趙志軍,位 寧,劉延波,劉 寧,王洪彬,孫西玉,4,潘春梅*
(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院 食品與生物工程學院(酒業(yè)學院),河南 鄭州 450046;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院 河南省白酒風格工程技術研究中心,河南 鄭州 450046;3.賒店老酒股份有限公司,河南 南陽 473300;4.河南張弓老酒酒業(yè)有限公司,河南 商丘 476733)
濃香型白酒產(chǎn)銷量在各香型中位居首位,其產(chǎn)量和質量深度影響著我國白酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。濃香型白酒以泥窖池為發(fā)酵容器,窖泥的質量直接影響白酒品質的優(yōu)劣[2-4]。窖泥中的微生物種類豐富,是釀制濃香型白酒的基礎[5]。酯化型微生物是窖泥中一類重要的功能菌[6]。在發(fā)酵過程中,酯化菌代謝產(chǎn)生的酯化酶使乙醇與己酸、乙酸、乳酸等有機酸縮合,生成己酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等酯類,構成濃香型白酒的主體香成分[7]。
在窖泥中,可以產(chǎn)生酯化酶的微生物種類繁多,有酵母菌、霉菌、細菌等[8]。由于窖泥中高醇、高酸、微氧的極端條件,導致其中真菌含量較少[9]。因此,窖泥中的酯化型微生物以細菌為主[10-11]。目前,關于窖泥中酯類物質的研究以香氣物質及其前體物的產(chǎn)生菌為主,關于窖泥中酯化型細菌的研究與應用有一些報道[12-15]。本研究基于酯化菌在白酒香氣成分中的突出作用,立足于賒店老酒的優(yōu)質窖泥,分離篩選出高產(chǎn)酯化酶的細菌,利用分子生物學手段對其進行鑒定,并在單因素試驗基礎上采用響應面法對其發(fā)酵產(chǎn)酶條件進行優(yōu)化。擬將所得到的高酯化力細菌制備成酯化菌液,投入窖池,為生產(chǎn)優(yōu)質濃香型白酒奠定理論及實踐基礎。
1.1.1 材料
窖泥:賒店老酒股份有限公司。
1.1.2 化學試劑
三丁酸甘油酯(分析純):上海麥克林生化科技有限公司;環(huán)己烷(分析純):天津市永大化學試劑有限公司;正己酸(分析純):天津市光復精細化工研究所;無水乙醇、葡萄糖(均為分析純):天津市科密歐化學試劑有限公司;細菌基因組脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)提取試劑盒:天根生化科技有限公司;2×EsTaq Master Mix:北京康為世紀生物有限公司;DL2000 Marker:北京博邁德生物技術公司;可溶性淀粉(生化試劑):天津市恒興化學試劑制造有限公司;高粱粉(食品級)、玉米面(食品級):河南省新鄉(xiāng)市原陽縣農(nóng)家自產(chǎn);紅糖(食品級):北京德眾嘉鑫經(jīng)貿(mào)有限公司;牛肉膏、蛋白胨(均為生化試劑):北京奧博星生物技術有限責任公司;瓊脂粉(生化試劑):北京索萊寶科技有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
液體培養(yǎng)基:牛肉膏3 g/L,蛋白胨10 g/L,NaCl 5 g/L,121℃滅菌30 min。
初篩培養(yǎng)基:牛肉膏3 g/L,蛋白胨10 g/L,NaCl 5 g/L,瓊脂粉20 g/L,加入三丁酸甘油酯1%,121℃滅菌30 min。
發(fā)酵培養(yǎng)基:牛肉膏20.0 g/L,葡葡糖20.0 g/L,K2HPO41.0g/L,(NH)42SO41.0g/L,MgSO·47H2O1.0g/L,NaCl0.5g/L,F(xiàn)eSO·47H2O 0.01 g/L,調pH至7.0,121℃滅菌30 min。
H1850R離心機:湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司;ZQLY-300S恒溫培養(yǎng)搖床:上海精宏試驗設備有限公司;JA1003分析天平:上海舜宇恒平科學儀器有限公司;DNP-9272BS電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;DYY-2C電泳儀:北京六一生物科技有限公司;D-37085聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)儀:德國Senso Quest有限責任公司。
1.3.1 菌種分離純化
稱取5 g窖泥于45 mL無菌水中,充分振蕩,取上清液用無菌水逐級稀釋,得到10-2~10-3稀釋度的菌懸液。吸取上述菌懸液各100 μL,分別涂布于初篩培養(yǎng)基上,每個稀釋度做兩個平行。將涂布均勻的平板置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)24~48 h,觀察在菌落周圍出現(xiàn)的透明圈,將產(chǎn)圈菌落于平板初篩培養(yǎng)基上劃線分離至純種。
