江 森,王 歡,何亞輝,陳葉福,鄧慶博,郭學(xué)武,肖冬光
(天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室,天津 300457)
黃酒主要是以大米為原料,加入麥曲、酵母等糖化發(fā)酵劑釀制而成的發(fā)酵酒,是我國民族文化特產(chǎn)之一。因含有豐富的氨基酸、小分子多肽、維生素、有機酸和微量元素等,享有“液體蛋糕”的美譽[1-2]。近年來,隨著物質(zhì)水平的不斷提高,消費者偏向于風(fēng)味、健康雙導(dǎo)向產(chǎn)品[3]。但黃酒較其他酒而言高級醇含量較高,消費者普遍反映有易上頭、易醉等現(xiàn)象[4],所以降低黃酒中高級醇含量對于提高黃酒品質(zhì)具有重要意義。
高級醇是指含三個以上碳原子的一元醇類,又稱雜醇油。黃酒中的高級醇主要有正丙醇、異丁醇、異戊醇、β-苯乙醇等[5]。適量的高級醇對酒體呈香呈味有積極作用,但是含量過高會產(chǎn)生異雜味和較強的致醉性,俗稱“上頭”[6]。黃酒中的高級醇主要由釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)從兩條代謝途徑產(chǎn)生,一是氨基酸分解代謝途徑,即Ehrlich途徑[7],黃酒釀造原料富含氨基酸,氨基酸在轉(zhuǎn)氨酶的催化下通過轉(zhuǎn)氨作用形成α-酮酸,然后經(jīng)過脫羧和脫氫產(chǎn)生相應(yīng)的高級醇。二是合成代謝途徑,即葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑、三羧酸(tricarboxylic acid cycle,TCA)循環(huán)也可生成α-酮酸,α-酮酸除了合成氨基酸,也可經(jīng)脫羧和脫氫生成高級醇[8]。
乙醛脫氫酶家族是釀酒酵母丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase bypass,PDH)旁路中的酶系,可以氧化乙醛產(chǎn)生乙酸[9],包括五個同工酶,分別由基因ALD2、ALD3、ALD4、ALD5和ALD6編碼[10]。本課題組之前的研究表明,過表達乙醛脫氫酶基因ALD6可以降低高級醇含量[11]。但其他乙醛脫氫酶家族基因?qū)︶劸平湍府a(chǎn)高級醇的影響尚無明確報道。
傳統(tǒng)的黃酒工藝通常是以大米為原料,麥曲作為糖化劑。在我國北方也常使用黍米和麥曲作為黃酒發(fā)酵的原輔料,而在南方以大米作為原料、純種根酶曲作糖化發(fā)酵劑也非常普遍[9]。此外,郭健等[12]研究表明,在小曲酒中純種根酶曲培菌糖化時間對小曲酒的品質(zhì)影響較大且酵母在純種根酶曲培菌糖化24 h后接入的工藝較優(yōu)。因此,本研究構(gòu)建ALD2、ALD3、ALD4、ALD5和ALD6基因過表達釀酒酵母菌株,研究其在麥曲黃酒發(fā)酵工藝和根霉曲黃酒發(fā)酵工藝下的發(fā)酵性能及其對高級醇生成的影響,為降低黃酒中高級醇產(chǎn)量提供一定的理論參考。
1.1.1 菌株與質(zhì)粒
本研究所用到的菌株與質(zhì)粒見表1。
表1 本研究所用菌株和質(zhì)粒Table 1 Strains and plasmids used in the study
1.1.2 培養(yǎng)基[11]
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YEPD)培養(yǎng)基:葡萄糖20g/L,酵母浸粉10g/L,蛋白胨20g/L。
LB培養(yǎng)基:氯化鈉10 g/L,酵母浸粉5 g/L,蛋白胨10 g/L。
半乳糖誘導(dǎo)培養(yǎng)基:半乳糖10 g/L,蛋白胨20 g/L,酵母浸粉10 g/L。
一級種子培養(yǎng)基:糖度為8°Bx的玉米水解液,酵母浸粉5 g/L。
