沙城產(chǎn)區(qū)釀酒酵母多樣性研究

趙靜靜，李 艷,2,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018)

沙城產(chǎn)區(qū)釀酒酵母多樣性研究

趙靜靜1，李 艷1,2,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018)

對沙城產(chǎn)區(qū)龍眼葡萄相關(guān)環(huán)境中分離篩選的釀酒酵母進(jìn)行多樣性研究。在連續(xù)3年(2008、2009、2010年)的實(shí)驗(yàn)中，共從葡萄園土壤、葡萄酒廠設(shè)備表面、接觸過葡萄酒廠設(shè)備的葡萄汁和自然發(fā)酵過程中采集菌源樣品227份，共分離得到1358株酵母菌。用5.8S-ITS區(qū)域RFLP方法進(jìn)行分子水平的分類鑒定及賴氨酸培養(yǎng)基復(fù)篩，得到了270株釀酒酵母。再利用Interdelta PCR指紋圖譜法將釀酒酵母區(qū)分為16類，其中土壤5類，自然發(fā)酵過程中第2、3、4期分別得到4類、10類和11類；酒廠設(shè)備表面3類；接觸酒廠設(shè)備的葡萄汁3類。釀酒酵母的種類因樣品采集時間、采集地點(diǎn)等不同有明顯區(qū)別。自然發(fā)酵過程中得到的釀酒酵母被認(rèn)為是本土酵母的可能性最大。

釀酒酵母；5.8S-ITS區(qū)域RFLP分析；Interdelta PCR指紋圖譜法；生物多樣性；本土酵母

葡萄酒發(fā)酵過程是復(fù)雜的微生物代謝過程，涉及細(xì)菌、霉菌、酵母菌等多種微生物，其中酵母菌起著關(guān)鍵作用。在發(fā)酵初期，非酵母屬酵母占主導(dǎo)優(yōu)勢[1]，隨著發(fā)酵進(jìn)行，發(fā)酵液中乙醇含量逐漸增加，對乙醇耐受力不高的非酵母屬酵母逐漸被淘汰，取而代之的是酵母屬酵母，最終完成整個發(fā)酵過程[2-3]。前人[4-5]的研究發(fā)現(xiàn)，釀酒酵母對于葡萄酒中最終揮發(fā)性化合物的形成及感官品質(zhì)有著非常重要的影響。目前國內(nèi)大多數(shù)葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)都是采用商品活性干酵母進(jìn)行生產(chǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定的酵母菌能夠確保質(zhì)量統(tǒng)一的產(chǎn)品，卻很難得到獨(dú)特風(fēng)味的葡萄酒。因此，在產(chǎn)區(qū)環(huán)境范圍內(nèi)，分離和篩選適合特定葡萄產(chǎn)區(qū)和葡萄品種的釀酒酵母菌株具有十分重要的意義。

目前，用于酵母菌屬和種水平區(qū)分鑒定的分子方法有許多種，限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)分析由于其鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性和操作簡便被廣泛的予以應(yīng)用[6-7]。對于釀酒酵母種以下水平區(qū)分的方法包括Interdelta 序列指紋圖譜分析和線粒體DNA限制性分析等[8-10]。本研究采用5.8S-ITS區(qū)域RFLP分析法和Interdelta 序列指紋圖譜分析對對龍眼葡萄酒環(huán)境中連續(xù)3年分離得到的酵母菌進(jìn)行屬、種和種以下水平的區(qū)分，研究沙城產(chǎn)區(qū)釀酒酵母的多樣性，為進(jìn)一步篩選獲得特色的土著酵母提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集及處理

1.1.1 樣品采集

本研究于2008—2010年3個釀酒季節(jié)(10月)和2009年非釀酒季節(jié)(4月)，從河北沙城釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)的懷來縣沙城鎮(zhèn)選擇了沙營、夾河和東水泉3個自然村的龍眼葡萄園，以及中國長城葡萄酒有限公司的兩個釀酒車間，采集葡萄園土壤、葡萄果實(shí)、葡萄鮮汁、自然發(fā)酵過程的發(fā)酵液和擦拭釀酒設(shè)備內(nèi)壁等樣品共計(jì)227份，用于分離純化酵母菌株。