1.3.2 菌種初篩
將分離出的菌株點植于初篩培養(yǎng)基中,每個菌株做三個平行,于30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。觀察菌落周圍出現(xiàn)的透明圈,記錄透明圈直徑(D)與菌落直徑(d)之比,選取D/d值較大者進行復篩。
1.3.3 菌種復篩
將初篩后的菌株接種于5 mL/25 mL液體培養(yǎng)基中,30℃、150 r/min搖床培養(yǎng)19 h,取1 mL轉接于50 mL/250 mL液體培養(yǎng)基中,同樣條件下再次培養(yǎng)19 h,以5%的接種量將種子液接入發(fā)酵培養(yǎng)基中,30℃、150 r/min培養(yǎng)48 h。發(fā)酵液經(jīng)10000r/min離心10min,取上清液于4℃保存,備用。
1.3.4 酯化酶活力的測定[12-13]
測定方法:于10 mL環(huán)己烷體系中加入正己酸和無水乙醇,己酸量為6.25 mL,無水乙醇與己酸體積比為1.0∶1.8(上述試劑每500 mL加入無水硫酸鈉30 g),并向其中加入0.2 mL酶液,于37℃條件下保溫酯化24 h。吸取上清0.5 mL于100mL三角瓶中,加入5mL蒸餾水,2滴酚酞,用0.05mol/L NaOH溶液滴定至終點,記錄消耗NaOH溶液體積。
酯化酶酶活力定義:在37℃條件下,每分鐘消耗1μmol己酸需要的酯化酶量為1個酶活力單位(U/mL)。
1.3.5 菌種鑒定
(1)形態(tài)學鑒定
將產(chǎn)酶活力較高的菌株于固體培養(yǎng)基中劃線培養(yǎng)24h,觀察菌落的大小、顏色、表面形態(tài)、質地、邊緣形狀和高度等并做記錄,菌株經(jīng)革蘭氏染色觀察細胞形態(tài),經(jīng)孔雀綠染液染色觀察芽孢形態(tài)[16]。
(2)分子生物學鑒定
采用試劑盒法,提取菌株S2D27的基因組脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA),用細菌的通用引物(27F和1492R)對提取的DNA進行PCR擴增,擴增產(chǎn)物送由上海生物工程有限公司進行測序。根據(jù)測序結果,選擇準確度較高的基因序列,從GenBank數(shù)據(jù)庫中搜索有關種的公認16SrDNA標準序列數(shù)據(jù)進行比對,并使用MEGA6.0構建系統(tǒng)發(fā)育樹[17]。
1.3.6 菌株培養(yǎng)基優(yōu)化
最適碳源及其最適碳源添加量的確定:分別以2%的葡萄糖、可溶性淀粉、高粱粉、紅糖、玉米面替代發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源,其他成分不變。按5%的接種量,接入搖床培養(yǎng)19h的菌液,于30℃、150 r/min搖床培養(yǎng)48 h,測定酯化酶活力,優(yōu)選出最佳碳源。再分別調節(jié)最適碳源添加量為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%,同時測定酯化酶活力,以確定其最適碳源添加量。
最適氮源及其最適氮源添加量的確定:分別以2%的蛋白胨、牛肉膏、酵母浸粉、豆粕、硝酸銨替代發(fā)酵培養(yǎng)基中的氮源,其他成分不變。接入5%的菌液,于30℃、150 r/min搖床培養(yǎng)48 h,測定酯化酶活力,優(yōu)選出最佳氮源。調節(jié)最佳氮源的添加量為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%,測定酯化酶活力以確定其最適氮源添加量[18]。
1.3.7 菌株發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗
考察初始pH值(4、5、6、7、8)、接種量(3%、5%、7%、9%、11%)及培養(yǎng)時間(2d、3d、4d、5d、6d)對酯化酶活力的影響。
1.3.8 菌株發(fā)酵條件優(yōu)化響應面分析試驗[20]
使用Design-Expert軟件,在單因素試驗的基礎上,選取豆粕添加量(A)、培養(yǎng)基初始pH值(B)、培養(yǎng)時間(C)3個對產(chǎn)酶影響較大的因素為自變量,以酯化酶活力(Y)為響應值,進行響應面試驗,其試驗因素與水平見表1。
表1 產(chǎn)酶條件優(yōu)化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for enzyme producing conditions optimization
2.1.1 菌株初篩
通過透明圈法對窖泥樣品進行初篩,得到10株透明圈較大的菌株,結果見表2。由表2可知,菌株S2D27的D/d值最大,為3.66;其他菌株的D/d值在2.14~3.66。
表2 菌株透明圈直徑與菌落直徑比值Table 2 Transparent circle diameter and colony diameter ratio of strains
2.1.2菌株復篩
