鄒謀勇,何理琴,孫啟星,朱新貴
(1.李錦記(新會)食品有限公司,廣東 江門 529100;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東 廣州 510642)
醬油是以大豆、面粉等為主要原料,經(jīng)微生物發(fā)酵而成的一種典型的傳統(tǒng)調(diào)味食品,它具有香氣濃郁、滋味豐富的特點,在人們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉?。隨著生活水平的提高,人們對調(diào)味品的口感、香氣等方面提出了更高的要求[1]。在醬油風(fēng)味研究方面,主要有風(fēng)味成分構(gòu)成[2-4]和風(fēng)味物質(zhì)形成機理[5-7]兩個重要研究方向。目前已鑒定得到超過300 種醬油的揮發(fā)性香氣成分[8-9],這些揮發(fā)性香氣成分相互作用,成為醬油重要特征香氣成分的來源。
高沸點特征香氣成分是醬油在烹飪過程持續(xù)留香的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前從醬油中發(fā)現(xiàn)的高沸點香氣成分有:吡嗪類化合物、呋喃酮、4-乙基愈創(chuàng)木酚(4-ethylguaiacol,4-EG)、4-乙烯基愈創(chuàng)木酚(4-vinylguaiacol,4-VG)、苯乙醇等。在這些高沸點特征香氣成分中,4-EG呈煙熏及辛香味[9-10],屬醬香型香料,其作為醬油關(guān)鍵風(fēng)味成分,具有緩和咸味作用,這在世界釀造行業(yè)得到公認[11-12]。Yokotsuka等[13]首次在醬油中發(fā)現(xiàn)4-EG,將其作為醬油風(fēng)味成分的指標。而假絲酵母在醬油發(fā)酵后期會產(chǎn)生4-EG等酚類成分,賦予醬油獨特風(fēng)味[14]。Yasuhiko等[15]研究表明,在醬油和味噌中分離出7 株耐鹽酵母,能代謝合成4-EG或4-VG;微生物轉(zhuǎn)化合成4-EG途徑主要是以阿魏酸為前體,通過阿魏酸脫羧酶和4-VG還原酶合成4-EG。在已發(fā)現(xiàn)的微生物中,部分畢赤酵母屬、漢遜德巴利酵母、枯草芽孢桿菌、木糖葡萄球菌、假絲酵母等只是將阿魏酸轉(zhuǎn)化為4-VG;假絲酵母、酒香酵母等可將4-VG還原為4-EG,只有少部分假絲酵母菌株可利用阿魏酸直接合成4-EG[15-17]。
近年來,利用不同菌株混合培養(yǎng)或通過在發(fā)酵過程中添加菌株純培養(yǎng)物強化食品發(fā)酵已成為改造傳統(tǒng)食品發(fā)酵業(yè)研究熱點[18]。楊希飛[19]在醬油發(fā)酵過程中添加嗜鹽四聯(lián)球菌,結(jié)果顯著提高了醬油中酯類物質(zhì)的種類和含量,改善了醬油的風(fēng)味品質(zhì)。Wah等[20]將季也蒙畢赤酵母和魯氏酵母接種到醬油釀造初期,能促進醬油揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的形成。Akolkar等[21]通過將Halobacteriumsp.菌懸液接種到魚露發(fā)酵醪中,能明顯改善魚露風(fēng)味,同時提高其營養(yǎng)價值。張良等[22]通過微生物強化接種,將酵母菌劑和嗜鹽四聯(lián)球菌菌劑添加到發(fā)酵后期的郫縣豆瓣醬中進行聯(lián)合發(fā)酵,提高了后發(fā)酵階段郫縣豆瓣醬4-EG的含量,改善了郫縣豆瓣風(fēng)味品質(zhì)。上述研究表明,生物強化技術(shù)是提升釀造調(diào)味品風(fēng)味品質(zhì)的重要技術(shù)手段之一。因此,分離篩選能直接將阿魏酸代謝合成4-EG的微生物,并通過生物強化技術(shù)應(yīng)用于醬油工業(yè)化生產(chǎn),以提高醬油中4-EG的含量,這對于醬油類產(chǎn)品品質(zhì)提升有重要意義。然而在4-EG菌株篩選鑒定,及其合成代謝調(diào)控方面研究文獻較少,在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用更是鮮有報道。
