苹果中富含维生素、矿物质、多酚等营养物质,其发酵制品苹果酒中含有大量的氨基酸和有机酸等物质,具有较高的保健价值,产量仅次于葡萄酒[1]。多酚类化合物具有极强的抗氧化作用,酚类物质的种类及含量被用于评价果酒的品质[2-4]。苹果中多酚类物质有儿茶素类、原花青素类、酚酸类、黄酮醇类、花色苷类、二氢查耳酮类等[5-7]。绿原酸作为苹果多酚中的代表性物质,是一种羟基肉桂酸类多酚,因芳香环上的邻羟基而具有很高的抗氧化活性[8]。绿原酸在苹果和苹果酒中含量相对较高[9],其在苹果中含量为0.02~4.39 mg/g DW[10-11],其在苹果酒中含量为24.84~90 mg/L[12]。在苹果酒发酵过程中,绿原酸会不断的被酿酒酵母代谢,最终存在于苹果酒中。
在苹果酒发酵过程中,绿原酸的含量会随着发酵时间的延长而有所降低[13]。Nguela 等[14]研究了酵母和多酚之间的相互作用,发现多酚类化合物引起酵母的生长和代谢紊乱可能主要与它们和酵母细胞的质膜相互作用有关,从静止、中期到发酵结束,酵母菌会表现出适应性反应,从而降低死亡率。通过探究原花色素对酿酒酵母的影响,发现原花色素可以提高发酵末期酿酒酵母的数量和存活率,同时会提高胞内超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性,降低胞内丙二醛(MDA)的含量,其作用效果与浓度相关[15]。Jia 等[16]研究原花色素在铜胁迫下对葡萄酒酵母的生长和酒精发酵的影响,发现原花色素和Cu2+均可在发酵初期对酵母细胞的生长、CO2 释放量、糖消耗和乙醇生成产生明显的抑制作用,原花色素可以提高葡萄酒酵母在铜胁迫下抵抗有害作用的能力,并维持细胞的代谢活性。通过转录组学分析原花色素对酿酒酵母的影响,发现原花色素作用涉及6 个代谢途径,包括维生素B6、硫胺素、氨基酸、氨酰基-tRNA、碳水化合物和类固醇代谢途径。作者提出原花色素可以作为细胞外激活剂来增强维生素B6、硫胺素、碳水化合物和类固醇的代谢效率[17]。
在发酵过程中,酿酒酵母能对各种物质的胁迫和环境的变化做出相应的代谢应答。当菌体受到外界胁迫时,酿酒酵母会通过改变其细胞结构和生理生化指标等来抵御外界伤害并维持自身活性[18]。SOD 与CAT 是生物氧化防御系统的抗氧化物酶[19-20],MDA 作为脂类物质的氧化产物可以体现生物体内氧化应激程度。为探究苹果多酚物质在发酵过程中对酿酒酵母生理特性的影响,本研究通过在苹果酒发酵体系中加入不同质量浓度的绿原酸,揭示酿酒酵母在绿原酸胁迫下的代谢应答,以期阐明苹果酒发酵过程中多酚影响酿酒酵母的代谢规律和机制。
酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)CICC 31084,中国工业微生物菌种保藏管理中心。红富士苹果,中国山东烟台,色泽红润,无虫害和机械损伤,4 ℃冷藏备用。
绿原酸(纯度为98%),上海阿拉丁生化科技有限公司;过氧化氢酶(CAT)测定试剂盒、超氧化物歧化酶(SOD)测定试剂盒、丙二醛(MDA)测定试剂盒、总蛋白定量测定试剂盒,南京建成生物工程研究所。3-辛醇(纯度为98%)、酵母膏、蛋白胨、无水葡萄糖、氯化钠,国药化学试剂有限公司。PBS磷酸盐缓冲剂,北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司。
气相色谱-质谱联用仪Agilent6890N/5975,美国Agilent 公司;纤维萃取头50/30 μm DVB/CAR/PDMS,美国Supeleo 公司;LDZX-50KBS 高压蒸汽灭菌锅,上海申安医疗器械厂;SPX-250B生化培养箱,天津市泰斯特仪器有限公司;1510全波长读数仪,Thermo Fisher Scientific 公司;UV3600 紫外分光光度计,英国爱丁堡公司;恒温水浴锅,常州奥华仪器有限公司;JYZ-V906 榨汁机,九阳股份有限公司。
1.3.1 苹果汁的制备 参考肖媚等[7]的方法,略作修改。将红富士苹果洗净、切块、榨汁后用纱布过滤,取200 mL 于500 mL 锥形瓶中,分装。65 ℃水浴锅中恒温水浴30 min,并不断搅拌使其受热均匀。水浴灭菌结束后,置于无菌操作台紫外杀菌15 min,将绿原酸溶于超纯水后用0.22 μm 滤膜过滤除菌。待苹果汁自然冷却后,加入终质量浓度分别为0,0.1,1.0 g/L 的绿原酸。
1.3.2 苹果汁的发酵 将酿酒酵母菌种接种于150 mL 液体YPD 培养基中(酵母膏1%,蛋白胨2%,无水葡萄糖2%,121 ℃灭菌20 min),于28℃、120 r/min 培养20 h,酵母活化培养两代后,用无菌水洗涤2 次,收集菌体,用适量灭菌苹果汁复溶后以1%接种量加入到含有不同质量浓度绿原酸的苹果汁中,28 ℃下静置培养。每隔1 d 取样,并置于-20 ℃保存待用。