選取初篩D/d值在2.50以上的菌株進行復篩,5株菌酯化酶活力大小測定結果見表3。由表3可知,菌株S2D27產(chǎn)酯化酶活力最高,可達10.43 U/mL,其他菌株產(chǎn)酯化酶活力在7.08~9.63 U/mL。因此,選擇菌株S2D27作為出發(fā)菌株,對其進行形態(tài)觀察、分子生物學鑒定及最適發(fā)酵條件的優(yōu)化。
表3 菌株酯化酶活力測定結果Table 3 Determination results of esterase activity of strain
2.2.1 形態(tài)學鑒定
菌株S2D27經(jīng)初篩培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h后,其菌落、細胞及芽孢形態(tài)見圖1。由圖1A可知,菌株S2D27產(chǎn)透明圈,菌落較小,表面皺褶,低凸起,菌落規(guī)則,無光澤,質地黏稠不易挑取,菌落周圍與邊緣顏色不一致,不透明。由圖1B可知,經(jīng)革蘭氏染色后,菌株形態(tài)呈短桿狀,顏色呈紫紅色,為革蘭氏陽性菌。由圖1C可知,經(jīng)孔雀綠染液染色后,菌株S2D27產(chǎn)芽孢,芽孢形態(tài)為橢圓形。
圖1 菌株S2D27的菌落(A)、細胞(B)及芽孢(C)形態(tài)Fig.1 Colony(A),cell(B)and spore(C)morphology of strain S2D27
2.2.2 分子生物學鑒定
圖2 菌株S2D27的16S rDNA PCR擴增產(chǎn)物電泳圖Fig.2 Electrophoresis of 16S rDNA PCR amplification products of strain S2D27
菌株S2D27的PCR擴增產(chǎn)物電泳分析結果見圖2。由圖2可知,菌株S2D27的16S rDNA序列堿基長度為1 480 bp左右,與預期結果相符。擴增產(chǎn)物送由生工生物工程(上海)股份有限公司進行測序,將測序結果于美國國家生物技術信息中心(national center of biotechnology information,NCBI)上使用基本局部比對搜索工具(basic local alignment search tool,BLAST)分析比對,發(fā)現(xiàn)菌株S2D27與貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus berezoensis)同源性較高,達到99%。選取9株與菌株S2D27同源性較高的16SrDNA標準序列數(shù)據(jù)構建系統(tǒng)發(fā)育樹,結果見圖3。由圖3可知,菌株S2D27與Bacillus berezoensis(MG234434.1)聚于同一支,因此,鑒定菌株S2D27為貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus berezoensis)。
圖3 基于16S rDNA序列菌株S2D27的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic tree of strain S2D27 based on 16S rDNA sequences
2.3.1 最適碳源及最適碳源添加量的確定
圖4 不同碳源對酯化酶酶活的影響Fig.4 Effect of different carbon sources on esterifying enzyme activity
由圖4可知,高粱粉作為碳源時,酯化酶酶活力最高,為16.44 U/mL,同時高粱粉營養(yǎng)豐富,廉價易得,更適合于工業(yè)化生產(chǎn)。因此,選擇高粱粉作為最適碳源。
圖5 不同高粱粉添加量對酯化酶酶活的影響Fig.5 Effect of different sorghum flour addition on esterifying enzyme activity
由圖5可知,隨著高粱粉添加量在1.0%~2.0%范圍內(nèi)的升高,酯化酶酶活有一定程度的提高;當高粱粉添加量為2.0%時,酯化酶酶活最高,為13.43 U/mL;當高粱粉添加量>2.0%之后,酯化酶酶活隨之下降。因此,選擇最佳高粱粉添加量為2.0%。
2.3.2 最適氮源及最適氮源添加量的確定
圖6 不同氮源對酯化酶酶活的影響Fig.6 Effect of different nitrogen sources on esterifying enzyme activity
由圖6可知,不同氮源種類對酯化酶酶活影響較小,豆粕作為氮源時,酯化酶酶活最高,為15.72 U/mL。因此,選擇豆粕作為最適氮源。
圖7 不同豆粕添加量對酯化酶酶活的影響Fig.7 Effect of different soybean meal addition on esterifying enzyme activity
由圖7可知,隨著豆粕添加量在1.0%~1.5%范圍內(nèi)的升高,酯化酶酶活隨之增加;在豆粕添加量為1.5%時,酯化酶酶活最高,為15.44U/mL;在豆粕添加量>1.5%之后,酯化酶酶活隨之下降。因此,選擇最適豆粕添加量為1.5%。
