利用速率較慢,隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行,微生物對(duì)原料的分解速率開始迅速提高。因此可以推測,酒藥釀造黃酒前期,發(fā)酵環(huán)境中含有更多的霉菌及其它能夠分解利用蛋白質(zhì)的微生物;而隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,釀酒酵母發(fā)酵組中來源于麥曲的霉菌不斷增殖,發(fā)酵液中精氨酸濃度迅速提高。不同發(fā)酵組中微生物對(duì)精氨酸的利用速率則需要結(jié)合尿素的水平作出判斷。但是基于氮代謝抑制調(diào)控機(jī)制理論,在發(fā)酵后期釀酒酵母對(duì)精氨酸的利用速率應(yīng)有較大提高。
圖3 不同微生物替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí)發(fā)酵液中尿素濃度的測定Fig.3 The changing profiles of urea concentration under different nitrogen conditions
在釀造起始階段,發(fā)酵液中的尿素主要來源于發(fā)酵原料,而在后續(xù)發(fā)酵過程中尿素的濃度變化趨勢主要受到釀酒酵母對(duì)精氨酸的利用速率及對(duì)尿素降解速率的影響。如圖3所示,當(dāng)用酒藥和麥曲進(jìn)行發(fā)酵時(shí),隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,發(fā)酵液中尿素的濃度增加速率提高;而添加硫酸銨的酒藥發(fā)酵組中,發(fā)酵20 d后,發(fā)酵液中尿素的濃度呈明顯的緩慢增長趨勢,這說明添加硫酸銨后釀酒酵母對(duì)精氨酸的利用速率降低,該研究結(jié)果與2.1中添加硫酸銨后發(fā)酵液中精氨酸濃度變化趨勢相一致。另外,當(dāng)采用黃酒中分離的釀酒酵母SC與BY4741分別替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí),胞外尿素濃度變化趨勢與酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí)相比較呈現(xiàn)一致,這說明利用實(shí)驗(yàn)室來源的釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵時(shí),微生物對(duì)精氨酸和尿素的利用速率差異不大。
圖4 不同氮源下酵母替代酒藥釀造對(duì)發(fā)酵液中氨基甲酸乙酯濃度的影響Fig.4 The changing profiles of EC concentration under different nitrogen conditions
在黃酒發(fā)酵中氨基甲酸乙酯的濃度主要取決于發(fā)酵液中尿素和乙醇的濃度,如圖4所示,不同酵母替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí),發(fā)酵液中氨基甲酸乙酯的濃度都隨著發(fā)酵時(shí)間的延長不斷升高,并且不同發(fā)酵組之間差異并不明顯。其中在添加硫酸銨的發(fā)酵組中,雖然在發(fā)酵30 d左右,氨基甲酸乙酯的濃度較未添加硫酸銨的發(fā)酵組低(16%),但其差異不如尿素濃度變化明顯(24%)。推測其原因可能是發(fā)酵開始時(shí)來源于原料部分的尿素相對(duì)于發(fā)酵30 d后形成的氨基甲酸乙酯含量已比較高,這對(duì)發(fā)酵過程中氨基甲酸乙酯的形成起主要作用,而發(fā)酵后期尿素濃度的提高,僅對(duì)氨基甲酸乙酯的形成起次要作用。
表5 不同發(fā)酵微生物進(jìn)行黃酒釀造時(shí)酒精度測定Table 5 The ethanol concentration under different nitrogen conditions
在黃酒釀造過程中,酒精度作為常規(guī)指標(biāo)用來衡量發(fā)酵的進(jìn)度。在本研究中,不同發(fā)酵組產(chǎn)品在20 ℃下酒精度均在10%~12%度左右,這比有些報(bào)道中黃酒酒精度偏低(4%~17%)[13],主要是因?yàn)榘l(fā)酵原料及發(fā)酵時(shí)間具有差異。不同發(fā)酵組釀造產(chǎn)品中酒精度接近,這為后續(xù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室菌株進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)提供依據(jù)。