1.1.2 樣品處理

所有樣品均無菌采集、24h內(nèi)運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室。

土壤：稱取1g土壤，加無菌水進(jìn)行梯度稀釋，用于純種分離。

葡萄漿果：取新鮮完整的龍眼葡萄漿果(約20g)，置于無菌生理鹽水溶液中，輕柔振蕩10min，再進(jìn)行梯度稀釋。

葡萄鮮汁：實(shí)驗(yàn)室自制：在無菌狀態(tài)下，將葡萄壓榨出汁后，進(jìn)行梯度稀釋；接觸酒廠設(shè)備的葡萄汁：從中國長城葡萄酒有限公司釀酒車間取汁，在實(shí)驗(yàn)室無菌狀態(tài)下進(jìn)行梯度稀釋。

自然發(fā)酵：取龍眼葡萄，在實(shí)驗(yàn)室無菌條件下破碎壓榨進(jìn)行自然發(fā)酵，按發(fā)酵液中殘?zhí)橇康牟煌瑢l(fā)酵分為4個時期：第1個時期為加SO2及果膠酶浸漬24h后取樣，第2個時期為發(fā)酵液中殘?zhí)?0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，第3個時期為發(fā)酵液中殘?zhí)?0%，第4個時期為發(fā)酵液中殘?zhí)?g/L以下。每個發(fā)酵時期采集發(fā)酵液樣品1mL，進(jìn)行梯度稀釋。

設(shè)備表面：用無菌棉球擦拭設(shè)備內(nèi)壁表面約40cm2，將其中的菌液擠出，定容到20mL后取1mL進(jìn)行梯度稀釋。

經(jīng)梯度稀釋后的樣品0.2mL涂布于WL培養(yǎng)基上，25℃條件下培養(yǎng)7d，挑菌經(jīng)劃線培養(yǎng)得到單菌落。

1.2 釀酒酵母菌株的篩選

1.2.1 WL培養(yǎng)基進(jìn)行菌落聚類及巨大菌落觀察

將菌株劃線接種于WL培養(yǎng)基上，25℃條件下培養(yǎng)7 d，觀察菌落形態(tài)，挑選釀酒酵母菌株。

巨大菌落形態(tài)觀察：將供試細(xì)胞懸液用0.8%的無菌生理鹽水稀釋至以0.1mL 細(xì)胞懸液含10個細(xì)胞為佳，涂布在10%的麥汁明膠培養(yǎng)基平板上，在20℃左右培養(yǎng)3～4周。待巨大菌落形成后，觀察菌落的大小、顏色、形態(tài)、光澤和周緣形狀等。

1.2.2 酵母菌5.8S rRNA-ITS區(qū)域及核糖體26S D1/D2區(qū)域RFLP分析

1)DNA提?。篠DS裂解法[11]。

2)5.8S rRNA-ITS區(qū)域PCR反應(yīng)體系[6](50μL)：引物 ITS1 (5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)、ITS4 (5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)各 0.5μmol/L；dNTP 0.2mmol/L；Colorless GoTaq Reaction Buffer 10μL；TaqDNA 聚合酶2.5μL；模板DNA 1μL。

PCR反應(yīng)條件：95℃預(yù)變性7min；95℃變性1min，52℃退火2min，72℃延伸2min，循環(huán)35次；再72℃延伸10min。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠70V電泳檢測。

3)核糖體26S D1/D2區(qū)域PCR反應(yīng)體系(50μL)：引物NL1(5′-GCA TAT CAA TAA GCG GAG GAAAAG-3′)，NL2(5′-GGT CCG TGT TTC AAG ACG G-3′)各0.2 μ mol/L；dNTP 0.2mmol/L，Colorless GoTaq Reaction Buffer 10μL，TaqDNA聚合酶2.5U，模版DNA 1μL。

PCR反應(yīng)條件：95℃預(yù)變性7min；94℃變性1min，52℃退火1min，72℃延伸80s，循環(huán)36次；再72℃延伸8min。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠70V電泳檢測。

4)利用3種限制性內(nèi)切酶HaeIII、Hinf I和cofI對擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行酶切[12]。酶切反應(yīng)體系20μL，10×Buffer 2 μL、BSA 0.2μL、PCR產(chǎn)物8μL、限制性內(nèi)切酶1μL。37℃溫育2h；3%瓊脂糖凝膠電泳檢測，控制電壓70V。