基于此,本研究從醬油發(fā)酵醪中分離篩選得到1 株產(chǎn)4-EG的酵母A10-2,采用生理生化測試和分子生物學(xué)方法對其鑒定,然后探究其在不同鹽度培養(yǎng)基中的生長情況。通過底物添加實驗,研究4-EG代謝合成途徑。采用A10-2開發(fā)高4-EG含量的半成品,并應(yīng)用于醬油調(diào)配,分析其對產(chǎn)品風(fēng)味的影響。
醬油發(fā)酵醪 李錦記(新會)食品有限公司。
麥芽汁培養(yǎng)基:13%麥芽汁培養(yǎng)基;酵母膏胨葡萄糖瓊脂(yeast extract peptone dextrose,YPD)培養(yǎng)基:1%酵母浸粉,2%葡萄糖,2%胰蛋白胨,15% NaCl;醬醪發(fā)酵液培養(yǎng)基:取發(fā)酵2 周醬油發(fā)酵醪,10 層紗布過濾,上清液為醬醪發(fā)酵培養(yǎng)基;發(fā)酵培養(yǎng)基:10%巴氏殺菌醬油,0.5%酵母浸粉,2%葡萄糖,0.5%胰蛋白胨,15% NaCl。
麥芽汁培養(yǎng)基、技術(shù)瓊脂 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;生理生化實驗試劑 生工生物工程(上海)股份有限公司;麥芽浸粉、胰蛋白胨 北京路橋技術(shù)股份有限公司;阿魏酸、4-EG(99%) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;其他生化試劑均為分析純 廣州化學(xué)試劑廠。
Blue Star紫外-可見分光光度計 北京萊伯泰科儀器股份有限公司;7820A-5977B氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)儀美國安捷倫科技有限公司;固相微萃取手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭 美國色譜科公司。
1.3.1 產(chǎn)香酵母分離
取不同發(fā)酵階段的醬油發(fā)酵醪,用0.85%生理鹽水稀釋一定梯度后涂布含有麥芽汁培養(yǎng)基的平板上,30 ℃靜置培養(yǎng)96 h,挑取單菌落進行進一步劃線分離純化。挑取純化后的菌株接種于YPD培養(yǎng)基,30 ℃、200 r/min振蕩培養(yǎng)41 h,得到種子液,將種子培養(yǎng)液按1%分別接種到醬油發(fā)酵液培養(yǎng)基;然后30 ℃、100 r/min振蕩培養(yǎng)13 d,進行香氣鑒評,將呈醬香發(fā)酵液對應(yīng)的菌株命名為A10-2。
1.3.2 產(chǎn)香酵母A10-2揮發(fā)性風(fēng)味成分分析
對A10-2發(fā)酵液頂空固相微萃取并進行GC-MS分析。取2 mL樣品于4 mL樣品瓶中,將萃取頭插入到樣品瓶的頂空部分,40 ℃保溫萃取時間30 min。萃取結(jié)束后,立即進樣,解吸時間為2 min。色譜條件:色譜柱為DB-WA×U2毛細管柱(30 m×0.32 mm,0.25 μm);升溫程序:起始溫度40 ℃,保持5 min,以2 ℃/min升溫至150 ℃,再以5 ℃/min升溫至240 ℃,保留10 min;進樣口溫度250 ℃;載氣為He(99.999%)。質(zhì)譜條件:電離能70 eV,檢測電壓1 510 V;離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃;掃描速率2.00 scans/s,質(zhì)量掃描范圍m/z20~350。GC-MS得到揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)總離子流圖,手動積分計算與數(shù)據(jù)庫標準物質(zhì)相似度80%以上風(fēng)味物質(zhì)的峰面積,風(fēng)味物質(zhì)峰面積與總峰面積的比值為該物質(zhì)的相對含量。
