霍穎玙,趙 娟,李憲德,何志遠(yuǎn),邱樹毅
(1.貴州大學(xué)貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點實驗室,貴州貴陽 550025;2.貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院,貴州貴陽 550025;3.山東楊湖酒業(yè)有限公司,山東菏澤 274000;4.中糧黑龍江釀酒有限公司,黑龍江哈爾濱 152000)
白酒大曲是一個復(fù)雜的含有多菌酶類的曲塊。大曲中的物質(zhì)歸納起來可以分為菌系、酶系、物系。其中微生物是至關(guān)重要的一部分。大曲中的微生物主要可以分為3 類:絲狀真菌、酵母菌和細(xì)菌。絲狀真菌在大曲中起著產(chǎn)生糖化動力的作用。大曲里的絲狀真菌除了能給大曲提供糖化動力以外,還對大曲的培養(yǎng)起著關(guān)鍵性作用。絲狀真菌的菌絲長入大曲坯體,可以引出曲塊中的水分使大曲中的水不至于找不到出口而膨脹裂口。絲狀真菌的孢子有著色作用,可以使大曲形成五顏六色的曲塊,而大曲的顏色也是評定大曲質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。
在大曲的制作過程中應(yīng)該讓適合于發(fā)酵的有益絲狀真菌最大限度的生長繁殖。趙盈盈等[1]將多種霉菌接種于不同的原料制曲,探究出利用大米制曲對于玉米清酒的釀酒效果最好,以糖化力與液化力為篩選指標(biāo),選出1 株高糖化力、液化力的霉菌,利用此株霉菌制成米曲,驗證了該曲可以發(fā)酵出品質(zhì)較好的玉米清酒。嚴(yán)啟梅等[2]將1 株高糖化能力的根霉應(yīng)用于中試綿柔型酒生產(chǎn),糖化醅糖化效果比原小曲提高15%~25%,同時也提高了基酒質(zhì)量與出酒率。宮若楠[3]在衡水老白干大曲中篩選出1 株高酯化力的毛霉,將其制作成純種的麩曲,在最適的培養(yǎng)條件下最高酯化力263.55 mg/g 麩曲(以乙酸乙酯計)。劉暢等[4]將米曲霉、黑曲霉與根霉分別制成酒曲,并通過酒曲α-淀粉酶活力、蛋白酶活力和糖化酶活力的測定最終篩選出米曲霉是最適宜制作酒曲的霉菌菌株。俞劍燊等[5]將兩株高產(chǎn)糖化酶和蛋白酶的霉菌混合制曲進(jìn)行黃酒模擬發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)混合制曲發(fā)酵黃酒中還原糖和氨氮的生成速率顯著高于純種制曲。本研究將絲狀真菌加入強化曲的制作中,在強化曲的發(fā)酵過程中,探究絲狀真菌對酵母、芽孢桿菌生長的影響。對強化曲進(jìn)行理化指標(biāo)與風(fēng)味物質(zhì)成分分析,研究所添加絲狀真菌是否對強化曲的制作產(chǎn)生積極作用。
1.1.1 菌種來源
實驗所用的謝瓦散囊菌FBKL 3.0004、宛氏擬青霉FBKL 3.0005、分枝犁頭霉FBKL 3.0009、黃曲霉FBKL 3.0010、皮落青霉FBKL 3.0011、溜曲霉FBKL 2.0018、地衣芽孢桿菌FBKL 1.0199、畢赤酵母FBKL 2.0002 均由本課題組從貴州茅臺醬香型白酒生產(chǎn)用曲中分離篩選得到。
1.1.2 主要化學(xué)試劑及培養(yǎng)基
干酪素、無水碳酸鈉、磷酸二氫鉀,天津市海光化學(xué)試劑廠;福林-酚,北京索萊寶生物科技有限公司;三氯乙酸、冰乙酸、乙酸鈉,重慶北碚精細(xì)化工廠;磷酸氫二鉀,成都市科龍化工試劑廠。