1.2.3 賴氨酸培養(yǎng)基復(fù)篩釀酒酵母

賴氨酸培養(yǎng)基(g/L)：D-葡萄糖 10、L-組氨酸0.001、DL-蛋氨酸0.002、DL-色氨酸0.002、對-氨基苯甲酸2×104、生物素2×105、葉酸2×106、肌醇0.01、煙酸4×104、泛酸0.002、鹽酸吡哆醇4×104、核黃素2×104、鹽酸硫胺素4×104、硼酸5×104、結(jié)晶氯化銅4×105、碘化鉀1×104、結(jié)晶氯化鐵2×104、結(jié)晶硫酸錳4×104、結(jié)晶鉬酸鈉2×104、結(jié)晶硫酸鋅4×104、磷酸二氫鉀0.85、磷酸氫二鉀0.15、結(jié)品硫酸鎂0.5、氯化鈉0.1、結(jié)晶氯化鈣0.1、賴氨酸鹽酸鹽2.5、瓊脂20，pH值自然，121℃滅菌20min[13]。

釀酒酵母菌株的復(fù)篩：將經(jīng)過初篩的菌株，接種到Y(jié)EPD液體培養(yǎng)基中活化24h后，按照1%接種量接種到5mL無菌水中進(jìn)行菌株饑餓處理，7d后接種到賴氨酸培養(yǎng)基中，27℃條件下培養(yǎng)15d后觀察酵母生長情況。

1.3 Interdelta PCR指紋圖譜法區(qū)分鑒定釀酒酵母菌株

DNA提取：SDS裂解法[11]。

反應(yīng)體系(50μL)：引物δ12、δ2各1μmol/L；dNTP 0.2mmol/L；Colorless GoTaq Reaction Buffer 10μL；TaqDNA聚合酶0.5μL；模板DNA 1μL。

反應(yīng)條件：97℃預(yù)變性4min；94℃變性30s，45℃退火1min，72℃延伸2min，循環(huán)30次；再72℃延伸10min。PCR 產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠70V電泳檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 酵母菌的分離

從沙城產(chǎn)區(qū)龍眼葡萄相關(guān)環(huán)境(包括葡萄園土壤、葡萄酒廠設(shè)備表面、接觸過葡萄酒廠設(shè)備的葡萄汁和自然發(fā)酵過程)采集227份樣品，共篩選得到1358株酵母菌。通過WL培養(yǎng)基進(jìn)行酵母菌的形態(tài)聚類和區(qū)分得到42種不同的形態(tài)類型[14]。

2.2 釀酒酵母的篩選

2.2.1 菌落形態(tài)聚類結(jié)果

圖1 釀酒酵母的菌落形態(tài)(a)和顯微形態(tài)(b)Fig.1 Colonial and microscopic morphology of Saccharomyces cerevisiae

由圖1可知，經(jīng)過WL培養(yǎng)基的培養(yǎng)及巨大菌落的觀察，單菌落形態(tài)為邊緣微綠色，中間顏色略深，火山狀凸起，表面光滑有褶皺，邊緣較整齊；顯微鏡觀察其細(xì)胞的顯微形態(tài)為卵圓形，有的菌株正在進(jìn)行出芽生殖，此類酵母菌被初步認(rèn)定為釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)[15]。

2.2.2 酵母菌的5.8S rRNA-ITS區(qū)域及核糖體26S D1/D2區(qū)域RFLP分析

在酵母菌形態(tài)初步鑒定的基礎(chǔ)上，利用5.8S rRNAITS區(qū)域及核糖體26S D1/D2區(qū)域RFLP分析的方法對此類酵母進(jìn)行分子鑒定，分析結(jié)果見表1。結(jié)果證明這種形態(tài)類型的酵母菌的確是釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)[16]，初篩得到300株，其中，2008年釀酒季節(jié)54株，2009年170株，2010年76株。而2009年非釀酒季節(jié)未篩得該酵母菌株，原因是非釀酒季節(jié)只是對土壤進(jìn)行了采樣分離，而土壤中本來所含酵母菌數(shù)量就不多，再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)過程中的定量梯度稀釋，使得篩得酵母菌株的幾率縮小，因而從非釀酒季節(jié)的土壤中不易獲得釀酒酵母菌株[17]。另外，沙城產(chǎn)區(qū)春季風(fēng)沙較大，天氣干燥也是未分離到釀酒酵母的原因之一。

表1 5.8S rRNA-ITS區(qū)域及核糖體26S D1/D2區(qū)域RFLP分析結(jié)果Table 1 RFLP analysis result 5.8S rRNA-ITS and 26S D1/D2 of isolated yeasts

