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    產(chǎn)β-葡萄糖苷酶非釀酒酵母的篩選及酶學特性研究

    2016-09-19 02:27:34李佳益史學偉倪永清
    中國釀造 2016年5期
    關鍵詞:糖苷酶釀酒酵母菌

    張 敏,李佳益,史學偉,倪永清*

    (石河子大學食品學院,新疆石河子832000)

    產(chǎn)β-葡萄糖苷酶非釀酒酵母的篩選及酶學特性研究

    張敏,李佳益,史學偉,倪永清*

    (石河子大學食品學院,新疆石河子832000)

    通過對新疆石河子葡萄產(chǎn)區(qū)葡萄中的酵母菌的篩選,采用酵母浸出粉胨葡萄糖(YPD)培養(yǎng)基分離純化菌株,并對分離菌株進行分子生物學鑒定。利用對硝基苯酚-β-D-葡萄糖苷為底物篩選產(chǎn)β-葡萄糖苷酶酶酵母菌,得到一株高產(chǎn)糖苷酶畢赤酵母屬(Pichia sp.)的非釀酒酵母菌株Y8,并研究該菌株的產(chǎn)β-葡萄糖苷酶酶學特性。結果表明,β-葡萄糖苷酶的最適初始pH值為5.0,最適產(chǎn)酶溫度為30℃,反應時間為15 m in,最適葡萄糖質(zhì)量濃度為15 g/100 m L。

    非釀酒酵母;篩選;β-葡萄糖苷酶;酶學特性

    酵母菌株決定了葡萄酒的品質(zhì),優(yōu)良的酵母菌株能使葡萄酒的色澤、感官、風味更受顧客的喜愛[1],采用不同的酵母菌株會使葡萄酒的風味有著很大的差別[2]。篩選出優(yōu)良的酵母菌種是當今葡萄酒行業(yè)研究領域的熱門話題之一。由于我國的葡萄酒產(chǎn)業(yè)起步相對較晚,對于葡萄酒類釀酒酵母的研究也相對較少[3]。

    相對于釀酒酵母來說,非釀酒酵母能產(chǎn)生更多種類和數(shù)量的胞外酶[4]。膠質(zhì)酶可以使葡萄汁的提取量增加,使得葡萄酒更加澄清,其中的β-葡萄糖苷酶可以水解糖苷前體物質(zhì),使其組成部分的香味物質(zhì)釋放出來,這樣可以使葡萄酒的香味更加濃郁[5],另外胞外酶中的蛋白酶會水解葡萄汁中的蛋白質(zhì)形成溶性多肽和一些氨基酸,能讓葡萄酒的更加清澈且不易變質(zhì),酯酶可以水解葡萄酒中的物質(zhì)釋放香氣成分,而脂肪酶能分解葡萄酒中的脂肪。所有重要的胞外酶在與葡萄汁相互反應,釋放不同的發(fā)酵香氣[6]。而這些酶中非常重要的β-葡萄糖苷酶對于葡萄酒釀造起著至關重要的作用,它可以通過水解作用將葡萄酒中的糖苷鍵分解其非揮發(fā)性風味前體物,產(chǎn)生風味活性物質(zhì)[7]。相比于葡萄自身含有的葡萄糖苷酶,釀酒酵母中的糖苷酶活性不會因為葡萄糖的存在而降低[8]。所以深入研究葡萄酒的非釀酒酵母產(chǎn)生的酶的活性,對于改善葡萄酒的風味和工藝有著重要的意義[9]。

    新疆的地理環(huán)境多樣、生物種類繁多造就了新疆豐富的生物資源,也使得酵母菌的種類繁多,能夠篩選出更多不同種類的釀酒酵母。經(jīng)過多年的葡萄種植,新疆一些葡萄種植園中孕育多種天然酵母菌株,也產(chǎn)生了許多適合本地生態(tài)環(huán)境和葡萄品種的優(yōu)良天然酵母菌株[10]。本研究的目的是在新疆特色葡萄、中,廣泛采集非釀酒酵母菌,應用于新疆特色釀造發(fā)酵行業(yè)中,以期改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設備利用率,同時為后期的研究提供理論基礎。

    1 材料與方法

    1.1材料與試劑

    1.1.1試驗樣品

    各種品種葡萄樣品(雷司令,赤霞珠,霞多麗,貴人香):分別采自新疆石河子143團、152團、新疆石河子中信葡萄酒業(yè)有限公司葡萄試驗園。

    1.1.2培養(yǎng)基[11]

    酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)培養(yǎng)基:蛋白胨2.0%,酵母浸粉1.0%,葡萄糖2.0%,蒸餾水配制,瓊脂2.0%(固體培養(yǎng)基添加),自然pH,121℃滅菌25 m in。

    篩選培養(yǎng)基:蛋白胨2.0%,酵母浸粉1.0%,瓊脂2.0%,對-硝基苯基-β-葡萄糖苷酶(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG)1.0%,葡萄糖2.0%,蒸餾水配制,自然pH,121℃滅菌25 m in。

    種子培養(yǎng)基[12]:葡萄糖10.0%,蛋白胨5.0%,K2HPO41.0%,MgSO40.5%,pH 7.2。

    發(fā)酵培養(yǎng)基:蛋白胨2.0%,酵母浸粉1.0%,硝酸銨(NH4NO3)0.3%,磷酸二氫鉀(KH2PO4)0.4%,葡萄糖2.0%,蒸餾水配制,自然pH,121℃滅菌25 min。在溫度降到60~70℃左右加入0.1%p-NPG。

    1.1.3化學試劑

    對-硝基苯基-β-葡萄糖苷酶(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside,p-NPG):美國Sigma公司;對硝基苯酚(p-nitrophenyl,p-NP)、葡萄糖、酵母浸粉、蛋白胨、瓊脂、檸檬酸、乙醇、醋酸、碳酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、硝酸銨等試劑均為國產(chǎn)分析純。

    1.2儀器與設備

    UV-mini-1240紫外分光光度計:日本島津公司;HH-42恒溫水浴箱:常州國華儀器有限公司;SS325高壓蒸汽滅菌鍋:韓國LabTech公司;SPX智能生化培養(yǎng)箱:寧波市江南儀器廠;RC5C高速冷凍離心機:德國Eppendorf公司;TC-512PCR擴增儀:英國Techne公司;SW-CJ超凈工作臺:蘇州安泰空氣技術有限公司。

    1.3試驗方法

    1.3.1菌株的分離純化

    將成熟果粒破碎、帶皮進行自然發(fā)酵。待發(fā)酵啟動后,分別取發(fā)酵液的前、中、后期各1 m L,梯度稀釋涂布于YPD培養(yǎng)基上,28℃培養(yǎng)48 h,挑單菌落于平板上多次劃線純化,獲得純菌株。菌株純化后于斜面上進行保存,存于4℃冰箱備用。

    1.3.2酵母菌的形態(tài)特征

    根據(jù)酵母菌的固體培養(yǎng)菌落特征(菌落質(zhì)地,菌落顏色,菌落表面特征,菌落邊緣,菌落高度,菌落大小等)和顯微特征(細胞形態(tài)特征,細胞單生、對生或群生,繁殖方式等)對篩選的酵母菌進行分類。

    1.3.326S rDNA基因PCR擴增

    根據(jù)形態(tài)學特征選取生長力較好且具有代表性的菌株,按徐亞男等[13]方法進行脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)提取及聚合酶鏈反應(polymerasechain reaction,PCR)擴增產(chǎn)物測序。

    1.3.4高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶菌株的篩選

    將菌懸液接種于篩選培養(yǎng)基中,28℃培養(yǎng)72 h,噴灑碳酸鈉(1 mol/L)進行顯色反應,由于p-NPG經(jīng)β-葡萄糖苷酶在碳酸鈉的作用下可形成黃色透明圈,透明圈的顏色深淺及大小可以顯示酶活性的高低,因此選取黃色透明圈明顯且黃色圈較大的菌株作高產(chǎn)糖苷酶的實驗菌株。選取較大的單菌落接種于種子培養(yǎng)基,搖床37℃振蕩培養(yǎng)24 h,5%接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基,搖床37℃振蕩培養(yǎng)24 h。

    1.3.5粗酶液的制備

    發(fā)酵培養(yǎng)基裝液量為10m L/50m L,121℃滅菌25 m in,無菌接種種子液。30℃條件下?lián)u床勻速(150 r/m in)培養(yǎng)72 h,量取發(fā)酵液,8 000 r/min離心10 min,取上清液,即為β-葡萄糖苷酶粗酶液。

    1.3.6粗酶液的酶活測定

    取0.05m L粗酶液,將50m L 0.2%p-NPG溶液和0.15m L pH 5.0的醋酸緩沖液均勻混合,30℃水浴預熱10 min,立即加入0.25 mol/L(pH 10.2)碳酸鈉0.25 m L中止反應。室溫放置5 min,在波長400 nm處測定吸光度值。p-NPG酶活定義[14]:每分鐘水解p-NPG產(chǎn)生1nmol p-NP所需的酶蛋白量為一個酶活力單位(U)。酶活力計算公式如下:

