謝昉書,文向圓,劉樹文,2,3,
(1.西北農林科技大學葡萄酒學院,陜西 楊凌 712100;2.陜西省葡萄與葡萄酒工程技術研究中心,陜西 楊凌 712100;3.陜西省合陽葡萄試驗示范站,陜西 渭南 715300)
蘋果酸-乳酸發酵可以降低葡萄酒的酸度和色度,增加細菌學穩定性及改善葡萄酒的香氣,因此,它是釀造優質葡萄酒的必需工藝環節[1]。在乙醇發酵結束之后葡萄酒的生境極其惡劣和復雜,低pH值、高乙醇體積分數和高SO2等均會抑制乳酸菌的生長和代謝,而酒酒球菌可以適應這種環境[2],因此,它成為蘋果酸-乳酸發酵過程中重要的菌種[3-5]。
在蘋果酸-乳酸發酵過程中,酒酒球菌可以將葡萄酒中具有酸澀感的L-蘋果酸分解為L-乳酸,使葡萄酒更加柔和圓潤。Bronwen等[6]研究發現,低pH值和高乙醇含量對植物乳桿菌的降酸能力起到抑制作用。葡萄酒的香氣是衡量葡萄酒品質最為重要的指標之一[7]。萜烯類化合物具有濃郁的香味,是構成葡萄酒香氣的主要物質,其主要以無味的糖苷結合態存在于葡萄酒中[6,8]。糖苷酶可以酶解香氣前體物質以增加葡萄酒香氣的復雜性,其中β-葡萄糖苷酶是改善葡萄酒香氣的關鍵酶[9]。乳酸菌特別是酒酒球菌具有較高的β-葡萄糖苷酶活性,可以促進香氣前體物的分解,對增加葡萄酒香氣復雜性具有重要意義[10-13]。酒酒球菌對葡萄酒感官品質的影響具有菌株差異性[14-15],低pH值、高乙醇體積分數、高SO2環境都會對酒酒球菌的糖苷酶活性產生影響。因此,酒酒球菌在葡萄酒生境中的抗脅迫能力及糖苷酶的活性,直接影響蘋果酸-乳酸發酵的啟動、完成及葡萄酒的感官品質[16]。目前研究多是針對脅迫環境對酒酒球菌的降酸能力或β-葡萄糖苷酶活性的影響,但從酒酒球菌的生長能力、降酸能力和β-葡萄糖苷酶活性3 個方面評價其蘋果酸-乳酸發酵能力的研究鮮少報道。
本研究通過分析單因素脅迫環境(pH值、乙醇體積分數和L-蘋果酸)、復合因素脅迫環境和模擬酒環境對耐酸突變菌株[17]的生長能力、降酸能力和β-葡萄糖苷酶活性的影響,旨在全面評價耐酸突變菌株蘋果酸-乳酸發酵的能力,為耐酸突變菌株成為商業發酵劑提供技術支撐。
1.1.1 菌種
酒酒球菌SX-1b[18]、商業菌株31-DH[19]保藏于西北農林科技大學葡萄酒學院;陳其玲等[17]對SX-1b進行離子注入誘變,經過分離純化后篩選出的耐酸突變菌株b1。
1.1.2 培養基與試劑
ATB液體培養基(1 L):葡萄糖10 g,蛋白胨10 g,酵母浸粉5 g,MgSO4·7H2O 0.2 g, MnSO4·4H2O 0.05 g,鹽酸半胱氨酸 0.5 g,番茄汁250 mL,pH 4.8。
模擬酒培養基(1 L):無水乙醇100 mL(培養基乙醇體積分數10%),葡萄汁10 g,L-蘋果酸3 g,D-葡萄糖2 g,D-果糖2 g,CaCl20.13 g,KCl 0.45 g,(NH4)2SO41 g,CH3COONa 2 g,KH2PO40.6 g,MgSO4·7H2O 0.2 g,MnSO40.05 g,酵母浸粉4 g, pH 3.4。110 ℃滅菌10 min,待模擬酒培養基溫度降至常溫水平再添加100 mL無水乙醇。
對硝基苯酚-β-D-葡萄糖苷(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG) 美國Sigma公司;L-蘋果酸檢測試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司;其他均為分析純試劑。
SW-CJ-1超凈工作臺 中國蘇州安泰空氣技術有限公司;SX-500高壓蒸汽滅菌鍋 日本Tomy公司;SHP-250生化培養箱 上海森信實驗儀器有限公司;Cary60紫外分光光度計 安捷倫科技(中國)有限公司;Orion Star A111 pH計 美國Thermo Scientif i c公司。
1.3.1 菌株的生長能力
1.3.1.1 菌株生長曲線繪制
將菌株于ATB液體培養基中26 ℃靜置培養,活化2 次后以4%的接種量接種于單因素脅迫培養基中培養,繪制菌株生長曲線。
1.3.1.2 菌株生長量的測定
將菌株于ATB液體培養基中26 ℃靜置培養,活化2 次后以4%接種量接種于正交條件的培養基中,測定OD600nm,在26 ℃靜置培養120 h后再次測定OD600nm,以兩次測定的差值(ΔOD600nm)衡量實驗菌株的生長。
1.3.2 L-蘋果酸含量的測定
按照L-蘋果酸檢測試劑盒的方法進行測定。
1.3.3 β-葡萄糖苷酶樣品制備及活性測定
取對數生長中期(OD600nm=1.0)菌液各1 mL,9 000 r/min離心10 min收集菌體,加入0.85% NaCl溶液洗滌2 次,并懸浮于0.5 mL 0.85% NaCl溶液。
β-葡萄糖苷酶活力測定參照Barbagallo等[20]的方法并略作修改。反應體系(3 mL):在上述的懸浮液中加入0.5 mL的檸檬酸磷酸緩沖液和p-NPG混合液(pH 5.0,p-NPG濃度5 mmol/L),于37 ℃反應1 h,立即加入2 mL的1.0 mol/L Na2CO3溶液終止反應。10 000 r/min離心20 min,取上清液并使用全波長酶標儀測定400 nm波長處的吸光度。空白樣品是使用0.85% NaCl緩沖溶液代替菌懸浮液,其他處理與樣品相同。菌體干質量的計算如下式所示:

式中:A600nm為菌液在600 nm波長處的吸光度;2.616 8為固定系數。
β-葡萄糖苷酶活力定義為以p-NPG為底物,每克菌體(干質量)每分鐘水解該底物生成對硝基苯酚(p-nitrophenol,p-NP)的量(μmol/(g·min))。標準曲線由不同濃度(10~60 μmol/L)p-NP溶液在400 nm波長處比色獲得。回歸方程為y=0.008 6x+0.002 7,R2=0.999 4,線性關系良好,滿足實驗需求。
1.3.4 單因素脅迫環境對菌株抗脅迫能力的影響
1.3.4.1 pH值的影響
將3 g/L的L-蘋果酸添加到ATB液體培養基,并將培養基的pH值分別調節為3.0、3.2、3.4、3.6和3.8。以4%接種量接種于不同pH值的液體培養基中,測定生長曲線、L-蘋果酸含量及β-葡萄糖苷酶活性。
1.3.4.2 乙醇體積分數的影響
將3 g/L的L-蘋果酸添加到ATB液體培養基,并使培養基的乙醇體積分數分別為8%、10%、12%和14%,pH值為4.8,以4%接種量接種于含有不同乙醇體積分數的液體培養基中,測定生長曲線、L-蘋果酸含量及β-葡萄糖苷酶活性。乙醇體積分數8%接近葡萄酒最低值7%,葡萄酒乙醇體積分數一般為10%~14%。
1.3.4.3 L-蘋果酸的影響
將1、2、3、4 g/L的L-蘋果酸分別添加到ATB液體培養基,pH值為4.8,以4%接種量接種于含有不同L-蘋果酸質量濃度的液體培養基中,測定生長曲線、L-蘋果酸含量及β-葡萄糖苷酶活性。
1.3.5 復合因素脅迫環境對菌株抗脅迫能力的影響
葡萄酒的高酸和高乙醇體積分數環境對酒酒球菌的生長和蘋果酸-乳酸發酵具抑制作用,L-蘋果酸是葡萄酒中重要的有機酸,對酒酒球菌的生長和降酸能力具有影響,因此,選擇pH值、乙醇體積分數和L-蘋果酸作為正交試驗因素,采用L9(34)正交試驗設計,確定正交試驗因素影響程度及最優組合。
1.3.6 模擬酒環境下菌株的蘋果酸-乳酸發酵能力
按照1.1.2節配制模擬酒培養基,并使模擬酒培養基的乙醇體積分數分別為10%、12%和14%,pH值為3.4,以4%接種量接種于模擬酒中,培養到一定時期,按照1.3.3節方法測定β-葡萄糖苷酶活性,并且每天按照1.3.2節方法測定L-蘋果酸的含量。
采用SPSS 20.0分析軟件(上海卡貝信息技術有限公司)對實驗結果進行分析。
2.1.1 pH值對菌株抗脅迫能力的影響
2.1.1.1 pH值對菌株生長能力的影響