YEPD培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基、孟加拉紅培養(yǎng)基、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、察氏培養(yǎng)基等均購于化學(xué)試劑商店。
麩皮培養(yǎng)基:將麩皮與蒸餾水以1∶1 混合,用玻璃棒攪勻,121 ℃滅菌20 min。
1.1.3 儀器設(shè)備
離心機,美國貝克曼庫爾特有限公司;Stable Flex 纖維頭(DVB/CAR/PDMS),美國Supelco 公司;7890A-5975C 氣相色譜質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)聯(lián)用儀,安捷倫科技有限公司;FA1004 電子天平,上海箐海儀器有限公司;KQ-300DE 數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司。
1.2.1 糖化酶活力測定
將霉菌在斜面培養(yǎng)基上活化后,接種于斜面培養(yǎng)基上30 ℃條件下培養(yǎng)7 d,在無菌條件下加入5 mL 的滅菌生理鹽水,用移液槍反復(fù)沖洗孢子呈孢子懸浮液,取1 mL 孢子懸浮液加入已滅菌的麩皮培養(yǎng)基中,使得培養(yǎng)基中有107CFU/g 個孢子。用玻璃棒攪勻,在30 ℃條件下培養(yǎng)72 h,每隔12 h搖勻1 次。72 h 以后,取相當(dāng)于10 g 的絕干培養(yǎng)物于100 mL 蒸餾水中,在40 ℃水浴鍋中保溫1 h,每隔15 min 攪拌1 次,過濾,濾液為粗酶液,用于酶活測定。糖化酶的測定參照《白酒生產(chǎn)技術(shù)全書》[6]。
1.2.2 還原糖含量的測定
采用DNS法測定還原糖含量[7]。
1.2.3 菌懸液的制備及強化麥曲制備
畢赤酵母菌懸液:從PDA 培養(yǎng)基中挑取1 環(huán)活化好的酵母菌菌苔于YPD 培養(yǎng)基中,30 ℃,180 r/min振蕩培養(yǎng)48 h。
地衣芽孢桿菌菌懸液:從營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中挑取1 環(huán)活化好的芽孢桿菌菌苔于LB 培養(yǎng)基中,37 ℃,150 r/min條件下培養(yǎng)24 h。
分枝犁頭霉孢子菌懸液:從斜面培養(yǎng)基中挑取1 環(huán)霉菌孢子于麥芽汁培養(yǎng)基中,麥芽汁培養(yǎng)基中添加少許玻璃珠。30 ℃,180 r/min振蕩培養(yǎng)72 h。
將地衣芽孢桿菌、畢赤酵母菌、分枝犁頭霉的菌懸液在無菌條件下加入滅菌后的小麥培養(yǎng)基中,用無菌玻璃棒攪拌混勻。接種后地衣芽孢桿菌、畢赤酵母菌、分枝犁頭霉的接種比例分別為1∶10∶0.1、1∶10∶0.5、1∶10∶1、1∶10∶5,接種后地衣芽孢桿菌的數(shù)量為5×106CFU/g。之后用8 層紗布與牛皮紙密封,放于30 ℃培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng),每2 d 進(jìn)行1次取樣。
1.2.4 樣品生物量測定
稱取10 g 樣品放于盛有90 mL 無菌生理鹽水的三角瓶中,充分振蕩30 min,取1 mL 充分稀釋,吸取稀釋液涂布于培養(yǎng)基中,培養(yǎng)計數(shù)。
1.2.5 大曲理化指標(biāo)的測定