4-EG定量分析:取5 mL培養(yǎng)液,加入30 mL乙醚,萃取3 次;收集上層萃取液真空濃縮,并溶于無水乙醇,根據(jù)濃度合理稀釋并用GC-MS進行定量分析。具體如下:氣相色譜載氣為氦氣,流速1.0 mL/min,進樣量1.0 μL,分流比10∶1;升溫程序:40 ℃保留1 min;以10 ℃/min升溫到210 ℃,保留0 min;再以10 ℃/min升溫到250 ℃,保留3 min。質(zhì)譜條件:采用電子電離方式,電離能70 eV,檢測器電壓1 597 V,掃描范圍m/z30~200,掃描速率2.00 scans/s;進樣口和離子源溫度分別為250 ℃和230 ℃。采用單離子掃描模式,以m/z91、122、137和152.0四個離子為定量離子進行分析。4-EG標準曲線制作:取色譜純4-EG梯度稀釋到質(zhì)量濃度10、20、70、100 mg/L,采用上述色譜和質(zhì)譜條件檢測不同質(zhì)量濃度4-EG的定量離子峰面積,線性回歸得到標準曲線方程為:y=1.171×105x+1.125×105(R2=0.995 4),其中y為響應(yīng)值,x為4-EG含量。以標準曲線計算樣品中4-EG含量。
1.3.3 生理生化實驗
參照文獻[23]對A10-2進行生理生化實驗。
1.3.4 A10-2菌株分子鑒定
自菌株A10-2基因組聚合酶鏈式反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴增rDNA-ITS序列。30 μL PCR體系:20 ng DNA模板(菌株A10-2基因組),25 pmol通用引物(ITS1:5’-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3’;ITS4:5’-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3’),100 μmol/L dNTP,1 mmol/L MgCl2和2.5 U HiFi DNA聚合酶,PCR產(chǎn)物由華大基因測序。通過BLAST(http∶//blast.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫進行ITS rDNA同源序列檢索與分析。
1.3.5W.versatilisA10-2耐鹽實驗
挑取A10-2單菌落接種于YPD培養(yǎng)基,30 ℃、200 r/min振蕩培養(yǎng)41 h ,得到A10-2種子液。取200 mL種子培養(yǎng)液4 000 r/min離心10 min,菌體沉淀采用0.85%生理鹽水洗滌2 遍,再用0.85%生理鹽水重懸,并定容到200 mL。將種子液按照5%接種量分別接種含0%、5%、10%、14%、18% NaCl的麥芽汁培養(yǎng)基,按照一定的時間間隔取培養(yǎng)液在600 nm波長處測定OD值。
1.3.6W.versatilisA10-2菌株在不同底物培養(yǎng)基中代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析
挑取A10-2單菌落接種于YPD培養(yǎng)基,30 ℃、200 r/min振蕩培養(yǎng)41 h,得到種子液,將種子培養(yǎng)液按1%分別接種到以下發(fā)酵培養(yǎng)基:第1組發(fā)酵培養(yǎng)基添加50 mg/L阿魏酸,第2組發(fā)酵培養(yǎng)基添加30 mg/L 4-VG。然后30 ℃、100 r/min振蕩培養(yǎng)11 d,將呈醬香發(fā)酵液進行GC-MS分析。
1.3.7W.versatilisA10-2在醬油發(fā)酵中的應(yīng)用
A10-2種子液制備方法同1.3.5節(jié),將種子液按照2%接種到巴氏殺菌醬油發(fā)酵液,對照組加入2% YPD培養(yǎng)基。30 ℃、100 r/min振蕩培養(yǎng)一定的時間,取發(fā)酵液進行理化指標測定,同時檢測發(fā)酵液中4-EG質(zhì)量濃度。
1.3.8 感官評價
