趙廣河,胡夢(mèng)琪,陸璽文,趙豐麗
(1.廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 廣西漓江流域景觀資源保育與可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.廣西師范大學(xué) 應(yīng)用生物學(xué)研究所,廣西 桂林 541004)
桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)是桃金娘科桃金娘屬常綠小灌木,原產(chǎn)于南亞和東南亞,主要分布于印度、中國(guó)的華東及華南、馬來(lái)西亞和蘇拉威西島(印度尼西亞)的南部[1]。桃金娘果實(shí)不僅營(yíng)養(yǎng)豐富,還含有多酚、多糖、β-胡蘿卜素等生物活性物質(zhì),其中白皮杉醇含量高達(dá)2.3 mg/g干質(zhì)量,是紅葡萄的1 000~2 000倍[2-3],具有抗炎[4]、抗氧化[5-7]、抗動(dòng)脈粥樣硬化[8]、抑菌[9]、抗過(guò)敏[9]、抗腫瘤[10]等生理功效。桃金娘果實(shí)藥用歷史悠久,可用于補(bǔ)血、滋養(yǎng)、安胎及病后體虛、神經(jīng)衰弱、耳鳴和遺精等方面。
桃金娘果實(shí)加工成的發(fā)酵型飲料“Ruou Sim”在越南南部和中部地區(qū)頗受歡迎[11]。我國(guó)部分地區(qū)采用自然發(fā)酵法制作桃金娘果酒。然而,上述方法所制桃金娘果酒口感微澀、品質(zhì)不穩(wěn)定。酵母是果酒發(fā)酵的關(guān)鍵,性能優(yōu)良的酵母菌不僅可以縮短果酒發(fā)酵時(shí)間、提高果酒品質(zhì),還可以較好地保持果實(shí)自身的風(fēng)味特性。近年來(lái),研究者采用接種某名牌商用釀酒酵母發(fā)酵制備桃金娘果酒[12-14]。然而,果酒風(fēng)味較為淡薄,無(wú)法滿足消費(fèi)者的口味需求。因此,尋找適宜的桃金娘果酒發(fā)酵專(zhuān)用酵母成了開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)桃金娘果酒的關(guān)鍵所在。
本研究從桃金娘葉片、根部土壤、果皮、果實(shí)自然發(fā)酵液中分離酵母菌,通過(guò)WL鑒定培養(yǎng)基分離、純化菌株,結(jié)合2,3,5-氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride,TTC)顯色初篩、發(fā)酵性能測(cè)試復(fù)篩釀酒酵母,通過(guò)形態(tài)學(xué)觀察及26S rDNA基因序列分析對(duì)其進(jìn)行鑒定,并對(duì)其耐受性進(jìn)行分析,以期為后續(xù)優(yōu)質(zhì)桃金娘果酒的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
1.1.1 材料桃金娘新鮮葉片、根部土壤、果皮、果實(shí):于2020年10月采集自廣西賀州市某桃金娘果園。
1.1.2 試劑
脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)試劑盒:生工生物工程(上海)股份有限公司;葡萄糖、氯化鈣、氯化鉀、鹽酸、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇、磷酸二氫鉀、偏重亞硫酸鉀(均為分析純):西隴化工股份有限公司;蛋白胨、酵母粉、瓊脂(均為生化試劑):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
酵母浸出粉胨葡萄糖瓊脂(yeast extract peptone dextrose agar,YPD)培養(yǎng)基:將10 g酵母粉、20 g蛋白胨、20 g葡萄糖溶于1 L純凈水,115 ℃滅菌20 min。在滅菌后的YPD液體培養(yǎng)基中加入20 g無(wú)菌瓊脂粉,搖勻、凝固后即為YPD固體培養(yǎng)基。
WL鑒定培養(yǎng)基:將4 g酵母粉、5 g胰蛋白胨、50 g葡萄糖、0.55 g磷酸二氫鉀、0.425 g氯化鉀、0.125 g氯化鈣、0.125 g硫酸鎂、0.002 5 g氯化鐵、0.002 5 g硫酸錳、22 mg嗅甲酚綠、20 g瓊脂溶于1 L純凈水,調(diào)整pH值為6.5,121 ℃滅菌15 min。
2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)下層培養(yǎng)基:將10 g葡萄糖、1.5 g酵母粉、1 g磷酸二氫鉀、20 g瓊脂、0.4 g硫酸鎂、2 g蛋白胨,溶于1 L純凈水,調(diào)整pH值為5.5,115 ℃滅菌20 min。TTC上層培養(yǎng)基:將5 g葡萄糖、0.5 g紅四氮唑、15 g瓊脂溶于1 L純凈水,115 ℃滅菌20 min。
YM75型立式壓力滅菌鍋:上海三申醫(yī)療器械有限公司;BX63型顯微鏡:日本Olympus公司;ABI3730XL測(cè)序儀:美國(guó)Applied Biosystems公司;Mini Pro 300V電泳儀:上海力申科學(xué)儀器有限公司。