二級種子培養(yǎng)基:糖度為12°Bx的玉米水解液,酵母浸粉5 g/L。
以上培養(yǎng)基蒸餾水配制,自然pH值,固體培養(yǎng)基需加瓊脂20 g/L,115 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。
1.1.3 主要試劑
麥曲、黍米:山東蘭陵美酒股份有限公司;大米(淀粉含量約78%):市售;純種根霉曲(Q303):貴州立高輕工科技發(fā)展有限公司;α-淀粉酶(29萬U/mL)、糖化酶(10萬U/mL):諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司;rTaq脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)聚合酶(5U/μL)、LATaqDNA聚合酶(5 U/μL):中國大連寶生物有限公司;遺傳霉素(G418):美國Merck公司;DNA純化回收試劑盒、質(zhì)粒提取試劑盒、切膠回收試劑盒:美國Omega公司。
PCT-200聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)基因擴增儀、PowerPacTM型電泳儀:美國BIO-RAD公司;Reference-2型移液槍:法國吉爾森公司;H1650-W型高速冷凍離心機:湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;7890C型氣相色譜(gas chromatography,GC)儀、1100型高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)儀:美國安捷倫科技有限公司。
1.3.1 乙醛脫氫酶基因過表達菌株的構(gòu)建
引物設(shè)計:根據(jù)美國國家生物技術(shù)信息中心(national center for biotechnology information,NCBI)GenBank數(shù)據(jù)庫中的Saccharomyces cerevisiae基因序列使用Primer 5.0軟件設(shè)計PCR引物,用于改造菌株的構(gòu)建及驗證。本實驗所用引物序列見表2。實驗所用引物由金唯智(廣州)生物科技有限公司合成。
目的基因的獲得:參考NCBI GenBnak數(shù)據(jù)庫中釀酒酵母模式菌株S288C(Taxonomy ID:559292)的乙醛脫氫酶基因序列合成目的基因,且合成過程不涉及密碼子優(yōu)化及修飾等,至此得到與NCBI GenBnak數(shù)據(jù)庫中序列保持一致的目的基因。目的基因片段由金維智(廣州)生物科技有限公司合成。
乙醛脫氫酶基因過表達菌株的構(gòu)建:本研究所有菌株的構(gòu)建選擇釀酒酵母GAL80基因位點作為整合過表達位點,使用強啟動子PPGK1與終止子TPGK1過表達乙醛脫氫酶基因(以過表達ALD2基因為例)。以本實驗室釀酒酵母改造菌株α-PAP基因組作為模板,用引物對FA-U/ALD2-FA-D和ALD2-FB-U/FB-D分別通過PCR擴增得到基因片段ALD2-FA與ALD2-FB,基因片段ALD2-FA包括GAL80位點上同源臂和啟動子PPGK1序列,基因片段ALD2-FB包括終止子TPGK1、KanMX表達盒與GAL80位點下同源臂序列,過表達ALD2基因同源重組過程見圖1。以帶有合成ALD2基因的質(zhì)粒pUC57-ALD2的基因組為模板,采用引物對ALD2-U/ALD2-D PCR擴增得到ALD2基因片段。用醋酸鋰轉(zhuǎn)化法[13]將PCR擴增得到的三個基因片段導(dǎo)入單倍體酵母菌株AY12α中,通過同源重組得到改造菌株。轉(zhuǎn)化后的細胞涂布于含有300 μg/mL的G418的YEPD平板上進行篩選,PCR定點驗證。
表2 本研究所用PCR引物Table 2 PCR primers used in the study
