楊鳳英,秦洋*
1(邵陽(yáng)學(xué)院 食品與化學(xué)工程學(xué)院,湖南 邵陽(yáng),422000) 2(生態(tài)釀酒新技術(shù)與應(yīng)用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(邵陽(yáng)學(xué)院),湖南 邵陽(yáng),422000)
高粱、糯米、小麥、大米、玉米作為五糧型白酒釀造的主要原料,高含量的支鏈淀粉直接影響白酒的產(chǎn)量[1]。所以提高出酒率、糖化效率是釀酒工作的重點(diǎn)[2],對(duì)白酒生產(chǎn)具有重要意義。
酒曲微生物區(qū)系分為霉菌(糖化)、細(xì)菌(產(chǎn)香)和酵母菌(發(fā)酵),其中根霉屬為起到糖化作用的主要微生物[3]。通過(guò)適宜的方式提高酒曲糖化能力,是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。研究顯示,冠突散囊菌(Eurotiumcritatum)能夠分泌淀粉酶,將淀粉分解為小分子糖,供自身生長(zhǎng),且生長(zhǎng)條件與霉菌相似[4]。這一生物學(xué)性質(zhì)為E.critatum與根霉屬的協(xié)同糖化提供了重要的理論依據(jù)。此外,E.critatum作為一種益生菌,具有抑菌、降血糖、抗氧化等功效[5-6]。然而,在食品發(fā)酵領(lǐng)域,主要應(yīng)用于茶葉、谷類等發(fā)酵[5,7],在白酒釀造領(lǐng)域的研究鮮有報(bào)道。因此,利用E.critatum與根霉協(xié)同糖化并研究其影響機(jī)制,具有重要的意義及創(chuàng)新性。
糖化的本質(zhì)是淀粉的水解[8]。因此,淀粉分子的一系列變化,包括直鏈淀粉比例、分子聚合度、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形態(tài)等均能夠直觀地反映出糖化的效率[9-10]。隨著現(xiàn)代分析手段的不斷發(fā)展,從淀粉分子的系列變化分析糖化效率發(fā)生改變的作用機(jī)制,已成為不可或缺的分析手段。
本實(shí)驗(yàn)中,采用E.critatum與根霉協(xié)同糖化,通過(guò)添加E.critatum、酵母菌、根霉(以甜酒曲作為載體)和無(wú)菌水培養(yǎng)的酒曲,在相同條件下對(duì)糧醅進(jìn)行糖化發(fā)酵。通過(guò)分析糧醅還原糖含量分析E.critatum對(duì)酒曲糖化能力的影響,并得出最佳的糖化工藝。同時(shí),通過(guò)分析酒曲淀粉分子的系列變化分析E.critatum對(duì)酒曲糖化能力的影響機(jī)理,為E.critatum在白酒糖化發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
原料:五糧,市售;制曲原料(小麥、稻殼等),湖南湘窖酒業(yè)股份有限公司。
菌種:E.critatum,北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院;釀酒酵母,本實(shí)驗(yàn)室保存;甜酒曲(根霉菌約為1×106CFU/mL),安琪酵母股份有限公司。
96%直鏈淀粉、87.2%支鏈淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA),北京中科質(zhì)檢生物技術(shù)有限公司;C6H12O6、NaOH、HCl,均為分析純,上??道噬锟萍加邢薰?;DMSO試劑(色譜純),南京化學(xué)試劑股份有限公司;察氏瓊脂培養(yǎng)基,YPD培養(yǎng)基,杭州西頓生物科技有限公司。
HR-T16M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī),湖南赫西儀器裝備有限公司;XD-3型X射線衍射儀、Tescan Mi-ra3掃描電子顯微鏡,上海永傲精密儀器有限公司;Epoch全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀、1525型凝膠滲透色譜儀、2414檢測(cè)器、Agilent PLgel 5 μm MIXED-C色譜柱,美國(guó)沃特世有限公司。