圖5 不同微生物替代酒藥進(jìn)行釀造時(shí)風(fēng)味物質(zhì)差異分析Fig.5 The profiles of flavor compounds under different nitrogen conditions
本研究采用固相微萃取結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜來檢測揮發(fā)性物質(zhì),并采用相對(duì)定量的方式來分析不同揮發(fā)性成分的含量,其中含量最多的成分定量為 1,其它成分的含量為該成分與含量最高成分的峰面積比值。不同來源釀酒酵母替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí),產(chǎn)品中的風(fēng)味物質(zhì)組成如圖5所示,其中不同發(fā)酵組中最主要的風(fēng)味物質(zhì)化學(xué)成分差異不大,而不同化學(xué)成分的含量具有一定差異,這說明在黃酒發(fā)酵過程中,麥曲主要決定風(fēng)味物質(zhì)組成,而釀酒酵母來源對(duì)各種風(fēng)味物質(zhì)的含量有一定的影響。
在黃酒體系中,主要的風(fēng)味物質(zhì)有酸、醛、醇和酯等[14]。在本研究中,各個(gè)發(fā)酵產(chǎn)品中檢測出的主要風(fēng)味物質(zhì)包括乳酸、乙酸、異戊醇、苯乙醇和十六酸乙酯等。含量最高的風(fēng)味物質(zhì)均為乳酸,乳酸是黃酒中主要有機(jī)酸,能夠緩沖調(diào)節(jié)酒味,并且在貯存過程中逐漸形成芳香酯。但過高含量的乳酸也是黃酒酸敗的標(biāo)志[15]。黃酒體系中的酯類物質(zhì)是香氣的主要來源,并且主要由酯化作用形成。
在該研究中,各發(fā)酵產(chǎn)品大部分風(fēng)味物質(zhì)與已有文獻(xiàn)研究相一致[14、16]。另外也有部分風(fēng)味物質(zhì)的相關(guān)報(bào)道較少,如癸酸乙酯、十六酸乙酯等。根據(jù)黃酒中風(fēng)味物質(zhì)的分析,可以發(fā)現(xiàn)不同來源釀酒酵母發(fā)酵產(chǎn)品中風(fēng)味物質(zhì)差異性不大,因此本研究認(rèn)為可以采用這兩種來源的釀酒酵母進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
黃酒中氨基酸除了能夠?yàn)槿梭w提供各種必需氨基酸外,還是黃酒風(fēng)味物質(zhì)的重要組成部分,不同氨基酸口味不同,氨基酸含量的差異會(huì)影響黃酒的口感及風(fēng)味[17]。在本研究中,我們采用氨基酸分析儀來檢測發(fā)酵產(chǎn)品中16種游離氨基酸含量,如圖6所示。首先我們對(duì)各個(gè)發(fā)酵產(chǎn)品中不同氨基酸含量進(jìn)行分析,含量最高均為精氨酸,濃度分別為 399.98 mg/L、408.32 mg/L、401.32 mg/L、395.32 mg/L;其次為丙氨酸和脯氨酸。在該研究中檢測結(jié)果與已有報(bào)道一致,即發(fā)酵原料中含有高濃度的精氨酸,在發(fā)酵后期較好的銨態(tài)氮源消耗完條件下,精氨酸成為主要氮源來源[18]。從圖6中還可以看出,不同發(fā)酵組產(chǎn)品中各種氨基酸含量差異不大,說明黃酒中氨基酸組成及含量主要受發(fā)酵原料和麥曲中的微生物影響。
圖6 不同微生物替代酒藥進(jìn)行發(fā)酵時(shí)游離氨基酸差異分析Fig.6 The profiles of amino acids after 30 days fermentation under different nitrogen conditions
黃酒作為傳統(tǒng)釀造飲品,風(fēng)味獨(dú)特,含有多種營養(yǎng)物質(zhì),深受人們喜愛。應(yīng)用釀酒酵母BY4741和SC替代酒藥進(jìn)行黃酒釀造試驗(yàn),發(fā)酵液中精氨酸、尿素和氨基甲酸乙酯的濃度差異不大。釀造前期微生物對(duì)發(fā)酵原料的利用率較低,添加硫酸銨可抑制酵母細(xì)胞對(duì)精氨酸的利用,有利于降低發(fā)酵體系中尿素的積累,符合氮代謝抑制調(diào)控機(jī)制,因而可在一定水平上降低黃酒中氨基甲酸乙酯的濃度。不同發(fā)酵組中酒精度、風(fēng)味物質(zhì)組成、氨基酸組成差異不大,這意味著釀酒酵母BY4741和SC替代酒藥進(jìn)行釀造以及在釀造過程中添加硫酸銨不影響黃酒的品質(zhì)。本研究認(rèn)為在后續(xù)的氨基甲酸乙酯氮代謝基礎(chǔ)研究中,可以應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室釀酒酵母替代酒藥在模擬體系中探索氨基甲酸乙酯形成的調(diào)控因子,進(jìn)而應(yīng)用于黃酒的釀造生產(chǎn)中,降低黃酒中致癌物質(zhì)的含量,具有廣闊的市場前景和較好的潛在價(jià)值。