郭慧女,康文懷,徐 巖,喻曉蔚
(江南大學(xué)生物工程學(xué)院釀造科學(xué)與酶技術(shù)中心,教育部工業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)
微生物β-D-葡萄糖苷酶對(duì)玫瑰香(MUSCAT)葡萄結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)的影響
郭慧女,康文懷,徐 巖*,喻曉蔚
(江南大學(xué)生物工程學(xué)院釀造科學(xué)與酶技術(shù)中心,教育部工業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)
β-D-葡萄糖苷酶是風(fēng)味修飾中的關(guān)鍵酶,對(duì)葡萄酒香氣的提升具有十分重要的作用。利用篩選的產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的黑曲霉、海藻曲霉、魯氏毛霉,結(jié)合固相微萃取、氣質(zhì)聯(lián)用等技術(shù),對(duì)β-D-葡萄糖苷酶促進(jìn)玫瑰香葡萄結(jié)合態(tài)香氣的釋放進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,不同微生物來(lái)源的β-D-葡萄糖苷酶對(duì)糖苷類香氣物質(zhì)的水解能力不同,產(chǎn)物也存在顯著差異,黑曲霉作用產(chǎn)生的香氣物質(zhì)含量遠(yuǎn)高于其他兩種菌株,其中萜烯類香氣物質(zhì)最為豐富,占總香氣含量的85.91%。因此,來(lái)源于黑曲霉的β-D-葡萄糖苷酶對(duì)糖苷類風(fēng)味物質(zhì)的作用最顯著,可以改善葡萄酒的風(fēng)味。
β-D-葡萄糖苷酶,玫瑰香葡萄,結(jié)合態(tài)香氣
葡萄酒的香氣主要來(lái)自于葡萄的揮發(fā)性化合物[1]。香氣化合物的重要組成部分是來(lái)自葡萄漿果的結(jié)合態(tài)糖苷類物質(zhì),此類結(jié)合態(tài)香氣成分,通過(guò)水解可釋放出香氣化合物或能產(chǎn)生香氣化合物前體物質(zhì)[2]。葡萄果實(shí)中,除可被感知的游離態(tài)香氣外,還有以葡萄糖苷鍵形式存在的結(jié)合態(tài)香氣,如單萜烯基-β-D-葡萄糖苷,這些風(fēng)味前體物的含量相對(duì)于揮發(fā)性的萜烯醇要豐富得多,這些物質(zhì)本身無(wú)香味、不揮發(fā)[3]。糖苷類化合物通過(guò)酸解或酶解可以釋放揮發(fā)態(tài)化合物[4],在葡萄酒釀造條件下,酸解發(fā)生緩慢,對(duì)溫度,pH等有嚴(yán)格要求,且會(huì)影響分解出的物質(zhì)的性質(zhì)及其香氣,不適于應(yīng)用在葡萄酒釀造工業(yè)中[5]。而酶解則是一種更接近于自然、溫和的方法,極具商業(yè)化應(yīng)用前景,因此一般采用酶解的方法來(lái)分解風(fēng)味前體物[6]。β-D-葡萄糖苷酶是芳香成分水解作用最明顯的關(guān)鍵酶[7],該酶與萜烯類前體有密切關(guān)系,結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)在糖苷酶的作用下可釋放配糖基,產(chǎn)生游離態(tài)芳香成分,即產(chǎn)生大量濃郁的具有天然特征香氣的物質(zhì)[8]。Barbagallo[1]等人對(duì)結(jié)合態(tài)香氣水解后產(chǎn)生的萜烯類化合物對(duì)果汁增香的作用做了詳細(xì)闡述。Pogorzelski[8]對(duì)酶水解果汁中糖苷鍵前體物質(zhì)的重要性及其在葡萄酒中的應(yīng)用前景做了闡述。Belancic[9]等人對(duì)來(lái)源于酵母的β-D-葡萄糖苷酶作用在麝香葡萄中萜烯類化合物香氣物質(zhì)影響進(jìn)行了研究。Cabaroglu[10]等人對(duì)來(lái)源于黑曲霉的β-D-葡萄糖苷酶作用于釀酒條件下水解糖苷類化合物的各種條件進(jìn)行了報(bào)道研究。Arevalo-Villena[11]等人對(duì)β-D-葡萄糖苷酶對(duì)白葡萄酒中的增香作用做了詳細(xì)闡述。國(guó)內(nèi)的研究尚停留在游離態(tài),而結(jié)合態(tài)香氣比游離態(tài)香氣成分豐富得多[12],但β-D-葡萄糖苷酶作用于葡萄結(jié)合態(tài)香氣的研究國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。來(lái)源于自然界的β-D-葡萄糖苷酶存在著顯著的生物多樣性,而從各類微生物中分離得到的β-D-葡萄糖苷酶之間也呈現(xiàn)多樣性[13],且不受季節(jié)氣候的影響,生產(chǎn)周期短,價(jià)格優(yōu)廉。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合GC/MS對(duì)不同來(lái)源的β-D-葡萄糖苷酶作用結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)后進(jìn)行定性定量分析,為今后進(jìn)一步研究β-D-葡萄糖苷酶對(duì)結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)的影響和香氣形成機(jī)理提供理論依據(jù)。