隨機(jī)挑取兩株進(jìn)行5.8S rRNA-ITS區(qū)域PCR產(chǎn)物進(jìn)行核苷酸序列測定，通過與NCBI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對來最終確定酵母菌的種屬。通過與Genebank數(shù)據(jù)庫菌株比對，菌株鑒定為釀酒酵母，結(jié)果見表2。

表2 酵母菌5.8S-ITS區(qū)域的基因序列分析結(jié)果Table 2 Sequence analysis of the 5.8S-ITS of yeast strains

2.2.3 賴氨酸培養(yǎng)基復(fù)篩釀酒酵母

釀酒酵母不能采用賴氨酸作為酵母氮源，因而在賴氨酸培養(yǎng)基上不能生長，故可以通過賴氨酸培養(yǎng)基對初步鑒定為釀酒酵母的菌株進(jìn)行復(fù)篩[13]。結(jié)果顯示，其中30株菌在培養(yǎng)了3～4周后能夠在賴氨酸培養(yǎng)基上生長，證明其并不是釀酒酵母，因此釀酒酵母菌株共篩選得到了270株。

2.3 Interdelta PCR指紋圖譜法區(qū)分鑒定釀酒酵母

圖2 釀酒酵母PCR產(chǎn)物電泳圖Fig.2 Interdelta fingerprinting patterns of Saccharomyce cerevisiae

表3 Interdelta PCR指紋圖譜分析結(jié)果Table 3 Results of Interdelta fingerprinting analysis of Saccharomyces cerevisiae

對所得270株釀酒酵母進(jìn)行Interdelta PCR指紋圖譜法的區(qū)分鑒定，分為16類，分析結(jié)果如表3所示，電泳圖譜如圖2所示。

2008年篩選得到的36株釀酒酵母經(jīng)過PCR指紋圖譜分析區(qū)分為5類，2009年158株區(qū)分為9類，2010年76株區(qū)分為4類。其中僅有2類在兩年出現(xiàn)：類型1在2008年和2010年都分離得到；類型5同時出現(xiàn)在2008年和2009年。從菌源分析，土壤中分離得到5類釀酒酵母共25株，占總菌數(shù)的9.3%；自然發(fā)酵第2期得到4類共26株，占總菌數(shù)的9.6%；自然發(fā)酵第3期得到10類共97株，占總菌數(shù)的35.9%；自然發(fā)酵第4期得到11類共80株，占總菌數(shù)的29.6%；酒廠設(shè)備分離得到3類共26株，占總菌數(shù)的9.6%；接觸酒廠設(shè)備鮮汁得到3類16株，占總菌數(shù)的5.9%。自然發(fā)酵過程的第3、4期釀酒酵母的多樣性是最顯著的。由于風(fēng)、雨等氣候因素的影響，使葡萄漿果表面酵母菌的數(shù)量很少，按照本實(shí)驗(yàn)操作在葡萄漿果表面未篩得釀酒酵母。但是葡萄自然發(fā)酵過程所出現(xiàn)的酵母菌株應(yīng)該是來自葡萄果表面，因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中少量菌株自身生長使菌群壯大，再加上這些酵母的發(fā)酵能力和酒精耐受力強(qiáng)，在自然發(fā)酵中后期成為主導(dǎo)菌群，故篩選到大量菌株，在這些酵母中最有可能篩得本土釀酒酵母。由于企業(yè)生產(chǎn)采用商品酵母，發(fā)酵完成后設(shè)備清洗和滅菌的不徹底，導(dǎo)致從酒廠設(shè)備表面及鮮汁中篩選得到的酵母菌多為商用酵母的可能性較大，不易獲得本土菌株。

對區(qū)分得到的16類釀酒酵母進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可見各類釀酒酵母所占比例和彼此的關(guān)系，分別見圖3、4。

圖3 各類型釀酒酵母所占比例Fig.3 Composition of various populations of Saccharomyce cerevisiae

由圖3可知，類型5和9數(shù)量最多，占釀酒酵母總數(shù)的20%左右，其他類型數(shù)量均低于12%。這兩個類型的菌株在2008年和2009年的3個葡萄園土壤和自然發(fā)酵過程中篩得。

圖4 釀酒酵母聚類分析樹形圖Fig.4 Phylogenetic tree of Saccharomyce cerevisiae

由圖4可知，各類型菌株的親緣關(guān)系。其中，類型3和16親緣關(guān)系最近，而類型10與其他類型菌的關(guān)系最遠(yuǎn)。葡萄酒相關(guān)環(huán)境受年份、氣候等條件的影響，會導(dǎo)致微生物組成的變化[18]，因此釀酒酵母經(jīng)過區(qū)分鑒定后的類型也相對較多。