1.3.1 釀酒酵母的分離與純化
分別稱(chēng)取新鮮桃金娘葉片、桃金娘根部土壤5 g,加入50 mL無(wú)菌水,置于28 ℃、150 r/min搖床培養(yǎng)3 h;稱(chēng)取新鮮桃金娘果皮20 g于200 mL YPD液體培養(yǎng)基中,25 ℃條件下?lián)u床(150 r/min)培養(yǎng)2 d;稱(chēng)取新鮮桃金娘果實(shí)200 g充分破碎(過(guò)40目篩),加入適量葡萄糖將糖度調(diào)整為25°Bx,置于恒溫培養(yǎng)箱中25 ℃靜置發(fā)酵7 d。采用無(wú)菌水將上述菌懸液稀釋至10-1~10-5倍后,分別吸取100 μL各梯度稀釋液涂布于WL鑒定培養(yǎng)基,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2~5 d。采用平板劃線法進(jìn)行純化。
1.3.2 釀酒酵母的形態(tài)觀察及TTC培養(yǎng)基初篩
挑取表面光滑濕潤(rùn)、中間隆起的具有典型酵母菌株形態(tài)特征的單菌落繼續(xù)培養(yǎng),隨后將酵母菌株劃線接種于WL鑒定培養(yǎng)基,參照《酵母菌的特征與鑒定手冊(cè)》[15],觀察其菌落形態(tài),并用無(wú)菌水稀釋菌懸液,通過(guò)顯微鏡觀察其細(xì)胞形態(tài)特征。挑選出特征明顯的菌落于YPD固體培養(yǎng)基劃線分離,挑選出單菌落,劃線于YPD固體斜面,28 ℃恒溫培養(yǎng)3 d,將單菌落劃線接種于TTC下層培養(yǎng)基,28 ℃恒溫靜置培養(yǎng)2~4 d;待菌落成型后,倒入TTC上層培養(yǎng)基,28 ℃避光培養(yǎng)2~3 h;3 h后通過(guò)觀察TTC培養(yǎng)基上菌落的顯色反應(yīng),TTC會(huì)在活酵母細(xì)胞中脫氫酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為三苯甲臜,且呈紅色[16]。通過(guò)顏色深淺可以判斷酵母中呼吸酶活力的大小,從而判斷酵母菌產(chǎn)酒精能力的高低。篩選顏色較深的菌株接種于YPD斜面培養(yǎng)基上,在28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后置于4 ℃保存,用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.3.3 釀酒酵母發(fā)酵性能測(cè)試
將初篩酵母菌接種于YPD斜面培養(yǎng)基上,在28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,隨后將其再次接種于YPD斜面培養(yǎng)基上,在28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,充分活化菌株;接著將酵母菌接種于YPD液體培養(yǎng)基中,置于28 ℃、150 r/min搖床培養(yǎng)3 d,制成菌懸液,按照2%(V/V)接種量接種于放置有倒置杜氏小管的20 mL YPD液體培養(yǎng)基中,28 ℃靜置培養(yǎng)3 d。在這期間,觀察記錄杜氏小管的產(chǎn)氣情況。
1.3.4 產(chǎn)酒精能力測(cè)試
將復(fù)篩菌株接種于YPD液體培養(yǎng)基,置于28℃、150r/min搖床培養(yǎng)3 d。按照2%(V/V)接種量接種于裝液量為100 mL/250 mL的YPD液體培養(yǎng)基中,28 ℃恒溫培養(yǎng)5 d。量取100 mL發(fā)酵液置于500 mL圓底燒瓶中,再向該燒瓶中加入100 mL水,置于45 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行蒸餾,收集約96 mL餾出液,取下收集瓶冷卻至20 ℃,定容至100 mL,通過(guò)酒精計(jì)測(cè)其酒精度。
1.3.5 菌株的分子生物學(xué)鑒定
將篩選出來(lái)產(chǎn)酒精能力強(qiáng)的酵母菌株進(jìn)行26S rDNA序列鑒定。DNA提取:按SK8257(酵母)試劑盒操作說(shuō)明書(shū)提取酵母菌菌株的DNA。利用酵母菌引物NL1(5'-GCATATCAATAAGCGGAGGAAAAG-3')和NL4(5'-GGTCCGTGTTTCAAGACGG-3')對(duì)菌株進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系(25 μL):DNA模板(40 ng/μL)0.5 μL、10×Buffer(含Mg2+)2.5 μL、脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphate,dNTP)(2.5 mmol/L)2.0 μL、聚合酶0.2 μL、正反向引物(10 μmol/L)各0.5 μL,加雙蒸水補(bǔ)充至25 μL。PCR擴(kuò)增條件:94 ℃預(yù)變性4 min,94 ℃變性45 s,55 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,30個(gè)循環(huán),72 ℃修復(fù)延伸10 min,4 ℃終止反應(yīng)。