圖1 菌株SX-1b(a)、耐酸突變株b1(b)和商業菌株31-DH(c)在不同pH值條件下的生長曲線Fig.1 Growth curves of SX-1b (a), b1 (b) and 31-DH (c) under different pH values
由圖1可知,菌株SX-1b、b1和31-DH在穩定期的生長量隨著pH值降低而降低,當pH值為3.0時,b1的生長量高于SX-1b和31-DH。在不同pH值條件下菌株的生長曲線可為之后L-蘋果酸降解速率的測定提供時間依據。結果表明,pH值對菌株的生長具有抑制作用。但菌株b1在低pH值(3.0)下具有較強的生長能力。Tourdot-Maréchal等[21]研究發現,當pH值為3.2時,酒酒球菌的生長受到嚴重抑制。葡萄酒的pH值一般為3.0~3.4,酒酒球菌能否在葡萄酒的高酸環境中生長繁殖對蘋果酸-乳酸發酵的啟動具有重要意義。經過研究發現,低pH值將會引起酒酒球菌細胞膜結構和成分的變化,使菌株的生長受到抑制[22-23],但陳其玲等[17]采用離子注入誘變,分離純化后獲得的菌株b1表現出良好的抗酸脅迫能力,這有可能是離子注入誘變使與細胞膜結構有關的基因發生突變。
2.1.1.2 pH值對菌株L-蘋果酸降解速率的影響

圖2 pH值對L-蘋果酸降解速率的影響Fig.2 Effect of pH on the degradation rate of L-malic acid
將菌株接種于不同培養基培養120 h,測定L-蘋果酸含量。當菌株的培養時間相同時,菌株的L-蘋果酸降解量越高則其L-蘋果酸降解速率越高。因此,以菌株在120 h時蘋果酸的降解量表示L-蘋果酸降解速率。由圖2可知,菌株SX-1b、b1和31-DH的L-蘋果酸降解量隨著pH值降低而降低,即低pH值對菌株L-蘋果酸降解速率具有抑制作用。當pH值為3.0時,b1保持較高的蘋果酸降解量,為1.978 6 g/L,是SX-1b的1.34 倍,是31-DH的1.18 倍。
蘋果酸乳酸酶是蘋果酸-乳酸發酵過程中的關鍵酶[24],因此,其活性將會影響菌株L-蘋果酸降解速率。研究發現,對于發酵速率較快的菌株,其蘋果酸乳酸酶基因(mleA)的轉錄水平較高[25]。經過離子注入誘變,SX-1b的mleA可能發生突變,從而影響蘋果酸乳酸酶活性和mleA的表達。
2.1.1.3 pH值對菌株β-葡萄糖苷酶活性的影響