1.3.1 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行糧食預(yù)處理
選擇無(wú)霉變的糧食,將玉米粉碎至20目,按照經(jīng)典五糧配方[11],每份樣品50 g糧食(干重),3組平行,進(jìn)行溫水潤(rùn)糧12 h,用紗布過(guò)濾水分,放入蒸鍋中蒸2.5 h,將蒸好的糧食攤涼至35 ℃,裝罐。
1.3.2 菌懸液的準(zhǔn)備
將E.critatum在察氏瓊脂培養(yǎng)基上活化,酵母菌在YPD培養(yǎng)基上活化,選取長(zhǎng)勢(shì)較好的單菌落,在液體培養(yǎng)基上擴(kuò)培。分別在恒溫振蕩器上28 ℃、150 r/min培養(yǎng)5 d,30 ℃、150 r/min培養(yǎng)12 h得到實(shí)驗(yàn)菌種,最終E.critatum濃度約為(1×105CFU/mL),酵母菌濃度約為(1×106CFU/mL)。
1.3.3E.critatum與甜酒曲對(duì)糧醅糖化效率的影響
將30份100 g糯米浸泡12 h,用紗布過(guò)濾水分,蒸30 min,冷卻至35 ℃裝罐,分別加入5、10、15、20、25 mLE.critatum菌液,甜酒曲為0.4 g/100 g,3組平行,攪拌均勻,密封放置于培養(yǎng)箱,32 ℃培養(yǎng)糖化5 d,測(cè)定糧醅還原糖含量。
分別加入0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 g/100 g甜酒曲,E.critatum菌液20 mL/100 g,方法同上進(jìn)行糖化。
1.3.4 單因素試驗(yàn)
1.3.4.1E.critatum菌液添加量的確定
100 g空白曲中分別加入0、5、10、15、20、25 mLE.critatum菌液,酵母菌6 mL/100 g,甜酒曲2 g/100 g,水分含量44%,制成不同濃度的E.critatum的酒曲在曲房進(jìn)行培養(yǎng),分別取10 g曲粉到1.3.1糧食樣品中,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室釀酒實(shí)驗(yàn),32 ℃發(fā)酵7 d,根據(jù)糧醅還原糖含量?jī)?yōu)選3個(gè)較好的E.critatum添加量進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
1.3.4.2 酵母菌液添加量的確定
酵母菌在白酒釀造過(guò)程中不可缺失,是白酒釀造微生物中重要的菌群之一。方法同上,分別加入0、2、4、6、8、10 mL/100 g酵母菌菌液,E.critatum15 mL/100 g,甜酒曲2 g/100 g,水分含量44%,根據(jù)糧醅還原糖含量?jī)?yōu)選3個(gè)較好的酵母菌液添加量進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
1.3.4.3 甜酒曲添加量的確定
傳統(tǒng)酒曲中主要是根霉起到糖化作用,為了區(qū)分根霉的添加是否會(huì)影響E.critatum對(duì)酒曲的糖化能力。方法同上,分別加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/100 g甜酒曲,E.critatum15 mL/100 g,水分含量44%,酵母菌菌液6 mL/100 g,根據(jù)糧醅還原糖含量?jī)?yōu)選3個(gè)較好的甜酒曲添加量進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
1.3.4.4 酒曲水分含量的確定
為了區(qū)分是菌種對(duì)酒曲本身還是水分含量的作用,方法同上,水分含量分別控制在26%、32%、38%、44%、50%、56%,E.critatum15 mL/100 g,甜酒曲2 g/100 g,酵母菌菌液6 mL/100 g,根據(jù)糧醅還原糖含量?jī)?yōu)選3個(gè)較好的水分含量進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