250 mL 三角瓶中加入10 g 樣品,再加100 mL蒸餾水,在40 ℃的條件下水浴1 h,每15 min 攪拌1次,然后用定性濾紙過濾,將開始的5 mL 棄去,之后過濾濾液為測定酶活所需的粗酶液。
參照QB/T 4257—2011《釀酒大曲通用分析方法》中的測定方法對大曲水分、淀粉、酸度、液化力、糖化力、酯化力、發(fā)酵力進(jìn)行測定。
1.2.6 GC-MS分析
采用頂空固相微萃?。℉S-SPME)技術(shù)結(jié)合GC-MS 分析麥曲中揮發(fā)性成分[8-11]。樣品處理:取麥曲粉0.2 g 加入5 mL 水中,超聲波處理30 min。GC-MS 條件:安捷倫6890N 氣相色譜配備5975質(zhì)譜儀。毛細(xì)管柱DB-Wax(30 m×0.25 mmi.d.×0.25 μm),進(jìn)樣口和檢測器溫度均為250 ℃,載氣為He,流速2 mL/min。程序升溫:起始溫度50 ℃,保持2 min,然后以2 ℃/min 的升溫速率升溫到85 ℃,保留0.1 min,再以5 ℃/min 的升溫速率升溫到230 ℃,保持2 min。電子轟擊能量70 eV,離子源溫度230 ℃。質(zhì)譜分析用數(shù)據(jù)庫為Wiley275.L(Agilent公司)和NIST庫。
從本課題組篩選出的絲狀真菌中挑選出6 株菌,分別為FBKL3.0004 謝瓦散囊菌、FBKL3.0005宛氏擬青霉、FBKL3.0009分枝犁頭霉、FBKL3.0010黃曲霉、FBKL3.0011 皮落青霉、FBKL3.0018 溜曲霉。使其以孢子懸浮液的形式固定添加量添加到麩皮中發(fā)酵3 d 后,測定糖化酶的活力,結(jié)果如圖1所示。
從圖1 可以看出,在同樣的接種量與培養(yǎng)環(huán)境下,分枝犁頭霉FBKL3.0009 的糖化酶活力最高為730 U/g。其次是宛氏擬青霉FBKL3.0005 糖化酶活力為660 U/g,皮落青霉FBKL3.0011 糖化酶活力為648 U/g,謝瓦散囊菌FBKL3.0004 糖化酶活力為609 U/g。溜曲霉FBKL3.0018與黃曲霉FBKL3.0010的糖化酶活力低于600 U/g,分別為550 U/g與574 U/g。所以選擇分枝犁頭霉FBKL3.0009 為功能菌,參與后續(xù)強化麥曲中的研究。
圖2、圖3 為地衣芽孢桿菌、酵母在發(fā)酵過程中的生長情況。
如圖3 所示,地衣芽孢桿菌在發(fā)酵前期迅速增長,到了發(fā)酵中期生長速度下降,但地衣芽孢桿菌的生物量仍在增加,不同比例混合發(fā)酵時地衣芽孢桿菌的生物量變化趨勢都很一致,呈不斷增加的狀態(tài),在前期增加速率較快,到發(fā)酵末期,地衣芽孢桿菌的生物量都可以維持在3.9×1014~9.4×1014CFU/g,但是不同比例混合發(fā)酵時地衣芽孢桿菌的數(shù)量存在差異,隨著分枝犁頭霉生物量的增多,地衣芽孢桿菌的數(shù)量減少。而對照組發(fā)酵結(jié)束時地衣芽孢桿菌的生物量可達(dá)1.1×1017CFU/g,遠(yuǎn)高于混合發(fā)酵結(jié)束時地衣芽孢桿菌的生物量。對于畢赤酵母菌來說,其不同菌種混合比例發(fā)酵時畢赤酵母的生長變化趨勢較為一致,主要呈現(xiàn)的是先增長后降低的狀態(tài)。在發(fā)酵的前6~8 d 內(nèi),發(fā)酵體系的酵母菌在持續(xù)增長,酵母菌數(shù)量最高可以達(dá)到4.0×109CFU/g,在發(fā)酵第8 天以后,酵母菌數(shù)量開始下降,直到發(fā)酵結(jié)束時酵母菌生物量可維持在106~107CFU/g。同樣,隨著分枝犁頭霉生物量的增多,畢赤酵母菌的數(shù)量也在減少。按照比例1∶10∶5添加分枝犁頭霉的畢赤酵母數(shù)量最少,為8.7×106CFU/g。對照組發(fā)酵結(jié)束時酵母菌的生物量可達(dá)5.1×109CFU/g,混合發(fā)酵時酵母菌的數(shù)量遠(yuǎn)少于對照組??偟膩碚f,分枝犁頭霉的加入會影響地衣芽孢桿菌與畢赤酵母的生長,但影響不大。