圖3 pH值對β-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.3 Effect of pH on β-glycosidase activity
以p-NPG為底物,在37 ℃條件下反應1 h,測定菌株SX-1b、b1和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性。由圖3可知,在不同pH值條件下,菌株SX-1b、b1和31-DH均具有β-葡萄糖苷酶活性,且β-葡萄糖苷酶活性具有菌株差異性,這與之前的研究結果基本一致[26-27]。菌株β-葡萄糖苷酶活性隨著pH值降低而降低。當pH 3.0時,SX-1b和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性受到強抑制作用,但b1受到的抑制作用較小,β-葡萄糖苷酶活性為8.610 0 μmol/(g·min),是SX-1b的6.64 倍,是31-DH的1.62 倍,這與陳其玲等[17]的研究基本一致。當pH 3.8時,SX-1b保持較高的β-葡萄糖苷酶活性。
大部分酒酒球菌β-葡萄糖苷酶的最適pH值為5.0[28],當pH值降到3.5時,β-葡萄糖苷酶活性急劇降低[20],且Michlmayr等[29]研究發現,在葡萄酒pH值(3.0~4.0)條件下,短乳桿菌β-葡萄糖苷酶活性很低,由此可知低pH值對菌株的β-葡萄糖苷酶具有抑制作用[20]。與楊芮等[28]研究結果相比較,菌株b1在低pH值條件下保持較高的β-葡萄糖苷酶活性。
2.1.2 乙醇體積分數對菌株抗脅迫能力的影響
2.1.2.1 乙醇體積分數對菌株生長能力的影響

圖4 菌株SX-1b(a)、耐酸突變株b1(b)和商業菌株31-DH(c)在不同乙醇體積分數下的生長曲線Fig.4 Growth curves of SX-1b (a), b1 (b) and 31-DH (c) at different alcohol concentrations
由圖4可知,菌株SX-1b、b1和31-DH在穩定期的生長量隨著乙醇體積分數增加而降低,即乙醇對各菌株的生長均具有強抑制作用。當乙醇體積分數為14%時,在穩定期生長量最高的為菌株b1。
2.1.2.2 乙醇體積分數對菌株L-蘋果酸降解速率的影響

圖5 乙醇體積分數對L-蘋果酸降解速率的影響Fig.5 Effect of alcohol concentration on the degradation rate of L-malic acid
由圖5可知,菌株SX-1b、b1和31-DH的L-蘋果酸降解量隨著乙醇體積分數增加而降低,即乙醇對菌株L-蘋果酸降解速率具有抑制作用。但b1的L-蘋果酸降解量均高于其余菌株。當乙醇體積分數為14% 時,菌株b1的L-蘋果酸降解量為1.717 7 g/L,分別是SX-1b和31-DH的1.36 倍和1.05 倍。
Miller等[30]研究發現,乙醇對植物乳桿菌mleA的表達具有抑制作用。Wang等[24]研究發現,當乙醇體積分數大于4% 時,隨著乙醇體積分數的增加,酒酒球菌SD-2a的蘋果酸乳酸酶活性顯著降低。經過離子注入誘變,SX-1b的mleA發生突變,可能提高了菌株mleA的表達和蘋果酸乳酸酶的活性。
2.1.2.3 乙醇體積分數對菌株β-葡萄糖苷酶活性的影響

圖6 乙醇體積分數對β-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.6 Effect of alcohol concentration on β-glycosidase activity
由圖6可知,菌株SX-1b、b1和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性隨著乙醇體積分數增加顯著降低,這與之前的研究結果一致[20]。葡萄酒的乙醇體積分數一般為12%~14%,在該條件下,菌株b1保持較高的β-葡萄糖苷酶活性。當乙醇體積分數為14%時,β-葡萄糖苷酶活性最高的為菌株b1(1.597 5 μmol/(g·min)),分別是SX-1b和31-DH的1.09 倍和1.07 倍。
2.1.3 L-蘋果酸對菌株抗脅迫能力的影響
2.1.3.1 L-蘋果酸對菌株生長能力的影響

圖7 菌株SX-1b(a)、耐酸突變株b1(b)和商業菌株31-DH(c)在不同L-蘋果酸質量濃度下的生長曲線Fig.7 Growth curves of SX-1b (a), b1 (b) and 31-DH (c) under different concentrations of L-malic acid
由圖7可知,菌株SX-1b、b1和31-DH在穩定期的生長量隨著L-蘋果酸質量濃度增加而降低。當L-蘋果酸質量濃度為3 g/L時,菌株b1在穩定期的生長量高于SX-1b和31-DH。
2.1.3.2 L-蘋果酸對菌株L-蘋果酸降解速率的影響