1.3.5 響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)
按表1制成不同的酒曲,方法同1.3.4,采用 Box-Behnken設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。
表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment
1.3.6 糧醅還原糖含量和酸度測(cè)定方法
參照DB34/T 2264—2014《固態(tài)發(fā)酵酒醅分析方法》。
1.3.7 酒曲淀粉提取
酒曲浸泡2 h后打漿,漿液過(guò)80目篩,靜置倒出上清液,沉淀用0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH溶液[12]浸提攪拌4 h(料液比1∶5,g∶mL),倒出上清液,用純水洗至清澈,4 000 r/min離心10 min,刮掉上層黃色物,洗滌沉淀重復(fù)離心3次,將淀粉沉淀在40 ℃下烘干24 h,過(guò)200目篩保存。
1.3.8 酒曲支/直鏈淀粉含量測(cè)定方法
參照焦夢(mèng)悅等[13]的雙標(biāo)單波長(zhǎng)法測(cè)支鏈淀粉含量,以吸光度為縱坐標(biāo),支鏈淀粉含量為橫坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=-0.007 3x+0.795 7,R2=0.997 4。直鏈淀粉含量按公式(1)計(jì)算:
直鏈淀粉含量=100%-支鏈淀粉含量
(1)
1.3.9 酒曲淀粉分子質(zhì)量分布測(cè)量
依次將分子質(zhì)量為0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%的PMMA標(biāo)準(zhǔn)品過(guò)柱并記錄各自的保留時(shí)間。以分子質(zhì)量(Da)為縱坐標(biāo),保留時(shí)間(min)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=-0.586 4x+13.059,R2=0.998 4,之后將待測(cè)淀粉樣品溶解過(guò)柱,根據(jù)其保留時(shí)間按照標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算其分子質(zhì)量分布。
凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography, GPC)前處理方法:8 mg樣品溶于4 mL DMSO試劑,溶解6 h,用0.45 μm濾膜過(guò)濾后上機(jī)測(cè)試。檢測(cè)條件:Waters 2414示差檢測(cè)器,色譜柱Agilent PLgel 5 μm MIXED-C,流動(dòng)相為DMSO試劑,流速1 mL/min,2 mg/mL,進(jìn)樣50 μL,檢測(cè)柱溫35 ℃,檢測(cè)35 min[14]。
1.3.10 酒曲淀粉微觀結(jié)構(gòu)
參照陳青[15]的方法進(jìn)行測(cè)定。
1.3.11 酒曲淀粉結(jié)晶度
前處理方法:直接上機(jī)。操作條件為:起始角2θ為10°,終止角2θ為80°,掃描速度8 °/min,參照SUN等[16]的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
運(yùn)用SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次(結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示)并進(jìn)行相關(guān)性分析,應(yīng)用Origin 2019畫圖。