圖4、圖5 為混合發(fā)酵體系中糖化酶活力及還原糖的變化情況。
如圖4 所示,混合發(fā)酵體系中糖化酶活力先迅速上升,發(fā)酵第2 天時糖化酶活力達(dá)到最高,接著隨時間的延長而逐漸降低直至發(fā)酵結(jié)束。各不同接種比例的實驗組變化趨勢相似。但是,分枝犁頭霉添加量的不同,糖化酶活力也不一樣。隨著分枝犁頭霉的增加,糖化酶活力也相應(yīng)增大。在發(fā)酵第2 天時,接種比例為1∶10∶5 時糖化酶活力最高,可以達(dá)到252 U/g。接種比例為1∶10∶0.1 時糖化酶活力最低,為70 U/g。分析其原因,可能是因為混合發(fā)酵體系中,糖化酶主要來源于分枝犁頭霉的代謝產(chǎn)生。分枝犁頭霉的添加量與糖化酶的產(chǎn)生相關(guān)?;旌习l(fā)酵體系中分枝犁頭霉的生長越旺盛,糖化酶的活力也就越高。而后期隨著地衣芽孢桿菌與畢赤酵母菌的生長,消耗了混合發(fā)酵體系中的部分營養(yǎng)原料,使得分枝犁頭霉的生長緩慢,代謝速率降低,糖化酶產(chǎn)量就減少了。除此之外,酵母菌代謝產(chǎn)生的有機酸和乙醇,除了抑制了分枝犁頭霉的生長,也影響了糖化酶的活力。
如圖5 所示,混合發(fā)酵體系中,還原糖含量也隨發(fā)酵的進(jìn)行而逐步減少,直到發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵第2天還原糖含量達(dá)到最大值。不同的接種比例的實驗組,其變化趨勢也相似。接種比例為1∶10∶5 的實驗組還原糖含量最高可達(dá)到78 mg/g,接種比例為1∶10∶0.1的實驗組,還原糖含量最低為55 mg/g。還原糖含量隨著分枝犁頭霉添加量的增加而增加。隨著發(fā)酵時間的延長,還原糖含量也逐漸降低,在發(fā)酵結(jié)束時,分枝犁頭霉添加量較多的實驗組還原糖含量為45 mg/g。還原糖含量的變化趨勢與糖化酶活力的變化趨勢趨于一致,變化趨勢都為先升高,后降低??赡苁腔旌习l(fā)酵體系中主要原料為小麥,小麥中含有大量的淀粉,淀粉通過地衣芽孢桿菌代謝產(chǎn)生的α-淀粉酶的分解產(chǎn)生糊精,隨之分枝犁頭霉代謝產(chǎn)生的糖化酶將糊精轉(zhuǎn)化為葡萄糖等還原糖,所以混合發(fā)酵體系中的還原糖含量與糖化酶活力有很大的聯(lián)系。隨著糖化酶活力的降低,還原糖含量也會隨之下降。除此之外,葡萄糖等還原糖也是發(fā)酵過程中糖化過程和乙醇生成過程中的中間產(chǎn)物,由糖化酶分解而成的葡萄糖可以在酵母代謝作用下產(chǎn)生乙醇。過多的葡萄糖可能會抑制糖化酶的生成,而過低的葡萄糖則會降低乙醇的發(fā)酵速率。葡萄糖同時被產(chǎn)生和消耗。發(fā)酵后期由于酵母菌的生長,生成的葡萄糖被消耗,造成乙醇和有機酸的積累,導(dǎo)致糖化酶活力的降低,減少了葡萄糖的生成,隨即還原糖含量逐步減少。
表1 強化麥曲的理化指標(biāo)