圖8 L-蘋果酸質量濃度對L-蘋果酸降解速率的影響Fig.8 Effect of L-malic acid concentration of on the degradation rate of L-malic acid
由圖8可知,菌株SX-1b、b1和31-DH的L-蘋果酸降解量隨著L-蘋果酸質量濃度增加而增加,即L-蘋果酸對菌株的L-蘋果酸降解速率具有促進作用。葡萄酒中L-蘋果酸質量濃度一般為3 g/L,在此質量濃度下,L-蘋果酸降解量最高的為菌株b1(2.846 9 g/L),分別是SX-1b和31-DH的1.19 倍和1.12 倍。
2.1.3.3 L-蘋果酸對菌株β-葡萄糖苷酶活性的影響

圖9 L-蘋果酸質量濃度對β-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.9 Effect of L-malic acid concentration on β-glycosidase activity
由圖9可知,菌株SX-1b、b1和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性隨著L-蘋果酸質量濃度增加而降低。L-蘋果酸對SX-1b和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性抑制作用較強,對b1的β-葡萄糖苷酶活性抑制作用較小。當L-蘋果酸質量濃度小于3 g/L時,菌株SX-1b和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性較高,當L-蘋果酸質量濃度大于3 g/L時,菌株b1表現出較高的β-葡萄糖苷酶活性。當L-蘋果酸質量濃度為3 g/L時,菌株b1的β-葡萄糖苷酶活性高于其余菌株,為6.823 8 μmol/(g·min),分別是SX-1b和31-DH的1.16 倍和1.06 倍。
2.2.1 復合因素脅迫環境對菌株生長能力的影響

表1 正交試驗條件對酒酒球菌ΔOD600 nm的影響Table1 Orthogonal array design with ΔOD600 nm values of three Oenococcus oeni strains

續表1

表2 ΔOD600 nm正交試驗方差分析結果Table2 Analysis of variance for the effect of variables on ΔOD600 nm
由表1可知,ΔOD600nm與單因素脅迫試驗結果相差較大。pH值、乙醇體積分數和L-蘋果酸對菌株的生長均具有抑制作用,因此,在3個脅迫因素協同作用下,對菌株生長的抑制作用將會顯著增強。影響菌株生長因素的主次順序均為pH值>乙醇體積分數>L-蘋果酸質量濃度。由K值可以確定最優組合為A3B1C3,即pH 3.8、乙醇體積分數10%、L-蘋果酸質量濃度4 g/L。
SPSS 20.0統計軟件對試驗結果進行方差分析,由表2可知,對于菌株b1,因素A和B有顯著性差異(P<0.05)。對于菌株31-DH,因素A有顯著性差異(P<0.05)。
2.2.2 復合因素脅迫環境對菌株L-蘋果酸降解速率的影響
由表3可知,影響菌株SX-1b、b1和31-DH的L-蘋果酸降解速率因素的主次順序均pH值>乙醇體積分數>L-蘋果酸。由K值可以確定最優組合為A3B1C3,即pH 3.8、乙醇體積分數10%、L-蘋果酸質量濃度4 g/L。用SPSS 20.0統計軟件對試驗結果進行方差分析,由表4可知,因素A、B和C沒有顯著性差異。

表3 正交試驗條件對L-蘋果酸降解速率的影響Table3 Orthogonal array design with L-malic acid degradation rates of three O. oeni strains

表4 L-蘋果酸降解速率正交試驗方差分析結果Table4 Analysis of variance for the effect of variables on L-malic acid degradation rate
2.2.3 復合因素脅迫環境對菌株β-葡萄糖苷酶活性的影響
由表5可知,影響菌株SX-1b、b1和31-DH的β-葡萄糖苷酶活性因素的主次順序均為pH值>乙醇體積分數>L-蘋果酸質量濃度。由K值可以確定最優組合為A3B1C3,即pH 3.8、乙醇體積分數10%、L-蘋果酸質量濃度4 g/L。用SPSS 20.0統計軟件對試驗結果進行方差分析,由表6可知,對于菌株31-DH,因素A有顯著性差異(P<0.05)。