將擴(kuò)增產(chǎn)物送至生工生物工程(上海)股份有限公司測(cè)序,將測(cè)序結(jié)果提交至美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)網(wǎng)站的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行基本局部比對(duì)搜索工具(basic localalignmentsearch tool,BLAST)同源性搜索比對(duì),選取同源性較高的模式菌株的26S rDNA基因序列,采用MEGA7.0軟件中的鄰接(neighbor-joining,NJ)法構(gòu)建菌株系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
1.3.6 菌株生長(zhǎng)及耐受性能分析
(1)生長(zhǎng)曲線
分別將鑒定菌株接種于YPD液體培養(yǎng)基,置于28 ℃、150 r/min搖床培養(yǎng)3 d,獲得篩選菌株種子液,按照2%(V/V)的接種量接種于已滅菌的YPD液體培養(yǎng)基中,28 ℃恒溫培養(yǎng)32 h,每隔2 h無(wú)菌取樣,測(cè)其波長(zhǎng)600 nm處的吸光度值(OD600nm值)。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。
(2)耐受性能評(píng)價(jià)
參照梁裕崴[17]的方法并進(jìn)行調(diào)整,將鑒定菌株制成菌懸液,按照2%(V/V)的接種量分別接種到不同pH值(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)、溫度(33 ℃、36 ℃、39 ℃、42 ℃、45 ℃)、葡萄糖含量(10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L)、酒精度(8%vol、10%vol、12%vol、14%vol、16%vol、18%vol)、SO2含量(100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L、350 mg/L)的YPD液體培養(yǎng)基中,以未經(jīng)上述處理的YPD液體培養(yǎng)基為對(duì)照,28 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d,分別考察發(fā)酵24 h、48 h和72 h的產(chǎn)氣能力。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。
桃金娘葉片、根部土壤、果皮、果實(shí)經(jīng)WL鑒定培養(yǎng)基分離純化,共分離篩選得到45株菌株,依次命名為T(mén)1~T45。結(jié)合形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),菌株T3、T6、T7、T8、T11、T27、T29、T30、T32、T33、T35、T38、T39、T41、T43這15株菌株不符合酵母形態(tài)特征,故排除。剩余30株菌株菌落呈圓形或橢圓形,表面濕潤(rùn)、光滑、有凸起,大小不一,具有典型的酵母菌形態(tài)特征。其中,代表菌株T2(篩選自果皮)的菌落及細(xì)胞形態(tài)見(jiàn)圖1。由圖1可知,菌株T2呈綠色、圓形、中間凸起、無(wú)褶皺、光滑、濕潤(rùn);菌體形態(tài)無(wú)色透明、橢圓、出芽生殖。
采用TTC顯色法對(duì)上述30株菌株進(jìn)行初篩。不顯色的菌株有2株,為菌株T34、T37,其他28株菌株(編號(hào)分別為T(mén)1、T2、T4、T5、T9、T10、T12、T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24、T25、T26、T28、T31、T36、T40、T42、T44、T45)均呈紅色,因此,選取這28株菌株用于后續(xù)杜氏小管產(chǎn)氣試驗(yàn)。
2.2.1 杜氏小管產(chǎn)氣法復(fù)篩
酵母菌分解糖產(chǎn)生二氧化碳[18],菌株的發(fā)酵能力與產(chǎn)氣情況呈正比,產(chǎn)氣速度越快、產(chǎn)氣量越大,則發(fā)酵能力越強(qiáng)。28株菌株的杜氏小管產(chǎn)氣法復(fù)篩結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,菌株T10、T14、T15等14株菌株在48 h內(nèi)均不產(chǎn)氣,說(shuō)明這些菌株為非酵母菌株,可排除。菌株T19在24 h內(nèi)不產(chǎn)氣,在48 h內(nèi)所產(chǎn)氣體僅能充滿杜氏管體積的1/3,產(chǎn)氣能力較差。菌株T1、T2、T4等13株菌株在48h內(nèi)所產(chǎn)氣體可以將杜氏小管充滿,其中,菌株T2、T13、T16、T23、T25、T36均可在24 h內(nèi)充滿氣體,而其他7株菌在24 h內(nèi)僅產(chǎn)生1/3或2/3氣體。將48 h內(nèi)杜氏管能產(chǎn)氣的14株菌株用于后續(xù)產(chǎn)酒精能力試驗(yàn)。