圖1 過表達ALD2基因同源重組過程Fig.1 Homologous recombination process of ALD2 gene overexpression
轉(zhuǎn)化子篩選標(biāo)記的去除[14]:用醋酸鋰轉(zhuǎn)化法將PGAPza質(zhì)粒導(dǎo)入改造菌株中,通過Cre-Lxop系統(tǒng)將整合到基因組上的抗性基因KanMX去除。用此方法分別構(gòu)建得到不含抗性基因的改造菌株α-ALD2、α-ALD3、α-ALD4、α-ALD5、α-ALD6。
1.3.2 生長曲線的測定[15]
采用比濁法測定,首先從斜面挑取一環(huán)酵母菌接入裝液量為50 mL/250 mLYEPD的錐形瓶中,30 ℃靜置培養(yǎng)12 h。先取1 mL菌體接入裝液量為100 mL/250 mL YEPD的錐形瓶中,然后再適當(dāng)接入菌體調(diào)節(jié)初始OD600nm值為0.2,30 ℃靜置培養(yǎng)。每隔1 h取1 mL菌體,以空白培養(yǎng)基為對照,測定其在波長600 nm處的吸光度值。以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),繪制菌體生長曲線。
1.3.3 檢測方法
CO2排放量、還原糖和酒精度的測定分別采用稱質(zhì)量法[16]、斐林試劑法[17]和酒精計比重法[18];乙酸含量的測定[19]:采用高效液相色譜法(HPLC);高級醇含量的測定[20]:采用氣相色譜法。
1.3.4 發(fā)酵實驗
(1)發(fā)酵種子液的制備
一級種子液的制備:用接種環(huán)取一環(huán)酵母菌泥接種到含5 mL一級種子液的試管中,30 ℃靜置培養(yǎng)24 h,每一株菌三個平行。
二級種子液的制備:取培養(yǎng)后的一級種子液5 mL接入裝液量為45 mL/150 mL含二級種子液的錐形瓶中,30 ℃靜置培養(yǎng)18~24 h。
(2)黃酒發(fā)酵工藝[15,21]
麥曲黃酒發(fā)酵工藝流程:
工藝A:黍米→清洗、浸泡→蒸煮→攤晾冷卻→培菌糖化(接菌、拌曲)→補水發(fā)酵
工藝B:大米→清洗、浸泡→蒸煮→攤晾冷卻→培菌糖化(接菌、拌曲)→補水發(fā)酵
操作要點:以米與水質(zhì)量比1∶15常溫浸泡原料18~20 h,用高壓電飯煲蒸0.5 h(原料米與水質(zhì)量比1∶1),以無生淀粉(米粒內(nèi)無白心),均勻一致為標(biāo)準(zhǔn),蒸煮后攤晾冷卻至30 ℃。二級種子液接種量為10%、麥曲添加量為15%。培菌糖化24 h后,按照原料米與水質(zhì)量比1∶1補水,30 ℃靜置發(fā)酵7 d。
根霉曲黃酒發(fā)酵工藝流程:
工藝C:大米→清洗、浸泡→蒸煮→攤晾冷卻→培菌糖化(接菌、拌曲)→補水發(fā)酵
工藝D:大米→清洗、浸泡→蒸煮→攤晾冷卻→培菌糖化(拌曲)→補水發(fā)酵(接菌)
操作要點:工藝C流程與工藝A、B相同,工藝D拌曲培菌糖化24 h后接菌。
圖2 改造菌株的PCR定點驗證Fig.2 PCR verification of modified strains
按照1.3.1中菌株構(gòu)建方法分別構(gòu)建乙醛脫氫酶基因過表達菌株,挑選疑似正確的轉(zhuǎn)化子進行PCR定點驗證,驗證結(jié)果見圖2。由圖2可知,PCR擴增產(chǎn)物堿基大小與預(yù)期相符,說明乙醛脫氫酶基因過表達菌株構(gòu)建成功。按照1.3.1中的方法去除抗性篩選標(biāo)記,最后得到改造菌株α-ALD2、α-ALD3、α-ALD4、α-ALD5、α-ALD6。
出發(fā)菌株AY12α和改造菌株α-ALD2、α-ALD3、α-ALD4、α-ALD5、α-ALD6的生長曲線見圖3。由圖3可知,在0~6 h所有改造菌株的生長速率都略低于出發(fā)菌株,改造菌株α-ALD6最后的生物量也略有下降,其余改造菌株生物量沒有明顯變化。研究表明乙醛脫氫酶基因過表達對釀酒酵母生長性能影響不大,只有改造菌株α-ALD6生長性能有小幅降低。