    式中:U為酶活力,U/m L;0.1為酶液反應體積,m L;t為反應時間;N為原酶液稀釋倍數(shù);C為對硝基苯酚含量,nmol。

    1.3.7粗酶性質(zhì)研究

    反應時間對酶活的影響:在反應溫度30℃、緩沖液pH 4.0、葡萄糖質(zhì)量濃度5 g/100 m L的條件下,分別反應5 m in、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min后測定β-葡萄糖苷酶的酶活,考察不同反應時間對酶活的影響。

    初始pH對酶活的影響:用檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配制不同pH緩沖液,pH分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0,反應溫度30℃、葡萄糖質(zhì)量濃度5 g/100m L,反應15m in的條件下測定β-葡萄糖苷酶的酶活,考察不同初始pH值對酶活的影響。

    反應溫度對酶活的影響:在反應初始pH 4.0、葡萄糖質(zhì)量濃度5 g/100 m L條件下,分別在20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃反應15 min,測定不同溫度條件下β-葡萄糖苷酶的酶活,考察反應溫度對酶活力的影響。

    葡萄糖質(zhì)量濃度對酶活的影響:在30℃、初始pH 4.0條件下,反應15min,測定葡萄糖質(zhì)量分數(shù)分別為5g/100m L、10 g/100 m L、15 g/100 m L、20 g/100 m L條件下β-葡萄糖苷酶的酶活,考察葡萄糖質(zhì)量濃度對酶活的影響。

    2 結果與分析

    2.1酵母菌的分類

    本研究對葡萄樣品進行自然發(fā)酵,分離篩選得到78株酵母菌,根據(jù)菌落的顏色和形態(tài)將其聚類,共分為18種形態(tài)類型,其中菌株A1、A3、A4、A5、A7、A8是從采自152團葡萄園中的葡萄中分離出來的;菌株N1、N2、N3、N6、N8是從143團的葡萄中分離出來的;菌株Y2、Y5、Y8、Y9、Y11、Y14、Y16是從采自新疆石河子中信葡萄酒業(yè)有限公司葡萄試驗園中的葡萄中分離出來的,各酵母菌株形態(tài)特征見表1。

    表1 酵母的形態(tài)特征Table1 Morphological characteristics of yeasts

    由表1可知,酵母菌菌落的顏色以奶油色和乳白色居多,菌落形態(tài)主要是球形突起、突面、表面光滑、不透明、奶油狀。

    2.2基于26S rDNA基因序列的酵母菌株系統(tǒng)發(fā)育分析

    從石河子各個葡萄園采集的葡萄樣品中分離到酵母菌株共78株,通過形態(tài)學特征歸類為18株,選取18株非釀酒酵母菌進行DNA提取及26S rDNA基因PCR擴增,所得序列提交美國國家生物技術信息中心(national center of biotechnology information,NCBI),通過局部序列比對基本檢索工具(basic local alignment search tool,BLAST)工具在GenBank數(shù)據(jù)庫中與已發(fā)表的26S rDNA D1/D2區(qū)域序列進行同源性比較,構建系統(tǒng)發(fā)育樹,結果見圖1。在基于26S rDNA D1/D2區(qū)域序列分析繪制的系統(tǒng)樹上[15],相同的種被歸在一個主分枝內(nèi),表明它們具有較近的親緣性,而不同的種卻在于不同的亞分枝上,顯示它們在D1/D2區(qū)域序列上具有明顯區(qū)別。由圖1可知,這18株菌都屬于雙核菌亞界,子囊菌酵母亞門。其中菌株A 1、A 7、A 8與接合酵母屬(Zygosaccharomyces spp.)親緣關系較近,基因序列相似性為99%;菌株A3、A4與假絲酵母屬(Candida sp.)親緣關系較近,基因序列相似性為99%;菌株Y8、Y9、N2與畢赤酵母屬(Pichia sp.)親緣關系近,基因序列相似性為99%;菌株N1、 Y2、Y11、Y16與釀酒酵母屬(Saccharomyces cerevisiae sp.)親緣關系較近,基因序列相似性為98%;菌株N8與孢漢遜屬(Hanseniaspora sp.)親緣關系較近,基因序列相似性為98%;菌株N3、N6、Y14與單孢釀酒酵母屬(Kazachstania sp.)親緣關系較近,基因序列相似性為97%;菌株A5、Y5與釀酒酵母屬(Saccharomyces sp.)在26S rDNA基因序列相似性為96%,表明這兩個菌株可能是新種。