表1 28株篩選菌株的杜氏小管產(chǎn)氣法復(fù)篩結(jié)果Table 1 Rescreening results of 28 screened strains by Duchenne tube gas production method
2.2.2 篩選菌株產(chǎn)酒精能力測(cè)定
篩選菌株產(chǎn)酒精能力測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,菌株T2、T19發(fā)酵液的酒精度最高,均為2.5%vol,其他菌株發(fā)酵液的酒精度為1.5%vol~2.0%vol。因此,選擇菌株T2、T19進(jìn)行分子生物學(xué)鑒定。

表2 篩選菌株產(chǎn)酒精能力測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of alcohol production capacity of screened strains
將菌株T2、T19進(jìn)行26S rDNA分子生物學(xué)鑒定,構(gòu)建其系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2(A)可知,菌株T2與仙人掌有孢漢遜酵母(Hanseniaspora opuntiae)聚于一支,同源性達(dá)100%。因此,菌株T2被鑒定為仙人掌有孢漢遜酵母(Hanseniaspora opuntiae)。由圖2(B)可知,菌株T19與長(zhǎng)孢洛德酵母(Lodderomyces elongisporus)聚于一支,同源性達(dá)100%,將菌株T19被鑒定為長(zhǎng)孢洛德酵母(Lodderomyc eselongisporus)。

圖2 基于26S rDNA基因序列菌株T2(A)和T19(B)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.2 Phylogenetic tree of strains T2 (A) and T19 (B) based on 26S rDNA gene sequences
菌株T2和T19的生長(zhǎng)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 菌株T2和T19的生長(zhǎng)曲線Fig.3 Growth curves of strains T2 and T19
由圖3可知,菌株T2和T19生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。發(fā)酵時(shí)間為0~2 h時(shí),菌株T2生長(zhǎng)緩慢,為遲滯期;發(fā)酵時(shí)間為2~8 h時(shí),菌株快速增殖,為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期;發(fā)酵時(shí)間>8 h后菌株T2生長(zhǎng)趨勢(shì)較平緩,進(jìn)入穩(wěn)定期。菌株T19在0~2 h內(nèi)生長(zhǎng)緩慢,為遲滯期;在2~12 h內(nèi)快速增長(zhǎng),為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期;發(fā)酵時(shí)間>12 h后菌株T19呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),進(jìn)入穩(wěn)定期。因此,2株酵母菌在12~32 h范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好。
2.5.1 pH耐受性
篩選菌株的pH值耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。在pH<3.0時(shí),菌株T2在24 h內(nèi)的產(chǎn)氣受到抑制。在pH值≤2.0時(shí),菌株T2在24 h內(nèi)不產(chǎn)氣,而在pH值為2.0~4.5時(shí),可使杜氏小管在48 h內(nèi)充滿氣體,在pH值為1.5~4.5時(shí),可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體。在pH值為1.5~4.5條件下,菌株T19在48 h內(nèi)均不產(chǎn)氣,而在pH值為4.0~4.5時(shí),可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體。因此,菌株T2對(duì)pH值耐受性能優(yōu)于菌株T19,具有較強(qiáng)的耐酸性。

表3 篩選菌株的pH值耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of pH tolerance tests of screened strains
2.5.2 溫度耐受性