取巴氏殺菌醬油發(fā)酵液,添加50 mg/L阿魏酸,接種A10-2發(fā)酵12 d,取發(fā)酵液過濾,并進行巴氏殺菌(70 ℃,30 min);巴氏殺菌后的發(fā)酵液冷卻后按照10%添加到成品醬油中,從李錦記(新會)食品有限公司技術(shù)部、質(zhì)檢部和品控部隨機選取8 位受到系統(tǒng)培訓(xùn)的的品評員進行盲評??诟蟹矫娣謩e從咸味、鮮味、苦味、甜味、酸味、厚味、綜合口感、偏愛程度8 個維度對樣品進行評分;香氣方面分別從酸味、豆香、麥芽香、焦香、醇香、綜合香氣、醬香、偏愛程度8 個維度對樣品進行評分。評分方法為:每個維度滿分為10 分,感官強度大則得分高;每位品評員對每組樣品盲評3 次,時間間隔30 min,計算平均分,各維度得分為8 位品評員的評分算術(shù)平均數(shù)。
GC-MS總離子流圖為GC-MS數(shù)據(jù)處理軟件導(dǎo)出;耐鹽性分析結(jié)果采用OriginPro 8.5進行繪圖,感官評價結(jié)果采用Microsoft Office Excel繪制雷達圖。
采用頂空固相微萃取-GC-MS對添加A10-2種子液連續(xù)發(fā)酵13 d的醬油發(fā)酵液進行揮發(fā)性物質(zhì)分析,結(jié)果如圖1所示。實驗組揮發(fā)性成分中含有多種醇類物質(zhì),包括乙醇、異丁醇、異戊醇、苯乙醇、β-乙基苯乙醇等,其中苯乙醇含量較高;對照組檢出了乙醇和異戊醇,實驗組檢出峰面積相對較大,說明A10-2具有進一步合成乙醇、異戊醇的能力(表1)。同時,實驗組在51.863 min檢出了4-EG,說明A10-2具有利用醬油本底前體物質(zhì)合成4-EG的能力。研究發(fā)現(xiàn)Candida guilliermondii和C.fermentati可以利用阿魏酸合成4-VG,并進一步還原為4-EG;該過程涉及的兩個關(guān)鍵酶分別為阿魏酸脫羧酶和4-VG還原酶[15]。
表1 產(chǎn)香酵母A10-2揮發(fā)性風(fēng)味成分相對定量分析Table 1Relative quantitative analysis of volatile flavor compounds from A10-2
圖1 GC-MS對產(chǎn)香酵母A10-2揮發(fā)性風(fēng)味成分分析Fig.1 Analysis of flavor components from A10-2 by GC-MS
如圖2a所示,產(chǎn)香酵母A10-2在麥芽汁平板上菌落淡黃色,奶油狀,菌落邊緣整齊暗淡無光澤。顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),A10-2均為球狀或橢球狀,菌體直徑為1~5 μm,可見出芽生殖(圖2b)。根據(jù)A10-2菌落形態(tài)和菌體顯微鏡觀察初步推測其為酵母類微生物。
圖2 產(chǎn)香酵母A10-2菌落形態(tài)(a)與菌體形態(tài)(b)Fig.2 Colonial morphology (a) and thallus morphology (b) of A10-2
如表2所示,A10-2發(fā)酵葡萄糖能力較強,發(fā)酵半乳糖能力較弱,不能發(fā)酵木糖、阿拉伯糖、麥芽糖等糖類物質(zhì);除海藻糖、乳糖、赤蘚糖外,能同化已測試的全部糖類,不能利用淀粉,可以同化甘露醇、乙醇和甘油。此外,A10-2可以同化硝酸鈉,在37 ℃溫度下能較好生長,在高鹽(18% NaCl)環(huán)境中也能增殖,在無維生素培養(yǎng)中能緩慢生長,而脲酶、50%葡萄糖、1%乙酸測試均為陰性。采用文獻[23]方法進行生理生化特征比對,初步鑒定A10-2為Wickerhamiella屬微生物。
表2 產(chǎn)香酵母A10-2生理生化測試結(jié)果Table 2Physiological and biochemical identification of A10-2
為進一步鑒定A10-2的分類學(xué)地位,對其ITS rDNA序列進行克隆,PCR擴增產(chǎn)物瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果見圖3,顯示其片段長度約450 bp。DNA測序結(jié)果表明PCR擴增到的ITS rDNA序列長度為434 bp。該序列提交GenBank并進行BLAST分析,結(jié)果顯示A10-2與Wickerhamiella versatilis相似性為100%。綜合形態(tài)學(xué)觀察、生理生化測試和分子生物學(xué)鑒定,初步確定A10-2為W.versatilis。Clara等[24]通過分類學(xué)研究將Brettanomyces versatilis轉(zhuǎn)為W.versatilis,Brettanomyces屬微生物是葡萄酒發(fā)酵中重要的微生物,具有代謝酚類物質(zhì)的能力,對葡萄酒風(fēng)味的形成有重要貢獻[25]。因此推測W.versatilis在醬油酚類化合物代謝中發(fā)揮重要作用。