1.1 材料與儀器
葡萄 采自國(guó)內(nèi)山東地區(qū)自建葡萄園,樹齡五年以上,2009年8月于葡萄成熟期采收,其葡萄品種為濃香型玫瑰香葡萄(Muscat),隨機(jī)采摘2kg葡萄樣品于-20℃下保存?zhèn)溆茫环蛛x篩選菌株的葡萄和土壤樣品 采自山東煙臺(tái)張?jiān)F咸厌劸乒煞萦邢薰镜钠咸鸦?,依照Flachner B的方法[14],以對(duì)硝基苯-β -D-葡萄糖苷(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG)為底物進(jìn)行初篩,并利用搖瓶發(fā)酵,通過(guò)測(cè)定酶活進(jìn)行復(fù)篩,共篩選出了3株產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶酶活力較高的菌株,經(jīng)18S鑒定,分別為黑曲霉(Aspergillusniger)、海藻曲霉(Aspergillus phoenicis)、魯氏毛霉(Mucor rouxianus);p-NPG、2-辛醇(純度>99%) sigma公司;甲醇、戊烷 色譜純,TEDIA試劑公司。
紫外分光光度計(jì) 尤尼科上海儀器有限公司;固相萃取小柱(SPE) Waters公司;氣相色譜(Gas chromatograph,GC)6890N與質(zhì)譜 5975 均購(gòu)于Agilent公司;Beckman AVANTIJ-E離心機(jī)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 酶活的測(cè)定 酶活的測(cè)定采用Belancic A的方法[9],即以p-NPG為底物,在β-D-葡萄糖苷酶作用下水解成對(duì)硝基苯酚和葡萄糖,利用對(duì)硝基苯酚在堿性條件下顯色的原理,通過(guò)比色法來(lái)測(cè)定β-D-葡萄糖苷酶的酶活。1mL酶液1min水解產(chǎn)生1μmol的對(duì)硝基苯酚的酶活力,定義為一個(gè)酶活力單位。
1.2.2 葡萄結(jié)合態(tài)香氣的萃取 稱取適量玫瑰香葡萄,除梗、破碎、離心,獲取上清液,在-20℃下保存?zhèn)溆谩?/p>
結(jié)合態(tài)香氣成分(糖苷類物質(zhì))的萃取采用Mateo J J[15]的方法,即取適量葡萄汁,利用C18萃取小柱吸附糖苷類物質(zhì),再用甲醇進(jìn)行洗脫,并冷凍干燥。獲得的結(jié)合態(tài)香氣成分用緩沖溶液(pH=5.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液)復(fù)溶至樣品原體積。
1.2.3 酶促水解 粗酶液的制備:以麩皮等為搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基[16]誘導(dǎo)產(chǎn)酶,8d后將發(fā)酵液離心,取上清液備用。
首先以未加酶的樣品做對(duì)照,其次將黑曲霉、海藻曲霉、魯氏毛霉產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的粗酶液以等酶活力單位的量(1U/mL)添加至經(jīng)處理的含有結(jié)合態(tài)香氣成分的8mL樣品中,放入15mL頂空瓶中,40℃反應(yīng)72h,72h后取出加2.4g NaCl,及5μL內(nèi)標(biāo)(2-辛醇,濃度為126.5mg/L),依次編號(hào)為CK(對(duì)照)、AN-L1(黑曲霉)、AP-L2(海藻曲霉)、A-L3(魯氏毛霉),每個(gè)樣品重復(fù)二次。
1.2.4 HS-SPME條件 頂空固相微萃?。℉ead-Space Solid Phase Extration)的萃取條件為:45℃預(yù)熱2min,萃取吸附45min,GC解析5min(250℃),用于GC-MS分析。
1.2.5 GC-MS分析