表5 正交試驗條件對β-葡萄糖苷酶活性的影響Table5 Orthogonal array design with β-glycosidase activity of three O. oeni strains

表6 β-葡萄糖苷酶活性正交試驗方差分析結果Table6 Analysis of variance for the effect of variable on β-glycosidase activity
2.3.1 模擬酒環境下菌株的L-蘋果酸降解速率

圖10 模擬酒中乙醇體積分數10%(a)、12%(b)和14%(c)條件下的L-蘋果酸降解速率Fig.10 Effect of alcohol concentration (10% (a), 12% (b) and 14% (c))of model wine on the degradation rate of L-malic acid
為進一步探究菌株b1的蘋果酸-乳酸發酵能力,將生長至對數生長期(OD600nm=1.0)菌株接種于含有不同乙醇體積分數(10%、12%和14%)的模擬酒中,在20 ℃培養12 d,每天測定L-蘋果酸含量,以菌株的累積L-蘋果酸降解量表示L-蘋果酸降解速率。由圖10可知,在模擬酒環境中,各菌株均具有L-蘋果酸降解能力,隨著乙醇體積分數的增加,菌株累積L-蘋果降解量顯著降低,即菌株L-蘋果酸降解速率隨著乙醇體積分數增加而降低。由圖10c可知,當模擬酒的乙醇體積分數為14%時,菌株SX-1b和31-DH在模擬發酵初期受到嚴重的抑制作用,菌株b1受到的抑制作用較小,因此,菌株b1可以快速適應高乙醇體積分數的環境;當模擬發酵至第12天時,菌株b1累積L-蘋果酸降解量最高,為1.493 2 g/L,分別是菌株SX-1b與31-DH的1.41 倍和1.26 倍。
2.3.2 模擬酒環境下菌株的β-葡萄糖苷酶活性
由圖11可知,在模擬酒環境中,隨著乙醇體積分數增加,各菌株β-葡萄糖苷酶活性均降低。在不同乙醇體積分數條件下,菌株b1的β-葡萄糖苷酶活性均高于SX-1b。當乙醇體積分數大于12% 時,菌株b1的β-葡萄糖苷酶活性較SX-1b和31-DH高。因此,在高乙醇體積分數的葡萄酒中,b1表現出較高的β-葡萄糖苷酶活性。

圖11 模擬酒中乙醇體積分數對酒酒球菌β-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.11 Effect of alcohol concentration of model wine on β-glycosidase activity
結果表明,在模擬酒環境中,乙醇對菌株L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性均具有抑制作用。當乙醇體積分數為14%時,菌株b1的L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性均高于其余菌株,因此,耐酸突變菌株b1具有開發為商業發酵劑的潛能。
本研究通過對耐酸突變菌株b1生長能力、L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性的研究發現,b1表現出良好抗脅迫能力和蘋果酸-乳酸發酵能力,具有成為商業發酵劑的潛能。結果表明低pH值、高乙醇體積分數對菌株的生長能力、L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性均具有抑制作用,L-蘋果酸對其生長能力和β-葡萄糖苷酶活性具有抑制作用,對L-蘋果酸降解速率具有促進作用。當單因素脅迫環境分別為pH 3.0、乙醇體積分數14%和L-蘋果酸質量濃度3 g/L時,b1的L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性均高于其余菌株。正交試驗進一步確定各因素對菌株生長能力、L-蘋果酸降解速率和β-葡萄糖苷酶活性的影響程度為:pH值>乙醇體積分數>L-蘋果酸。當模擬酒的乙醇體積分數為14% 時,菌株b1的累積L-蘋果酸降解量為1.493 2 g/L,分別是SX-1b與31-DH的1.41 倍和1.26 倍,且菌株b1的β-葡萄糖苷酶活性高于其余菌株。在后續的研究中,可將菌株b1接種于葡萄酒中進行蘋果酸-乳酸發酵,進一步探究其L-蘋果酸降解能力及其對葡萄酒香氣的影響。