如圖1-a和圖1-b所示,當(dāng)甜酒曲添加量低于0.6 g/100 g時(shí),E.critatum低于15 mL/100 g時(shí),糧醅還原糖含量逐漸上升,由此可知,甜酒曲中的根霉與E.critatum具有良好的協(xié)同糖化作用,甜酒曲高于0.6 g/100 g時(shí),E.critatum高于15 mL/100 g時(shí),這種趨勢(shì)不再明顯,可能原因是E.critatum與根霉數(shù)量增加,在有限的O2和碳源條件下,不再進(jìn)行糖化作用。所以,適宜的E.critatum與甜酒曲添加量在合適的條件下具有良好的協(xié)同糖化作用。
a-甜酒曲;b-E.critatum菌液圖1 甜酒曲、E.critatum菌液對(duì)糧醅 還原糖含量的影響Fig.1 Effects on the reducing sugar content of fermented grains by Jiuqu and E.critatum
圖2-a結(jié)果顯示,當(dāng)E.critatum菌液添加量低于10 mL/100 g時(shí),糧醅還原糖含量隨E.critatum的增加而增加??梢娫谝欢ǚ秶鷥?nèi),E.critatum有利于酒曲的協(xié)同糖化作用。當(dāng)E.critatum添加量高于10 mL/100 g時(shí),這種趨勢(shì)不再明顯??赡艿脑蚴谴罅康木涸谂嗲^(guò)程中需要足夠的碳源,與細(xì)菌、酵母有一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[17],反而不利于E.critatum的生長(zhǎng)繁殖[18]。糖化是在微酸性條件下進(jìn)行,酸度過(guò)高不利于糧醅糖化,因此,較為理想的E.critatum添加量為10 mL/100 g。
圖2-b結(jié)果顯示,當(dāng)酵母菌液添加量低于4 mL/100 g時(shí),酒曲在培養(yǎng)過(guò)程中,合適的酵母菌菌液增加與霉菌的生長(zhǎng)與代謝保持較高的協(xié)同性,酒曲具有良好的糖化能力,還原糖含量增加。當(dāng)酵母菌液添加量高于4 mL/100 g時(shí),這種趨勢(shì)不再明顯,可能的原因是過(guò)量的酵母菌在酒曲培養(yǎng)過(guò)程中將小分子糖發(fā)酵為酒精[19],抑制酒曲中糖化作用的微生物生長(zhǎng),發(fā)酵的糧醅酸度緩慢上升,還原糖逐漸下降[20]。所以適當(dāng)添加酵母有利于酒曲培養(yǎng)過(guò)程中酵母、根霉的相互適應(yīng)及良好生長(zhǎng)。因此,較為理想的酵母液添加量為4 mL/100 g。
如圖2-c所示,當(dāng)甜酒曲添加量低于1.0 g/100 g時(shí),糧醅還原糖含量隨甜酒曲的增加而增加??梢娫谝欢ǚ秶鷥?nèi),根霉菌有利于酒曲的協(xié)同糖化作用。當(dāng)甜酒曲添加量高于1.0 g/100 g時(shí),這種趨勢(shì)不再明顯,糧醅酸度隨著甜酒曲的增加而增加??赡艿脑蚴撬岫冗^(guò)高不利于E.critatum與根霉菌的糖化,糧醅還原糖含量緩慢降低[21]。因此,較為理想的甜酒曲添加量為1.0 g/100 g。
a-E.critatum菌液;b-酵母菌液;c-甜酒曲;d-酒曲水分含量圖2 E.critatum菌液、酵母菌液、甜酒曲、水分含量對(duì)糧醅還原糖含量和酸度的影響Fig.2 Effects of E.critatum liquid, yeast liquid, Jiuqu and water content on the reducing sugar content and acidity of fermented grains
圖2-d結(jié)果顯示,當(dāng)水分含量低于38%時(shí),糧醅還原糖含量隨水分含量的增加而增加??梢娫谝欢ǚ秶鷥?nèi),水分有利于酒曲中糖化作用微生物生長(zhǎng),有利于酒曲的協(xié)同糖化作用。當(dāng)水分含量高于38%時(shí),這種趨勢(shì)不再明顯。可能的原因是水分含量過(guò)高時(shí),微生物生長(zhǎng)緩慢。水分含量過(guò)低時(shí)曲坯中水分散失過(guò)快,不利于微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)[22]。糧醅酸度變化與還原糖含量變化趨勢(shì)一樣,因此,較為理想的水分含量為38%。