溫度不僅影響酵母菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝轉(zhuǎn)化,而且影響其發(fā)酵產(chǎn)物的整體風(fēng)味[19]。篩選菌株的溫度耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,溫度為33~36 ℃時(shí),菌株T2可使杜氏小管在48h內(nèi)充滿氣體,而菌株T19可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體。因此,菌株T2溫度耐受性?xún)?yōu)于菌株T19。

表4 篩選菌株的溫度耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of temperature tolerance tests of screened strains
2.5.3 葡萄糖耐受性
篩選菌株的葡萄糖耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。在葡萄糖含量>30%時(shí),菌株T2在24 h內(nèi)的產(chǎn)氣受到抑制。在葡萄糖含量為10%~30%,菌株T2可使杜氏小管在48 h內(nèi)充滿氣體,而在葡萄糖含量為10%~60%,可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體。在葡萄糖含量為10%~40%時(shí),菌株T19可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體,但48 h內(nèi)均不產(chǎn)氣。上述結(jié)果與管慶林等[20-21]的研究結(jié)果一致,因?yàn)楦邼舛绕咸烟侨芤核纬傻母邼B透壓環(huán)境導(dǎo)致酵母菌細(xì)胞破裂、水分流失從而抑制了酵母菌的生長(zhǎng)[22]。因此,菌株T2的葡萄糖耐受性能優(yōu)于菌株T19。

表5 篩選菌株的葡萄糖耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of glucose tolerance tests of screened strains
2.5.4 酒精耐受性
醇類(lèi)會(huì)影響酵母菌的相關(guān)膜及代謝通道的穩(wěn)定性、糖代謝能力從而阻礙酵母菌的生長(zhǎng)[23-24]。篩選菌株的酒精耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,菌株T2在酒精度8%vol~10%vol條件下僅在48 h內(nèi)有產(chǎn)生少量氣體產(chǎn)生,在其他酒精度條件下均不產(chǎn)氣;而菌株T19在酒精度8%vol~18%vol條件下在72 h內(nèi)均不產(chǎn)氣。因此,菌株T2對(duì)酒精耐受能力略?xún)?yōu)于菌株T19,但兩者對(duì)酒精耐受能力均較弱,更適合應(yīng)用于低醇飲品的生產(chǎn)。

表6 篩選菌株酒精耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of alcohol tolerance tests of screened strains
2.5.5 SO2耐受性
SO2在果酒發(fā)酵過(guò)程中不僅可以提高有機(jī)酸含量、降低揮發(fā)酸含量,而且可以有效抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖[25]。篩選菌株SO2耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。在SO2質(zhì)量濃度>200 mg/L時(shí),菌株T2在24 h內(nèi)的產(chǎn)氣受到抑制,而在SO2質(zhì)量濃度為100~350 mg/L時(shí),可使杜氏小管在48 h內(nèi)充滿氣體。在SO2質(zhì)量濃度為100~350 mg/L時(shí),使菌株T19在48 h內(nèi)的產(chǎn)氣均受不同程度的抑制,但可使杜氏小管在72 h內(nèi)充滿氣體。因此,菌株T2的SO2耐受性?xún)?yōu)于菌株T19。

表7 篩選菌株的SO2耐受性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of SO2 tolerance tests of screened strains
本研究以桃金娘葉片、根部土壤、果皮、果實(shí)為實(shí)驗(yàn)材料,通過(guò)WL鑒定培養(yǎng)基純化、TTC顯色初篩和發(fā)酵性能測(cè)試復(fù)篩篩選出兩株酵母菌T2、T19。經(jīng)26S rDNA序列分析,將菌株T2和T19分別鑒定為仙人掌有孢漢遜酵母(Hanseniaspora opuntiae)和長(zhǎng)孢洛德酵母(Lodderomyces elongisporus),均為非釀酒酵母。耐受性試驗(yàn)結(jié)果顯示,菌株T2的耐受性能優(yōu)于T9,菌株T2可耐受pH、葡萄糖含量和SO2含量分別為3.0、30%和200 mg/L。本研究結(jié)果可為優(yōu)質(zhì)桃金娘果酒的開(kāi)發(fā)提供理論和技術(shù)支持。