2.4 本土釀酒酵母的分布

在葡萄酒生產(chǎn)中應(yīng)用本土釀酒酵母，容易獲得具有地區(qū)特色的葡萄酒產(chǎn)品。目前國內(nèi)葡萄酒生產(chǎn)企業(yè)都是應(yīng)用商用活性干酵母進(jìn)行生產(chǎn)，難以獲得具有獨(dú)特風(fēng)味的葡萄酒，因此篩選本土優(yōu)良酵母菌具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。與我國常用的5種商用活性干酵母的PCR指紋圖譜鑒定結(jié)果進(jìn)行比對，其中包括LAFFORT F5、Zymaflore F15、安琪葡萄酒酵母、Lalvin CY-3079、Vitilevure KD[19]。

電泳條帶大小比對的結(jié)果顯示，在沙城產(chǎn)區(qū)分離到的釀酒酵母菌中存在著商用酵母。其中，篩選得到的釀酒酵母類型1與Lalvin CY-3079一致，這類酵母來自2008年夾河土壤、接觸過設(shè)備的葡萄汁還有2010年夾河自然發(fā)酵4期。其他15類與商用酵母不同，有可能是本土酵母。特別是在自然發(fā)酵第3、4期篩到的14類均為本土酵母。

總的來說，獲得本土釀酒酵母的途徑主要是土壤、葡萄果表面、自然發(fā)酵過程。本研究土壤中分離到4種類型的本土酵母。自然發(fā)酵過程中共分離到14種類型的釀酒酵母，其中13種類型為本土酵母。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了沙城產(chǎn)區(qū)龍眼葡萄酒相關(guān)環(huán)境中分離得到的釀酒酵母種類及多樣性。利用Interdelta PCR指紋圖譜法將分離得到的270株釀酒酵母區(qū)分為16類。其中土壤中分離得到5類；自然發(fā)酵2、3、4期分別為4類、10類和11類；酒廠設(shè)備3類；接觸酒廠設(shè)備鮮汁3類。其中有一類釀酒酵母屬于商用酵母CY-3079，其余15類均為沙城產(chǎn)區(qū)的本土釀酒酵母菌株。自然發(fā)酵過程中釀酒酵母的多樣性復(fù)雜，是分離本土優(yōu)良酵母的重要來源。本研究為針對特定葡萄產(chǎn)區(qū)和葡萄品種進(jìn)行優(yōu)良本土酵母的篩選奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)對篩得菌株的生理生化特性及釀酒性能的研究還在進(jìn)行中。

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Diversity ofSaccharomyces cerevisiaein Different Habitats in Shacheng Region

ZHAO Jing-jing1，LI Yan1,2,*
(1. College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China；
2. Research Center for Fermentation Engineering of Hebei Province, Shijiazhuang 050018, China)

In this study, the biodiversity ofSaccharomyces cerevisiaeisolated from different environments associated with Longan grape in Shacheng wine-producing region was investigated. In the continuous three years 2008, 2009 and 2010, 227 samples were collected from vineyard soil, the surface of winery equipments, grape juice contacted with winery equipments and naturally fermented grape and 1358 yeast strains were isolated from them. Molecular-level identification based on a PCR-RFLP analysis of 5.8S ITS rRNA and secondary screening using lysine medium were carried out to obtain 270Saccharomyces cerevisiaestrains. Further, the strains were divided using Interdelta PCR into 16 classes, including 5 from vineyard soil, 4, 10 and 11 from at the 2nd, 3rdand 4thstages of natural fermentation respectively, 3 from the surface of winery equipments and 3 from grape juice contacted with winery equipments.Saccharomyces cerevisiaespecies notably varied with sampling time and habitat.Saccharomyces cerevisiaestrains isolated from naturally fermented grape had the greatest possibility of being indigenous strains.

Saccharomyces cerevisiae；restriction pattern of amplified 5.8S-ITS rRNA gene (RFLP)；Interdelta PCR；biodiversity；indigenous yeast

Q78

A

1002-6630(2012)05-0224-05

2011-10-24

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(092210003D)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2011208028)

趙靜靜(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鹘y(tǒng)發(fā)酵工程創(chuàng)新技術(shù)。E-mail：576556889@qq.com

*通信作者：李艷(1958—)，女，教授，本科，研究方向?yàn)槠咸丫瓶茖W(xué)技術(shù)。E-mail：lymdh5885@163.com