    圖1 基于26S rDNA序列的19株酵母菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.1 Phylogenetic tree of the 19 yeast strains based on 26S rDNA sequence

    2.3高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶酵母的篩選

    在篩選培養(yǎng)基中培養(yǎng)18株酵母,分離篩選產(chǎn)β-糖苷酶的菌株。利用p-NPG經(jīng)β-葡萄糖苷酶作用后生成的對硝基苯酚(p-NP)在碳酸鈉作用下形成黃色透明圈,可極大地提高篩選效率。

    通過對酵母產(chǎn)酶的定性分析,初步篩選出高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的酵母。因為透明圈的顏色深淺基本可以顯示酶活性的高低。通過對實驗所用18株酵母進行初步篩選,挑選出高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的酵母,部分菌株篩選結果見圖2。

    透明圈直徑越大且顏色越黃表明酶活越高。由圖2可知,根據(jù)透明圈的直徑大小以及顏色深淺的比較可得,菌株Y8的透明圈最大且顏色最深,結果表明,菌株Y8產(chǎn)β-葡萄糖苷酶活最高。

    圖2 菌株產(chǎn)透明圈比較結果Fig.2 Compa rative results of transparent circle produced by strains

    2.4酶活的測定

    將篩選出來的黃色透明圈明顯的菌株(A3、Y2、Y9、N8、Y 5、Y 8)按照p-NPG法分別測出β-葡萄糖苷酶的吸光度值,計算出篩選的高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的酵母菌株的酶活,結果如表2所示。由表2可知,菌株酶活力大小順序為A3<Y2<Y9<N8<Y5<Y8,其中菌株Y8產(chǎn)β-葡萄糖苷酶活性最好,因此以該菌株作為試驗菌株,研究該菌株產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的酶學特性。

    表2 β-葡萄糖苷酶酶活測定結果Table 2 Determ ination results of the enzyme activity of β-glycosidase

    2.5β-葡萄糖苷酶酶學性質(zhì)

    2.5.1反應時間對酶活的影響

    由圖3可知,隨著反應時間的延長,菌株Y 8產(chǎn)β-葡萄糖苷酶與底物的結合程度升高,酶活逐漸升高,當反應時間為15 min時,酶活力達到最高值275.390 U/m L,之后反應時間增加酶活力下降。因此,酶活力最大的反應時間在15 m in時。

    圖3 反應時間對β-葡萄糖苷酶酶活的影響Fig.3 Effect of reaction time on the enzyme activity of β-glycosidase

    2.5.2初始pH對酶活的影響

    不同種類的微生物有其最適的生長pH值,同一微生物在其不同的生長階段和不同的生理、生化過程中,也有不同的最適初始pH值要求,這對挑選適宜于發(fā)酵生產(chǎn)中的菌株尤為重要[16]。

    圖4 初始pH值對β-葡萄糖苷酶酶活的影響Fig.4 Effect of initial pH on the enzyme activity of β-glycosidase

    由圖4可知,當初始pH值為5時,菌株Y8產(chǎn)β-葡萄糖苷酶活性最大達到260.277 U/m L。培養(yǎng)基的pH值影響細胞表面基團的解離及其微觀結構,進而影響營養(yǎng)物的吸收及代謝物的分泌,導致微生物生長和代謝發(fā)生變化。因此,當初始pH值為5時,β-葡萄糖苷酶活性最大。

    2.5.3反應溫度對酶活的影響

    圖5 溫度對β-葡萄糖苷酶酶活的影響Fig.5 Effect of tem perature on the enzyme activity o f β-glycosidase

    反應溫度是影響微生物成長和代謝的重要因子。由圖5可知,當反應溫度為30℃時,菌株Y8所產(chǎn)β-葡萄糖苷酶酶活性最高,為230.589 U/m L,由此可知,菌株Y 8產(chǎn)β-葡萄糖苷酶最適反應溫度為30℃。