圖3 瓊脂糖凝膠電泳檢測A10-2 ITS rDNA序列PCR產(chǎn)物Fig.3 Agarose gel electrophoresis of PCR products of ITS rDNA sequence from A10-2
如圖4所示,NaCl質(zhì)量分數(shù)對A10-2生長曲線影響顯著,當NaCl質(zhì)量分數(shù)為5%時,最適宜A10-2生長,NaCl質(zhì)量分數(shù)為18%時,生長延遲期明顯延長,延遲期達到30 h。說明A10-2具有一定的耐鹽性,可以在高鹽(18% NaCl)環(huán)境中生長,但細胞增殖速率受到一定程度的抑制。
圖4 A10-2在不同質(zhì)量分數(shù)NaCl麥芽汁培養(yǎng)基中生長曲線分析Fig.4 Growth curves of W.versatilis A10-2 in media with various NaCl concentrations
已有文獻表明,酵母類微生物可以利用阿魏酸作為前體物質(zhì)代謝合成4-EG,主要中間代謝產(chǎn)物為4-VG[15]。因此,本研究將阿魏酸、4-VG作為底物分別添加發(fā)酵培養(yǎng)基,接種W.versatilisA10-2進行發(fā)酵,以分析菌株的4-EG合成代謝途徑,結(jié)果如圖5所示。添加阿魏酸或者4-VG后,發(fā)酵液中均檢出了大量的4-EG;其中阿魏酸組同時檢出了4-VG(圖5a),4-VG組檢出的4-VG相對峰面積較對照組下降了89.4%(圖5b,表3)。表明W.versatilisA10-2主要以阿魏酸為底物,在阿魏酸脫羧酶的作用下脫去羧基得到中間產(chǎn)物4-VG,進一步通過4-VG還原酶催化得到4-EG。已有研究表明C.versatilis具有將阿魏酸代謝成為4-VG和4-EG的能力,其代謝能力受到發(fā)酵條件的影響;在醬油中C.versatilis代謝阿魏酸合成4-VG和4-EG的得率約為20%[26]。在細菌研究中發(fā)現(xiàn)Bacillus pumilusS-1具有快速將阿魏酸代謝成為4-VG的能力[27]。但是關(guān)于Wickerhamiella代謝酚類化合物的研究鮮有報道。
圖5 W.versatilisA10-2菌株代謝4-EG合成前體物質(zhì)的能力分析Fig.5 Analysis of the ability of W.versatilis A10-2 to metabolize precursor substances of 4-EG
表3 W.versatilis A10-2代謝合成4-EG和4-VG相對含量Table 3Relative quantitative analysis of 4-EG and 4-VG from W.versatilis A10-2
添加W.versatilisA10-2種子培養(yǎng)液到醬油發(fā)酵液中,其理化指標測定結(jié)果如表4所示,實驗組氨基酸態(tài)氮與對照組(未接種A10-2)相近,總酸較對照組有一定幅度提升,而還原糖、pH值有一定幅度降低,推測主要原因是還原糖被W.versatilisA10-2代謝利用,并產(chǎn)生了一定量的酸性物質(zhì)。上述結(jié)果表明,W.versatilisA10-2應(yīng)用于醬油發(fā)酵液,對氨基酸態(tài)氮影響不顯著,可輕微提高總酸含量,并降低還原糖含量。
表4 W.versatilis A10-2添加對醬油發(fā)酵液理化指標的影響Table 4Effect of W.versatilis A10-2 on physicochemical indexes of soy sauce mash