圖3 出發(fā)菌株與改造菌株的生長曲線Fig.3 Growth curves of orginal strain and modified strains
傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵是以大米為原料,麥曲作糖化劑。所以本實驗首先采用工藝B對出發(fā)菌AY12α與改造菌株α-ALD2、α-ALD3、α-ALD4、α-ALD5、α-ALD6進行發(fā)酵實驗,以驗證乙醛脫氫酶基因過表達對釀酒酵母黃酒發(fā)酵的影響。
2.3.1 不同乙醛脫氫酶基因過表達對乙酸的影響
圖4 出發(fā)菌株與改造菌株的乙酸產(chǎn)量Fig.4 Acetic acid production of orginal strain and modified strains
乙醛脫氫酶可以氧化乙醛產(chǎn)生乙酸,出發(fā)菌與改造菌株的乙酸產(chǎn)量見圖4。由圖4可知,改造菌株α-ALD2、α-ALD3、α-ALD4、α-ALD5、α-ALD6的乙酸產(chǎn)量分別是出發(fā)菌AY12α的1.23倍、1.49倍、1.19倍、1.64倍和2.92倍。改造菌株α-ALD6乙酸產(chǎn)量上升最顯著(P<0.01),菌株α-ALD5次之。此外,本研究也表明ALD6基因在乙醛產(chǎn)生乙酸過程中起著關(guān)鍵作用,這與之前的報道一致[22]。
2.3.2 不同乙醛脫氫酶基因過表達對高級醇的影響
出發(fā)菌與改造菌株的高級醇產(chǎn)量見圖5。由圖5可知,與出發(fā)菌AY12α相比,改造菌株高級醇產(chǎn)量都有所下降。其中改造菌株α-ALD6高級醇產(chǎn)量下降最顯著(P<0.01),正丙醇、異丁醇、異戊醇、苯乙醇和總高級醇產(chǎn)量分別降低了77.76%、67.61%、73.23%、67.87%和72.04%。改造菌α-ALD3分別降低了20.17%、19.88%、17.69%、11.00%和17.82%。改造菌α-ALD5分別降低了16.83%、18.90%、24.11%、14.92%和20.59%。改造菌高級醇產(chǎn)量明顯降低的原因一方面可能是因為高級醇的前體物質(zhì)醛類可以被乙醛脫氫酶氧化生成有機酸[23-24],從而減少了經(jīng)醛類還原所產(chǎn)生的高級醇。另一方面可能與其乙酸含量顯著上升有關(guān),因為在高濃度的乙酸存在下,釀酒酵母不能維持細胞質(zhì)膜電位的平衡,從而引起細胞的酸化,抑制了細胞的生長代謝[25]。而高級醇主要是伴隨釀酒酵母生長繁殖而產(chǎn)生,隨著酵母增殖倍數(shù)的增加而增加[9],適當(dāng)提高乙酸含量可以抑制酵母生長從而降低高級醇含量,這與圖3中的生長性能相一致。因此,研究表明乙醛脫氫酶基因過表達可以降低黃酒中高級醇生成。
圖5 出發(fā)菌株與改造菌株的高級醇產(chǎn)量Fig.5 Higher alcohols production of original strain and modified strains
2.3.3 不同乙醛脫氫酶基因過表達對基本發(fā)酵性能的影響
發(fā)酵結(jié)束后測定出發(fā)菌和改造菌株的CO2排放量、酒精度和還原糖剩余量,結(jié)果見表3。