2.4.1 最適初始pH值的確定
圖8 不同初始pH值對酯化酶酶活的影響Fig.8 Effect of different initial pH on esterifying enzyme activity
由圖8可知,酯化酶酶活隨培養(yǎng)基初始pH值的升高而升高,當初始pH值為5時,酯化酶酶活達到最大,為15.71U/mL。因此,選擇培養(yǎng)基的最適初始pH值為5。
2.4.2 最適接種量的確定
圖9 不同接種量對酯化酶酶活的影響Fig.9 Effect of different inoculum on esterifying enzyme activity
由圖9可知,當接種量<5%之前,酯化酶酶活呈上升趨勢;當接種量為5%時,酯化酶酶活達到最大,為14.90 U/mL;當接種量>5%之后,酯化酶酶活明顯下降。因此,選擇最適接種量為5%。
2.4.3 不同培養(yǎng)時間對菌株酶活的影響
圖10 不同培養(yǎng)時間對酯化酶酶活的影響Fig.10 Effect of different culture time on esterifying enzyme activity
由圖10可知,隨著培養(yǎng)時間在2~3 d范圍內(nèi)的延長,菌株酶活不斷升高;當培養(yǎng)時間為3 d時,酯化酶酶活最高,為16.04 U/mL;當培養(yǎng)時間>3 d之后,酯化酶酶活隨之下降。因此,選擇最佳培養(yǎng)時間為3 d。
2.5.1 回歸模型建立及方差分析
在單因素試驗的基礎上,選取豆粕添加量(A)、培養(yǎng)基初始pH值(B)、培養(yǎng)時間(C)三個對產(chǎn)酶影響較大的因素為自變量,以酯化酶酶活力(Y)為響應值,進行響應面試驗。試驗設計及結果見表4。
通過響應面分析軟件Design-Expert8.0.6對表4中的數(shù)據(jù)進行分析,得到數(shù)學模型,并對數(shù)學模型進行方差分析,得到模型和回歸系數(shù)的顯著性,結果見表5。對因素進行二次回歸擬合分析,建立顯著因素的擬合方程如下:
Y=17.14-0.55A-0.4B+0.90C-0.063AB+0.10AC+0.22BC-0.61A2-2.13B2-1.69C2
表4 產(chǎn)酶條件優(yōu)化響應面試驗設計及結果Table 4 Design and results of response surface tests for enzyme producing conditions optimization
表5 回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model
由表5可知,模型的P值<0.000 1,說明該模型顯著,失擬項P值=0.202 7>0.05,不顯著,說明本試驗所得二次回歸方程擬合程度良好,能夠很好地對響應值進行預測。決定系數(shù)R2為0.994 1,調整決定系數(shù)R2adj為0.986 5,表明模型擬合程度良好,可以用來預測該菌株的酯化酶活力。由F值可以看出,3個因素對酯化酶活力影響的大小順序為:培養(yǎng)時間(C)>豆粕添加量(A)>培養(yǎng)基初始pH值(B)。
2.5.2 響應曲面分析
響應面模型直觀反映了各因素對酯化酶活力的交互影響,結果見圖11。
圖11 豆粕添加量、培養(yǎng)基初始pH值及培養(yǎng)時間對酯化酶酶活影響的響應面及等高線Fig.11 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between soybean meal addition,initial pH of medium and culture time on esterifying enzyme activity
由圖11可知,響應面越陡說明相關因素間交互作用越強。各因素大小從四周逐漸趨向中心點時,曲面呈凸起趨勢,說明存在最大響應值。運用Design-Expert8.0軟件對其結果進行分析,預測最佳發(fā)酵條件為豆粕添加量1.29%、培養(yǎng)基初始pH值4.93、培養(yǎng)時間3.25 d,酯化酶活力理論值為17.38 U/mL。
2.5.3 驗證試驗
考慮到實際操作的方便性,調整豆粕添加量為1.3%,培養(yǎng)時間為3 d和培養(yǎng)基初始pH值為5,進行3次平行驗證試驗,酯化酶活力為17.25 U/mL,與預測值17.38 U/mL基本吻合,說明該模型可靠性強。
通過透明圈法從窖泥樣品中篩選得到一株酯化酶活力較高的菌株S2D27,經(jīng)分子生物學鑒定為貝萊斯芽孢桿菌(Bacillus berezoensis)。以此菌株為出發(fā)菌株,對其最適發(fā)酵條件進行了研究,在單因素試驗的基礎上,以豆粕添加量、培養(yǎng)基初始pH值及培養(yǎng)時間為自變量,以酯化酶活力為響應值,進行響應面試驗。結果表明,在豆粕添加量為1.3%、初始pH值為5,培養(yǎng)時間3 d條件下,菌株酯化酶活力可達17.25 U/mL,是優(yōu)化前的1.65倍。