2.6.1 響應(yīng)面結(jié)果
由響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)得出最佳還原糖含量的計(jì)算如公式(2)所示:
還原糖含量=6.54-0.21A+0.46B+0.41C-0.48D+0.092AB-0.62AC+0.47AD+0.22BC+0.24BD-0.40CD-1.81A2-0.80B2-0.90C2-1.00D2
(2)
2.6.2 方差及可信度分析
由表2可知,模型差異極顯著;失擬項(xiàng)差異不顯著。4個(gè)因素均對(duì)響應(yīng)指標(biāo)糧醅還原糖含量具有顯著影響,對(duì)糧醅還原糖含量的影響程度大小為D>B>C>A。Pred R2與Adj R2差值小于0.2。F值越大,說(shuō)明兩兩交互作用越好,AC兩兩交互作用最佳,其次為AD。圖3結(jié)果與響應(yīng)面二次模型方差分析結(jié)果一致。坡度相對(duì)陡峭,表明響應(yīng)值對(duì)于處理?xiàng)l件的改變非常敏感。
表2 回歸模型的方差分析及顯著性結(jié)果Table 2 Analysis of variance and significance results of regression model
圖3 AC和AD因素交互作用對(duì)還原糖含量 影響的響應(yīng)曲面Fig.3 Response surface of the interaction of AC and AD factors on reducing sugar content
2.6.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
通過(guò)Design-Expert 10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到酒曲的最優(yōu)條件:考慮實(shí)際生產(chǎn)條件,最佳發(fā)酵條件調(diào)整添加量為酵母菌為3.68 mL/100 g,E.critatum為11.43 mL/100 g,甜酒曲為1.692 g/100 g,水分為36.08%。進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)糧醅還原糖含量為(6.95±0.25) g/100 g,與模型預(yù)測(cè)值差異不大。
因此,由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:E.critatum有助于酒曲的協(xié)同糖化,提高了糧醅糖化效率。
通過(guò)研究?jī)?yōu)化組酒曲淀粉(樣品A)與傳統(tǒng)酒曲淀粉(樣品B)的系列變化分析E.critatum對(duì)酒曲糖化能力的作用機(jī)制。
由1.3.8計(jì)算出樣品A、樣品B和制曲原料小麥支鏈淀粉含量分別為(57.26±1.49)%、(60.49±1.44)%、(67.74±1.54)%;直鏈淀粉含量分別為(42.74±1.11)%、(39.51±1.39)%、(32.26±1.24)%;支直比分別為1.34∶1、1.53∶1、2.10∶1。
在E.critatum對(duì)酒曲直鏈淀粉含量的影響下。樣品A的支鏈淀粉含量相對(duì)于小麥降低了10.48%,比樣品B降低了3.23%,樣品A直鏈淀粉含量相對(duì)于小麥增加了,比樣品B高。支鏈淀粉被酶水解為直鏈淀粉,淀粉的支直比越低,表明支鏈淀粉含量水解程度越高[23]即冠突散囊菌促進(jìn)了淀粉分子的水解作用。酒曲作為投糧產(chǎn)生作用,可以提高糧食利用率[24]??梢?,E.critatum有利于酒曲的協(xié)同糖化作用。