    2.5.4葡萄糖質(zhì)量濃度對酶活的影響

    據(jù)韓北忠等[17]報道,在Aspergillus oryzae液態(tài)培養(yǎng)產(chǎn)β-葡萄糖苷酶時,葡萄糖會對其產(chǎn)生抑制作用。由圖6可知,對于菌株Y8在葡萄糖質(zhì)量濃度為0~15 g/100 m L時,酶活性沒有被抑制反而明顯上升,可能是葡萄糖的作用使β-糖苷酶作用位點發(fā)生改變,從而增加酶活性。葡萄糖質(zhì)量濃度>15 g/100 m L之后,酶活有所下降。因此,最適萄葡糖質(zhì)量濃度為15 g/100 m L。

    圖6 葡萄糖質(zhì)量濃度對β-葡萄糖苷酶酶活的影響Fig.6 Effect of glucose content on the enzyme activity o f β-glycosidase

    3 結論

    試驗通過對葡萄樣品中的酵母菌分離純化、篩選得到78株酵母菌,根據(jù)菌落的顏色和形態(tài)將其聚類,共分為18種形態(tài)類型,通過細胞核菌落形態(tài)及26S rDNA D1/D2區(qū)域序列的測定等方法,對所分離的菌株進行較系統(tǒng)的分類鑒定研究,鑒定結果發(fā)現(xiàn)所有菌株屬于6個屬,分別為:假絲酵母屬(Candida sp.)、孢漢遜屬(Hanseniaspora sp.)、釀酒酵母屬(Saccharomyces sp.)、單孢釀酒酵母屬(Kazachstania sp.)畢赤酵母屬(Pichia sp.)和接合酵母屬(Zygosaccharomyces spp.)。

    采用以p-NPG為碳源的發(fā)酵培養(yǎng)基的分離篩選,由于p-NPG經(jīng)β-葡萄糖苷酶作用后生成的p-NP在碳酸鈉的作用下可形成黃色透明圈,這樣可以很好的分離篩選到產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的菌株。采用此方法分離到6株產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的菌株,其中有1株高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的酵母菌Y 8,屬于畢赤酵母屬(Pichia sp.),其β-葡萄糖苷酶總酶活性為276.048 U/m L。

    高產(chǎn)β-葡萄糖苷酶菌株Y8的最適反應溫度為30℃,這與β-葡萄糖苷酶的最適溫度分布在30~110℃相吻合[18],最適反應時間是15min,與之前實驗最適時間有一定差異[19-20],最適葡萄糖質(zhì)量濃度為15 g/100 m L,最佳初始pH值為4.8。

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    Screening of β-glucosidase-producing non-Saccharomyces yeasts w ith and its enzymatic characteristics

    ZHANG Min,LI Jiayi,SHI Xuwei,NI Yongqing*
    (College of Food Science,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

    Through the screening of yeasts in grapes from Xinjiang Shihezi w ine-producing regions,the strains were isolated and purified by yeast peptone dextrose(YPD)medium,and isolated strains were identified by molecular biology method.Using p-Nitrophenyl-β-D-glucopyranoside(p-NPG)as substrate,the β-glucosidase-producing yeasts were screened,and one strain of non-Saccharomyces yeast with high glycosidase-production was obtained and identified as Pichia sp.The β-D-glucopyranoside producing characteristics of the strain were researched.The results showed that the optimum initial pH of β-glucosidase was 5.0,the optimum temperature of enzyme production was 30℃,reaction temperature was 15 m in and the optimum content of glucose was 15 g/100 m l.

    non-Saccharomyces yeasts;screening;β-glycosidase;enzymatic characteristics

    Q 939.9

    0254-5071(2016)05-0097-05

    10.11882/j.issn.0254-5071.2016.05.020

    2016-03-04

    兵團工業(yè)科技攻關(2014BA 024)

    張敏(1992-),女,碩士研究生,研究方向為食品微生物。

    倪永清(1969-),男,教授,博士,研究方向為食品生物技術。

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    釀酒科技(2021年8期)2021-12-06 15:28:22
    為什么酵母菌既能做面包也能釀酒?
    知母中4種成分及對α-葡萄糖苷酶的抑制作用
    中成藥(2018年5期)2018-06-06 03:11:58
    木蝴蝶提取物對α-葡萄糖苷酶的抑制作用
    中成藥(2017年8期)2017-11-22 03:19:32
    釀酒忘米
    讓面包變“胖”的酵母菌
    六種花提取物抑制α-葡萄糖苷酶活性研究
    蜂蜜中耐高滲透壓酵母菌的分離與鑒定
    調(diào)虧灌溉在釀酒葡萄上的應用
    β-葡萄糖苷酶與茶增香及抗病蟲害的研究進展
    茶葉通訊(2014年4期)2014-02-27 07:55:49
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