為了驗證W.versatilisA10-2在醬油發(fā)酵液中4-EG的代謝能力,采用GC-MS對上述發(fā)酵液進行了4-EG定量分析,結(jié)果如表5所示。發(fā)酵12 d,4-EG質(zhì)量濃度為0.63 mg/mL,添加阿魏酸后4-EG含量質(zhì)量濃度進一步提高為12.05 mg/mL(表5),對照組(未接種A10-2)未檢出4-EG。這一結(jié)果證實W.versatilisA10-2可在醬油發(fā)酵液中合成4-EG,添加阿魏酸可以顯著提高4-EG含量,因此認為其具有優(yōu)化提高醬油發(fā)酵液4-EG含量的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)微生物代謝是醬油風(fēng)味物質(zhì)的形成重要因素,建立醬油微生物組學(xué)、代謝組學(xué)和風(fēng)味物質(zhì)譜的聯(lián)系是未來醬油風(fēng)味研究的重要方向[28]。在醬油耐鹽酵母的應(yīng)用中,Sluis等[29]發(fā)現(xiàn)固定化Zygosaccharomyces rouxii、C.versatilis細胞對于加快醬油風(fēng)味物質(zhì)的積累有重要意義。同時,Tetragenococcus halophilus和C.versatilis共同培養(yǎng)與醬油風(fēng)味物質(zhì)的形成高度相關(guān),并發(fā)現(xiàn)T.halophilus對醬油鮮味物質(zhì)的形成有重要貢獻[30]。因此,耐鹽酵母在醬油發(fā)酵中的應(yīng)用對于提升醬油風(fēng)味品質(zhì)有非常重要的意義[31]。如圖6所示,香氣鑒評表明,將添加W.versatilisA10-2得到的高4-EG含量醬油發(fā)酵液調(diào)配到成品醬油中,香氣方面,可以一定程度上提升成品醬油醬香、醇香和焦香;口感方面,可一定程度緩和咸味,同時能夠提升鑒評人員的偏好程度。說明其在醬油風(fēng)味和口感改善的方面有較大的應(yīng)用前景,對于迎合消費者需求具有重要意義。
表5 W.versatilis A10-2添加對醬油發(fā)酵液中4-EG含量的影響Table 5Effect of W.versatilis A10-2 on content of 4-EG in soy sauce mash
圖6 W.versatilis A10-2高4-EG含量醬油發(fā)酵液對醬油香氣(a)和滋味(b)的影響Fig.6 Effect of high 4-EG concentration in fermentation broth of W.versatilis A10-2 on aroma (a) and taste (b) of soy sauce
EG是醬油中關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì),也是典型醬香味的特征風(fēng)味物質(zhì)之一,一定濃度的4-EG對醬油的風(fēng)味起到至關(guān)重要的作用。本研究從醬油發(fā)酵醪中分離得到1 株產(chǎn)4-EG的酵母菌株A10-2。采用微生物常規(guī)鑒定手段和分子生物學(xué)方法研究A10-2的種屬關(guān)系,初步鑒定其為W.versatilis。W.versatilisA10-2可以耐受18% NaCl,能利用阿魏酸合成4-VG,并可將4-VG還原為4-EG。在醬油發(fā)酵液中添加阿魏酸時,W.versatilisA10-2可以將4-EG質(zhì)量濃度提高到對照組的19.1 倍。在成品醬油中添加高4-EG含量醬油發(fā)酵液,可顯著改善醬油醬香和醇香。上述結(jié)果顯示出W.versatilisA10-2在提升醬油4-EG含量、改善醬油香氣方面的巨大潛力。在大罐醬油發(fā)酵風(fēng)味普遍偏弱的情況下,生物強化4-EG含量對于提升醬油品質(zhì)有重要意義;因此,調(diào)控W.versatilisA10-2在醬油發(fā)酵醪中的生長和代謝,穩(wěn)定實現(xiàn)醬油風(fēng)味改良是下一步的研究重點。