由表3可知,樣品A淀粉分子質(zhì)量0.2×105~1.0×105Da的占比為64%,B占比為59%;淀粉分子質(zhì)量20 000 Da以下樣品A占比為25%,B占比為30%。說(shuō)明樣品A淀粉分子質(zhì)量分布越小,越集中。B平均分子質(zhì)量為96 930 Da,A為94 325 Da,平均分子質(zhì)量比B小,表明小分子淀粉含量增加。由2.7可知,樣品A的直鏈淀粉含量比B高,可以推測(cè)經(jīng)過(guò)E.critatum對(duì)酒曲的協(xié)同糖化作用后,部分大分子淀粉被水解而導(dǎo)致淀粉平均分子質(zhì)量降低[25],說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組酒曲將淀粉大分子水解的能力比傳統(tǒng)酒曲強(qiáng)。
表3 實(shí)驗(yàn)組酒曲(樣品A)與傳統(tǒng)酒曲(樣品B)的 淀粉GPC結(jié)果Table 3 GPC results of experimental group Jiuqu starch (sample A) and traditional Jiuqu starch (sample B)
由圖4可知,兩者淀粉分子呈扁圓形、不規(guī)則形態(tài),直徑在20 μm左右,小于10 μm淀粉顆粒表面比較光滑。樣品A大多數(shù)淀粉上有裂紋,裂紋處有大凹痕和小孔,樣品B淀粉上有少許凹痕,相對(duì)于A,淀粉B比較圓潤(rùn),小顆粒淀粉占比多于A,由GPC數(shù)據(jù)得出,樣品A淀粉分子質(zhì)量分布小于B,比B集中,與掃描電鏡結(jié)果符合。從2.7得知,樣品B直鏈淀粉含量比A低[26],直鏈淀粉處于淀粉顆粒內(nèi)部,支鏈淀粉分布在外層,A淀粉表面支鏈淀粉被分解為小分子淀粉,說(shuō)明E.critatum對(duì)酒曲的協(xié)同糖化會(huì)對(duì)淀粉顆粒有分解作用。
a-實(shí)驗(yàn)組酒曲;b-傳統(tǒng)酒曲圖4 酒曲的淀粉掃描電鏡圖Fig.4 SEM photographs of Jiuqu starches
如圖5所示,樣品A和B淀粉的X-射線衍射均在2θ為15°、17°、18°、20°、23°、27°出現(xiàn)峰值,A在2θ為27°峰比較明顯,有研究發(fā)現(xiàn)小麥粉的淀粉在2θ為15°、17°、18°、23°出現(xiàn)峰值,小麥淀粉結(jié)晶度是20%~23%[27]。樣品A淀粉的結(jié)晶度為17.96%,B淀粉的結(jié)晶度為18.92%,相對(duì)于小麥淀粉結(jié)晶度有所降低,可能原因是B小顆粒淀粉占比多于A,A直鏈淀粉含量高,造成結(jié)晶度低,所以E.critatum對(duì)酒曲的協(xié)同糖化可以促進(jìn)支鏈淀粉的水解,使直鏈淀粉增加,淀粉結(jié)晶度與直鏈淀粉含量相關(guān)[28],淀粉顆粒上的裂紋導(dǎo)致A淀粉結(jié)晶度減弱,減少了結(jié)晶面積[29]。
圖5 酒曲淀粉X-衍射圖Fig.5 XRD curves of Jiuqu starches
綜上,實(shí)驗(yàn)組A的直鏈淀粉含量增加,淀粉平均分子質(zhì)量減少,掃描電鏡圖顯示高含量的直鏈淀粉和淀粉顆粒上的裂紋造成了A淀粉結(jié)晶度比B結(jié)晶度低,E.critatum對(duì)酒曲的協(xié)同糖化作用明顯比傳統(tǒng)酒曲水解支鏈淀粉能力增強(qiáng),糖化作用增強(qiáng)。
本研究結(jié)果顯示,E.critatum可以提高糧醅的還原糖含量,提高酒曲的糖化效率,最佳條件為酵母菌添加量為3.68 mL/100 g,E.critatum添加量為11.43 mL/100 g,甜酒曲添加量為1.692 g/100 g,酒曲水分含量為36.08%;添加有E.critatum的實(shí)驗(yàn)組酒曲直鏈淀粉含量增加,GPC顯示淀粉分子質(zhì)量降低,掃描電鏡圖淀粉結(jié)構(gòu)變化明顯,X-衍射結(jié)晶度降低,晶體結(jié)構(gòu)明顯,這些現(xiàn)象表明淀粉分子表達(dá)了E.critatum與根霉協(xié)同糖化下的作用機(jī)理。
本實(shí)驗(yàn)培曲條件有限,培曲的量與實(shí)際培曲有差別,采用的是實(shí)驗(yàn)室釀酒實(shí)驗(yàn),沒(méi)有進(jìn)行工業(yè)化,但是得到的結(jié)果比較明顯,后續(xù)可基于E.critatum的糖化機(jī)理,作用于其他酒曲和白酒工業(yè)化生產(chǎn),以提高酒曲糖化能力,并提高糧食利用率和出酒率。