發(fā)酵14 d 以后的強化曲的理化指標(biāo)檢測結(jié)果見表1 和圖6—圖11。強化麥曲其酸度高于傳統(tǒng)大曲,傳統(tǒng)大曲的酸度為1.39 mmol/10 g,強化曲酸度在1.77~2.58 mmol/10 g,隨著分枝犁頭霉添加量的增加,酸度會有所降低,可能是因為大曲酸度的貢獻(xiàn)主要來源于細(xì)菌與酵母的分解代謝,霉菌的添加使細(xì)菌與酵母生長緩慢,故酸度會有所降低。在只添加霉菌的對照組,酸度最低,低于傳統(tǒng)大曲的酸度。
淀粉含量的測定結(jié)果見圖7,強化曲的淀粉含量均低于傳統(tǒng)大曲的淀粉含量。隨著霉菌添加量的減少,淀粉的消耗量便逐漸增加。混合培養(yǎng)體系中的細(xì)菌會大量分解淀粉,隨著霉菌添加量的增加,細(xì)菌的生長受到抑制,導(dǎo)致淀粉消耗量的減少。只添加霉菌的對照組的淀粉含量大于添加多種菌株的實驗組,故淀粉的消耗與細(xì)菌的生長情況相關(guān)。
糖化力的檢測結(jié)果圖8,強化曲的糖化力遠(yuǎn)大于未添加霉菌制作的麥曲的糖化力。而且,隨著霉菌添加量的增大,糖化力也在逐漸增加。霉菌添加量最多的實驗組,糖化力為127.06 mg/g·h,與只添加霉菌的對照組相比,混菌發(fā)酵的強化曲糖化力要高于霉菌發(fā)酵的強化曲??赡芤驗榈匾卵挎邨U菌也可產(chǎn)生少量糖化酶。由此可知,霉菌的添加提高了強化曲的糖化力,而且地衣芽胞桿菌的存在,也對提高糖化力有積極作用,所以,添加霉菌培養(yǎng)強化曲的確對強化曲的糖化力有較大的提升作用。
液化力的檢測結(jié)果見圖9,混菌發(fā)酵的強化曲的液化力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)大曲的液化力,而霉菌的添加量對液化力并無太大影響??赡芤驗橐夯χ饕獊碓从诘匾卵挎邨U菌產(chǎn)生的α-淀粉酶,具有水解淀粉的能力,產(chǎn)生大量的糊精。霉菌的生長代謝產(chǎn)生的糖化酶可以促進(jìn)糊精分解產(chǎn)生葡萄糖,使糊精不會大量積累,抑制α-淀粉酶的產(chǎn)生。所以霉菌的添加并未對液化力有明顯的抑制影響。
酯化力的檢測結(jié)果見圖10,混菌發(fā)酵所得強化曲酯化力高于只添加地衣芽孢桿菌制成的強化曲的酯化力。只添加地衣芽孢桿菌制得的強化曲酯化力為33.2 mg/50 g·7 d,而混菌發(fā)酵所得的酯化力為66.7 mg/50 g·7 d。強化曲中對酯化力起主要貢獻(xiàn)意義的為酵母菌,霉菌的添加沒有給酯化力有促進(jìn)作用。
發(fā)酵力的檢測結(jié)果見圖11,混菌發(fā)酵所得強化曲的發(fā)酵力均高于傳統(tǒng)大曲的發(fā)酵力,強化曲中的發(fā)酵力很可能是來源于酵母菌發(fā)酵代謝乙醇,此處結(jié)果說明,霉菌的添加并不會對強化曲的發(fā)酵力有太大的提升。
將各種比例混合發(fā)酵的麥曲樣品進(jìn)行HSSPME 結(jié)合GC-MS 分析。麥曲GC-MS 總離子圖與成分分析圖如圖12所示。
在接種比例為1∶10∶0.1 麥曲樣品中,共檢測到20 種成分,烷烴類物質(zhì)5 種,吡嗪類物質(zhì)2 種,酮類物質(zhì)1 種,酚類物質(zhì)3 種,醇類物質(zhì)5 種,醚類物質(zhì)1種,醛類物質(zhì)2 種。其中吡嗪類物質(zhì)對醬香型白酒風(fēng)味有貢獻(xiàn)成分,四甲基吡嗪的相對百分含量為0.163%。苯乙醇相對百分含量最高為20.774%,苯乙醇具有類似于花香的味道。相比沒有添加霉菌發(fā)酵的麥曲樣品中,檢測出1 種新的香氣物質(zhì)為蘑菇醇,又名1-辛烯-3-醇。蘑菇醇常用于日用與食用香精,具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣。愈創(chuàng)木酚含量為1.002%,未檢測到酸類物質(zhì)。