由表3可知,與出發(fā)菌AY12α相比,改造菌株α-ALD6的還原糖剩余量略高,且CO2排放量和酒精度也小幅下降。這可能與其乙酸含量顯著上升有關(guān)。乙酸抑制了酵母細胞的生長,影響了酵母的生長性能,最后影響到了酵母的基本發(fā)酵性能。有研究表明外源添加乙酸至1.5 g/L時,釀酒酵母在發(fā)酵過程中的生物量才會顯著下降(P<0.01)[26]。由圖4可知,改造菌株α-ALD6的乙酸產(chǎn)量達1.02 g/L,因此可能會影響到菌體生長。不同種類黃酒中乙酸含量差別很大,通常乙酸含量在0.062~1.26 g/L[27],酸可以賦予黃酒爽快和濃厚感。同時乙酸產(chǎn)量的提高也會使得酒體中的乙酸乙酯產(chǎn)量上升,賦予酒體果香[28]。之前的研究[11,21]通過提高改造菌的接種量來解決乙醛脫氫酶基因ALD6過表達改造菌發(fā)酵性能下降的問題,最后使改造菌的酒精度、還原糖剩余量和CO2排放量與出發(fā)菌株沒有差異,且降低高級醇效果沒有改變。而其余改造菌株只有還原糖剩余量高于出發(fā)菌,所有菌株的還原糖剩余量與酒精度都符合傳統(tǒng)型干黃酒的國標(biāo)要求[29]。因此乙醛脫氫酶基因過表達對釀酒酵母發(fā)酵性能影響不大,只有改造菌株α-ALD6的發(fā)酵性能有小幅降低。
表3 出發(fā)菌株和改造菌株基本發(fā)酵性能的比較Table 3 Comparison of basic fermentation performance of original strain and modified strains
根據(jù)前述結(jié)果,選兩株降高級醇效果較好且乙酸產(chǎn)量高的改造菌株α-ALD5與α-ALD6。以出發(fā)菌株AY12α為對照,研究其在4種不同黃酒發(fā)酵工藝下的發(fā)酵性能、乙酸和高級醇產(chǎn)量的變化。在4種發(fā)酵工藝下改造菌株與出發(fā)菌的乙酸產(chǎn)量見圖6。
由圖6A可知,在所有工藝下,改造菌株均可顯著提高黃酒中乙酸含量(P<0.01)。在A、B、C、D 4種工藝下,改造菌株α-ALD5的乙酸產(chǎn)量分別是出發(fā)菌的2.19倍、1.64倍、1.94倍和1.89倍,而改造菌株α-ALD6的乙酸產(chǎn)量分別是出發(fā)菌的3.68倍、2.92倍、3.02倍和2.95倍。說明改造菌株α-ALD6提高乙酸的效果強于菌株α-ALD5,這與圖4研究結(jié)果一致。
由圖6B可知,改造菌株在4種工藝下都可以顯著降低黃酒中高級醇含量(P<0.01)。與出發(fā)菌AY12a相比,改造菌株α-ALD5在A、B、C、D 4種工藝下總高級醇產(chǎn)量分別降低了22.48%、20.59%、6.24%和17.52%,而改造菌株α-ALD6總高級醇產(chǎn)量分別降低50.67%、72.04%、15.52%和24.79%。此外,由于異戊醇含量在黃酒總高級醇中最高,是導(dǎo)致黃酒“上頭”的主要原因[4]。
由圖6C可知,與出發(fā)菌AY12a相比,改造菌株α-ALD5在A、B、C、D 4種工藝下異戊醇產(chǎn)量分別降低了25.55%、24.11%、9.26%和14.68%,而改造菌株α-ALD6分別降低54.43%、73.23%、17.82%和22.11%,且不同工藝下改造菌株的總高級醇和異戊醇下降趨勢基本一致。與純種根霉曲作糖化劑的工藝(工藝C和D)相比,改造菌株在以麥曲作糖化劑(工藝A和B)時降高級醇效果更好,且改造菌株α-ALD6在以大米加麥曲的工藝下高級醇含量下降最為顯著。這可能是因為麥曲中所含有的曲霉蛋白酶活力高于根霉曲中的根霉[30-31],可快速將原料中的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生更多的氨基酸。而且改造菌株的生長性能相對出發(fā)菌稍弱,生長所需求的氨基酸相對較少,發(fā)酵液中相對較高的氨基酸導(dǎo)致改造菌株減少了自身氨基酸的合成,從而降低了由糖代謝途徑(高級醇的主要產(chǎn)生途徑)產(chǎn)生的高級醇[32-33]。與黍米相比,大米中淀粉含量相對較高,大米中淀粉含量約78%,而黍米的淀粉含量約70.6%~73.3%[34-35],因此以大米為原料時,糖化產(chǎn)生的可發(fā)酵性糖含量較高,有利于強啟動子PPGK1調(diào)控乙醛脫氫酶基因的表達[36](特別是乙醛脫氫酶家族最關(guān)鍵的ALD6基因),從而進一步降低高級醇產(chǎn)量。