1.2.5.1 GC條件 樣品經(jīng)DB-WAX毛細(xì)管柱(60m ×0.25mm×0.25μm,Jamp;W Scientific)分離;進(jìn)樣口溫度250℃,不分流;載氣為氦氣,流速為2mL/min;柱溫升溫程序?yàn)椋撼跏紲囟?0℃,保持2min,以4℃/min升至230℃,保持15min。分離后的樣品通過(guò)Agilent MSD 5975檢測(cè)。
1.2.5.2 MS條件 EI電離源,電子能量70eV;離子源溫度230℃;掃描范圍30.00~500.00amu。
1.2.6 定性和半定量分析 物質(zhì)定性通過(guò)與NIST05a.L Database(Agilent Technologies Inc.)進(jìn)行檢索比對(duì),并通過(guò)計(jì)算相應(yīng)的保留指數(shù)(RI)進(jìn)行確認(rèn)。
待定物質(zhì)含量采用半定量分析方法進(jìn)行,內(nèi)標(biāo)為2-辛醇(2-octanol)。其計(jì)算公式為Xi=(Ai/As)×Cs,其中Xi為待測(cè)物含量,Cs為內(nèi)標(biāo)物的濃度,As為內(nèi)標(biāo)物峰面積,Ai為待測(cè)物峰面積。
2.1 不同微生物來(lái)源β-D-葡萄糖苷酶酶活的比較
從大量的土壤及葡萄樣品中篩選得到三株能產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶且酶活較高的菌株。為研究不同菌株所產(chǎn)酶活的情況,選用麩皮誘導(dǎo)培養(yǎng)基,經(jīng)搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)8d后,發(fā)酵液經(jīng)離心獲得上清液以測(cè)定其酶活,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同菌株產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶酶活的比較
由表1可知,不同菌株粗酶液中的酶活存在顯著差異,酶活由高到低依次為黑曲霉、魯氏毛霉、海藻曲霉。黑曲霉所產(chǎn)的酶活較高,且黑曲霉是公認(rèn)的安全菌株。許多作者對(duì)黑曲霉產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的情況進(jìn)行了研究,Barbagallo[17]對(duì)黑曲霉和酵母產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的篩選、性質(zhì)及其在釀酒工藝的應(yīng)用進(jìn)行了比較,研究結(jié)果表明,黑曲霉在適合釀造的pH條件下,雖然受到糖的抑制作用,但仍表現(xiàn)出相對(duì)較高的酶活力。但該研究并未對(duì)β-D-葡萄糖苷酶水解后香氣物質(zhì)的變化情況進(jìn)行詳細(xì)研究。
為進(jìn)一步研究β-D-葡萄糖苷酶對(duì)葡萄酒香氣的影響,以等酶活力單位的量(1U/mL)分別將黑曲霉、魯氏毛霉、海藻曲霉的酶液添加到含有結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)的溶液中,以研究不同微生物來(lái)源的β-D-葡萄糖苷酶對(duì)玫瑰香葡萄結(jié)合態(tài)香氣的影響。
表2 四種樣品中被檢測(cè)并鑒定出的萜烯類化合物及其含量
2.2 β-D-葡萄糖苷酶對(duì)萜類物質(zhì)的影響
2.2.1 檢測(cè)并鑒定出的萜烯類化合物 葡萄中萜烯類物質(zhì)主要包括單萜烯、倍半萜烯及二萜烯類化合物,在葡萄或葡萄酒中主要以結(jié)合態(tài)的形式存在。采用HS-SPME和GC-MS技術(shù)分析了β-D-葡萄糖苷酶對(duì)結(jié)合態(tài)香氣的影響,研究結(jié)果表明,經(jīng)β-D-葡萄糖苷酶酶促水解后被檢測(cè)并鑒定出的萜烯類香氣有玫瑰醚、順式-氧化里那醇、橙花醚、里哪醇、β-檸檬醛等11種(見(jiàn)表2),它們具有愉悅的風(fēng)味特征,構(gòu)成了玫瑰香葡萄品種的特征香氣,如經(jīng)來(lái)源于黑曲霉的β-D-葡萄糖苷酶作用后,產(chǎn)生大量的順、反-香葉醇,具有玫瑰香及桃子香。
CK(未添加酶)樣品僅發(fā)現(xiàn)一種萜烯類香氣物質(zhì),但其含量非常低,僅為1.28μg/L,這可能是由于自然水解作用產(chǎn)生的。添加β-D-葡萄糖苷酶后,各樣品中萜烯類含量明顯增加。如AN-L1樣品(黑曲霉)中的含量為783.26μg/L,是未加酶樣品的612倍,這說(shuō)明經(jīng)酶促水解作用后,釋放出了大量萜烯類物質(zhì)。同時(shí),AP-L2、A-L3樣品中的萜烯類物質(zhì)含量遠(yuǎn)低于AN-L1,其含量分別是AN-L1(黑曲霉)的34.12% 和10.59%,這說(shuō)明添加的不同β-D-葡萄糖苷酶的酶活盡管相同,但酶促水解產(chǎn)生的萜類物質(zhì)含量差異顯著。