接種比例為1∶10∶0.5 麥曲樣品風(fēng)味成分含量見圖13。
在接種比例為1∶10∶0.5 麥曲樣品中,共檢測到21 種成分,烷烴類物質(zhì)3 種,吡嗪類物質(zhì)3 種,酮類物質(zhì)2 種,酚類物質(zhì)3 種,醇類物質(zhì)5 種,醚類物質(zhì)1種,醛類物質(zhì)3 種。其中,吡嗪類物質(zhì)所占相對百分比含量為0.306%。麥曲樣品成分以醇類物質(zhì)居多,含量最高的為苯乙醇,相對百分比含量為5.803%。愈創(chuàng)木酚相對百分比含量為0.245%,未檢測到酸類物質(zhì)。
接種比例為1∶10∶1 麥曲樣品的風(fēng)味成分含量見圖14。
在接種比例為1∶10∶1 麥曲樣品中,共檢測到19 種成分,烷烴類物質(zhì)3 種,烯烴類物質(zhì)1 種,吡嗪類物質(zhì)3 種,酚類物質(zhì)3 種,醇類物質(zhì)4 種,醚類物質(zhì)1 種,醛類物質(zhì)3 種,酯類物質(zhì)1 種。其中,成分物質(zhì)以醇類物質(zhì)占主要,醇類物質(zhì)相對百分比含量為7.605%,苯乙醇含量為7.023%,蘑菇醇含量為0.215% 。吡嗪類物質(zhì)相對百分比含量為0.167%。愈創(chuàng)木酚含量為0.33%,未檢測到酸類物質(zhì)。
接種比例為1∶10∶5 麥曲樣品風(fēng)味成分含量見圖15。
在接種比例為1∶10∶5 麥曲樣品中,共檢測到18 種成分,烷烴類物質(zhì)3 種,吡嗪類物質(zhì)2 種,酚類物質(zhì)2 種,醇類物質(zhì)4 種,醚類物質(zhì)1 種,醛類物質(zhì)3種,酮類物質(zhì)1 中,吡啶類物質(zhì)1 種。其中,醇類物質(zhì)占主要,相對百分比含量為8.906%。其中以苯乙醇含量最多為6.637%,蘑菇醇的相對百分含量為0.46%。酚類物質(zhì)中愈創(chuàng)木酚的相對百分含量為2.286%。未檢測到酸類物質(zhì)。
只添加畢赤酵母與地衣芽孢桿菌發(fā)酵的麥曲樣品風(fēng)味成分含量見圖16。
在只添加酵母與細(xì)菌進(jìn)行發(fā)酵的麥曲樣品中,共檢測到15 種成分,烷烴類物質(zhì)1 種,吡嗪類物質(zhì)2 種,酚類物質(zhì)3 種,醇類物質(zhì)4 種,酸類物質(zhì)2 種,醛類物質(zhì)2種,酮類物質(zhì)1種。其中,吡嗪類物質(zhì)相對百分比含量最高為24.371%,其中四甲基吡嗪占23.7%。其次為醇類物質(zhì)為20.965%,其中苯乙醇占19.776%,醇類物質(zhì)中未檢測到蘑菇醇。酸類物質(zhì)所占相對百分比含量為4.905%。未檢測到醚類物質(zhì)。
綜上所述,霉菌、酵母與細(xì)菌混合培養(yǎng)發(fā)酵所得的強化麥曲,其風(fēng)味物質(zhì)成分中都以醇類物質(zhì)居多,其中又以苯乙醇占主要。此外,也可檢測出四甲基吡嗪、愈創(chuàng)木酚等對醬香風(fēng)味有貢獻(xiàn)意義的物質(zhì),但是相比于僅添加細(xì)菌與酵母菌發(fā)酵的強化麥曲樣品來說,吡嗪類物質(zhì)與醇類物質(zhì)的含量大大降低。這表明,霉菌的添加,可能對吡嗪類、醇類物質(zhì)的產(chǎn)生有一定的抑制作用。