與工藝C相比,改造菌在工藝D下降高級醇效果更好,原因可能與上述分析相似,在沒有接種酵母前,沒有酵母的抑制,根霉繁殖較快并快速將原料中的淀粉和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為大量的可發(fā)酵性糖與氨基酸,較高的糖濃度有利于強啟動子PPGK1調(diào)控乙醛脫氫酶基因的表達,較高的氨基酸含量有利于進一步降低高級醇產(chǎn)量。綜上,改造菌株以麥曲作糖化劑時降高級醇效果更好,且改造菌株α-ALD6在以大米加麥曲的工藝下高級醇下降最為顯著。與改造菌株和純種根霉曲同時接種相比,改造菌株在培菌糖化24 h后接入降高級醇效果更好。
圖6 不同工藝下出發(fā)菌與改造菌株的乙酸(A)、總高級醇(B)及異戊醇(C)產(chǎn)量Fig.6 Acetic acid (A),Total higher alcohols (B) and isoamylol (C) production of original strain and modified strains under different processes
表4 不同工藝下出發(fā)菌株與改造菌株發(fā)酵性能的比較Table 4 Comparison of fermentation performance of original strain and modified strains under different processes
由表4可知,所有菌株在不同工藝下的還原糖剩余量與酒精度都符合傳統(tǒng)型干黃酒的國標(biāo)要求[29]。在工藝A的條件下改造菌株與出發(fā)菌株發(fā)酵性能沒有顯著差異。但在工藝B中,改造菌株α-ALD6的還原糖剩余量略有上升,CO2排放量和酒精度也有小幅下降,而改造菌株α-ALD5在此工藝下只有還原糖剩余量略有上升。在工藝B下改造菌株α-ALD6的發(fā)酵性能小幅下降。以純種根霉曲為糖化劑的工藝,改造菌株還原糖剩余量高于麥曲。一方面可能是因為純種根霉曲糖化力強于麥曲[32],導(dǎo)致發(fā)酵過程中可發(fā)酵性糖含量較高,改造菌株無法完全利用發(fā)酵液中的可發(fā)酵性糖,因此最后還原糖剩余量顯著提高。另一方面可能是因為改造菌株以根霉曲作糖化劑發(fā)酵時最終乙酸含量最高有關(guān)。較高的乙酸使得酵母在發(fā)酵后期發(fā)酵力下降[26],導(dǎo)致殘?zhí)鞘S嗔枯^高。結(jié)果表明,在以大米加麥曲的工藝下,改造菌株α-ALD6的發(fā)酵性能有小幅下降。改造菌株在以純種根霉曲作糖化劑時還原糖剩余量上升顯著。
本研究以釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)單倍體菌株AY12α為出發(fā)菌,利用同源重組技術(shù)成功構(gòu)建了5株乙醛脫氫酶基因過表達菌株(ALD2、ALD3、ALD4、ALD5和ALD6),在大米加麥曲的傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵工藝下,所有改造菌株均可以促進乙酸、降低高級醇的生成,其中改造菌株α-ALD6效果最顯著(P<0.01),乙酸產(chǎn)量是出發(fā)菌AY12α的2.92倍,總高級醇產(chǎn)量下降72.04%。在不同發(fā)酵工藝中,改造菌株α-ALD5與α-ALD6均可顯著促進乙酸、降低高級醇生成(P<0.01);在純種根霉曲做糖化劑的發(fā)酵工藝中,改造菌株在培菌糖化24 h后接入降高級醇效果更好。與純種根霉曲相比,改造菌株以麥曲作糖化劑時降高級醇效果更好,且改造菌株α-ALD6在大米加麥曲的傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵工藝下降高級醇效果最好。