Gueguen[12]研究了用固定化的β-D-葡萄糖苷酶水解葡萄酒和果汁中的結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì),結(jié)果表明,經(jīng)β-D-葡萄糖苷酶水解后,產(chǎn)生了香葉醇、橙花醇、里哪醇等揮發(fā)性的萜烯類化合物,其結(jié)果與本論文的研究結(jié)果相近,表明這幾種化合物在玫瑰香葡萄結(jié)合態(tài)香氣中占有重要地位。
此外,不同β-D-葡萄糖苷酶作用后,其釋放出的萜類物質(zhì)種類及含量也存在顯著差異。AN-L1(黑曲霉)中萜類物質(zhì)含量較高的依次是反-香葉醇、順-香葉醇、β-香茅醇,其中香葉醇占其總香氣成分的84.09%;AP-L2(海藻曲霉)中含量較高的依次是橙花叔醇、順-香葉醇、反-香葉醇,其中橙花叔醇占其總香氣成分的47.15%;A-L3(魯氏毛霉)含量較高的依次是β-香茅醇、α-檸檬醛、順-香葉醇,其中β-香茅醇,α-檸檬醛分別占其總香氣成分的24.22%和20.74%。表明不同微生物中分離得到的β-D-葡萄糖苷酶之間呈現(xiàn)多樣性,其作用后產(chǎn)生的特征萜烯類香氣是不同的,這為實(shí)現(xiàn)葡萄酒香氣的定向修飾特征提供了依據(jù)。
2.2.2 揮發(fā)性萜烯物質(zhì)的GC-MS總離子流色譜圖
萜烯類物質(zhì)的保留時(shí)間主要集中在16~36min,如圖1所示。從圖中可以明顯看出,各個(gè)樣品中的香氣物質(zhì)得到了較好地分離。各物質(zhì)成分通過(guò)NIST05a質(zhì)譜庫(kù)檢索,并比較文獻(xiàn)中的保留指數(shù)(RI),共鑒定得到的萜烯類物質(zhì)11種(詳見(jiàn)圖1),以及其他一些醇類、酯類、酸類、酮類、芳香族等化合物。
2.3 β-D-葡萄糖苷酶對(duì)其他香氣物質(zhì)的影響
在葡萄或葡萄酒中,除萜類物質(zhì)外,許多醇類、酯類等物質(zhì)也以糖苷的形式存在。因此,利用β-D-葡萄糖苷酶也可促進(jìn)其水解,產(chǎn)生具有香味的物質(zhì)。利用GC-MS技術(shù)檢測(cè)到的化合物有醇類、酯類、酸類、酮類、芳香族化合物等。醇類物質(zhì)是賦予葡萄酒香氣的重要揮發(fā)性物質(zhì);酯類物質(zhì)大多具有水果香氣;其他化合物雖然相對(duì)含量較少,但考慮到這些化合物的閾值,也可能是葡萄酒的重要風(fēng)味物質(zhì)。
各物質(zhì)含量見(jiàn)圖2所示。經(jīng)不同的β-D-葡萄糖苷酶水解后,樣品香氣特征存在顯著差異。其中加入AP-L2(海藻曲霉)產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的樣品產(chǎn)醇類物質(zhì)較豐富,含量達(dá)579.32μg/L,是加入ANL1(黑曲霉)產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的樣品產(chǎn)醇類物質(zhì)的10倍,是加入A-L3(魯氏毛霉)產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的樣品產(chǎn)醇類的19倍。另外,加入AP-L2(海藻曲霉)產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的樣品產(chǎn)酯類物質(zhì)也很豐富,含量達(dá)257.74μg/L,分別是AN-L1(黑曲霉)和A-L3(魯氏毛霉)的16倍和90倍。
圖2 不同來(lái)源β-D-葡萄糖苷酶對(duì)香氣物質(zhì)的影響
上述結(jié)果表明,加入AP-L2(海藻曲霉)產(chǎn)β-D -葡萄糖苷酶的樣品中醇類、酯類的香氣物質(zhì)含量最為豐富。另外,檢測(cè)到芳香族化合物、酸類、酮類等微量成分,其中加入AN-L1(黑曲霉)產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的樣品中芳香族化合物、酸類、酮類物質(zhì)最多,分別為14.06、29.96、13.12μg/L。綜上所述,結(jié)合態(tài)的香氣物質(zhì)含量豐富,種類多樣。
β-D-葡萄糖苷酶來(lái)源非常廣泛,其酶的特性也差異顯著。許多植物材料中如杏仁、葡萄、木瓜等中均含有β-D-葡萄糖苷酶,但在葡萄酒環(huán)境中,基本不表現(xiàn)活性[18-19]。霉菌、酵母菌、乳酸菌等也是 β-D -葡萄糖苷酶的重要來(lái)源[19-20]。本論文首先通過(guò)酶活力的高低,自行篩選出了三株產(chǎn)β-D-葡萄糖苷酶的菌株,并將其應(yīng)用于玫瑰香葡萄的結(jié)合態(tài),結(jié)合固相微萃取、氣質(zhì)聯(lián)用等技術(shù),經(jīng)β-D-葡萄糖苷酶作用發(fā)生水解斷裂產(chǎn)生典型的萜烯、醇類、脂類等化合物,釋放出令人愉快的香氣物質(zhì)。說(shuō)明β-D-葡萄糖苷酶對(duì)于增加葡萄結(jié)合態(tài)香氣物質(zhì)具有顯著的作用。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明,葡萄中糖苷類風(fēng)味物質(zhì)經(jīng)酶促水解作用后,其產(chǎn)生的萜烯類化合物種類和含量上差異顯著,且香氣特征存在差異。此類萜烯類化合物可以賦予葡萄酒特有的果香,而該差異性為實(shí)現(xiàn)葡萄酒香氣的定向修飾特征提供了依據(jù)。
綜上所述,來(lái)源于黑曲霉、海藻曲霉、魯氏毛霉的β-D-葡萄糖苷酶,其酶活力及其作用效果是不同的。研究結(jié)果表明,經(jīng)三種酶作用后,其萜烯類物質(zhì)及醇類、酯類等其他物質(zhì)均有顯著的增加,尤其以來(lái)源于黑曲霉的酶作用效果最為明顯。黑曲霉作為一種安全菌株,其所產(chǎn)的β-D-葡萄糖苷酶在葡萄酒環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性,對(duì)修飾葡萄酒風(fēng)味具有潛在的應(yīng)用前景。
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Effects of β-D-glucosidases from microorganism on the bound aroma compounds in Muscat grape
GUO Hui-nv,KANG Wen-huai,XU Yan*,YU Xiao-wei
(Key Laboratory of Industrial Biotechnology,Ministry of Education,Center of Brewing Science and Enzyme Technology,School of Biotechnology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
β-D-glucosidases is the key enzyme in improvement mechanism of flavor,and it is important to improve the wine aroma.The purpose of this study was to verify the effects of β-D-glucosidases from different strains(Aspergillus niger,Aspergillus phoenicis,Mucor rouxianus)on the bound aroma in Muscat grape by gas chromatography-tradem mass spectrometry(GC-MS).The results showed that there were significantly differences in hydrolysing glusidically bound compounds and production among the different strains,β-D-glucosidases from Aspergillus niger had much more aroma compounds than others.Terpenoids were the most abundant,accounting for 85.91%of the total concentration.Therefore,β-D-glucosidases from Aspergillus niger may make the most significant improvement to hydrolyse glycoconjugated aroma compounds,and it can improve the flavor of wine.
β-D-glucosidases;Muscat;bound aroma
TS262.6
A
1002-0306(2011)01-0081-05
2010-01-05 *通訊聯(lián)系人
郭慧女(1983-),女,碩士研究生,主要從事工業(yè)微生物育種及其在釀酒科學(xué)、酶工程領(lǐng)域的研究。
教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(NCET04-0498)。