1.3.3 超氧化物歧化酶(SOD)的测定 超氧化物歧化酶(SOD)是一种重要的抗氧化酶,能够催化超氧阴离子歧化,生成过氧化氢以及单质氧。水溶性四唑盐WST-1 能够和超氧阴离子反应生成水溶性的染料[21]。首先解冻发酵样品,取发酵液5 mL,4 ℃3 000 r/min 离心10 min,弃去上清液。菌液经4 ℃PBS 溶液洗涤2 次,用PBS 溶液重悬。采用高通量组织研磨仪破碎酵母细胞,破碎条件参考文献[22]~[23],重复3 次。破碎后的酿酒酵母细胞于4 ℃5 000 r/min 离心10 min,取上清液并参照SOD 试剂盒说明进行测定。
1.3.4 过氧化氢酶(CAT)的测定 采用钼酸胺法测定过氧化氢酶(Catalase,CAT),通过加入钼酸铵能迅速终止CAT 分解H2O2 的反应,剩余的H2O2与钼酸铵作用产生淡黄色的络合物,于405 nm 波长处测定其变化量,计算酿酒酵母中CAT 的酶活[23-24]。发酵样品处理方法同1.3.3 节所述,并参照CAT 试剂盒说明进行测定。
1.3.5 丙二醛(MDA)的测定 过氧化脂质降解产物中的丙二醛(MDA)可与硫代巴比妥酸(TBA)发生缩合反应,形成红色产物,在532 nm 波长处有最大吸收峰[23-24]。发酵样品处理方法同1.3.3 节所述,并参照MDA 试剂盒说明进行测定。
1.3.6 苹果酒发酵过程中主要香气成分的测定
1.3.6.1 香气成分富集 参照Yang 等[25]方法,采用顶空固相微萃取法(HS-SPME)富集苹果酒中的香气成分,将4.8 mL 苹果酒发酵上清液和0.2 mL 质量浓度为327.2 μg/L 的内标物3-辛醇加入到15 mL 装有磁性转子的顶空瓶中,加入2 g 的NaCl,于45 ℃条件下平衡10 min 后采用50/30 μm DVB/CAR/PDMS 萃取头顶空萃取40 min。
1.3.6.2 香气成分检测 将已吸附苹果酒香气成分的萃取头插入气相色谱柱进口,250 ℃下解析5 min。色谱柱为HP-5MS 弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),气相色谱条件和质谱条件参考杨颖迪等[22]和叶萌祺[26]的方法。
1.3.6.3 香气成分定性与定量 通过对比NIST 05 质谱数据库进行定性分析,试验结果保留Qual>60 的鉴定结果;以3-辛醇为内标物,通过对样品液中定性检测出来的醇类、酸类、酯类等物质的峰面积按公式(1)计算出各香气成分的含量。
式中,C1——香气成分质量浓度(μg/L);C0——内标物质质量浓度 (μg/L);A1——香气成分峰面积;A0——内标物质峰面积。
以上所有试验重复至少3 次,采用Excel 2016 处理试验数据,用Origin 2018 绘图,SPSS 11.0 (IBM 公司) 对数据进行单因素方差分析(ANOVA),检测平均值的显著性水平 (S-N-K法),显著性水平设置为P<0.05。
超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)是生物氧化防御系统的抗氧化物酶[19]。发酵过程中,绿原酸胁迫对酿酒酵母的SOD 活性影响如图1所示。从图1可以看出,在发酵第1 天,不同质量浓度间SOD 活性具有显著差异(P<0.05),1.0 g/L 绿原酸促进作用最为明显,且此时SOD 酶活达到最高值(20.19±1.61)U/mg 蛋白。在发酵第2 天,对照组(0 g/L 绿原酸)、0.01 g/L 绿原酸、0.1 g/L 绿原酸发酵体系中,酿酒酵母胞内SOD 活性逐渐增强,而1.0 g/L 绿原酸发酵体系中SOD 活性开始减弱。发酵4 d 后,不同质量浓度绿原酸发酵体系中酿酒酵母胞内SOD 活性均逐渐降低,然而均显著高于对照组(P<0.05)。上述结果分析表明绿原酸的存在提高了酿酒酵母胞内SOD 活性。
图1 不同质量浓度绿原酸胁迫对酿酒酵母CICC 31084 的SOD 活性的影响
Fig.1 Effects of different mass concentrations of chlorogenic acid on SOD activity of Saccharomyces cerevisiae CICC 31084
过氧化氢酶(Catalase,CAT)在酿酒酵母对H2O2 引起的氧化胁迫中起着至关重要的作用[20],通过测定在不同质量浓度绿原酸胁迫下酿酒酵母胞内抗氧化酶活性,探究绿原酸对酿酒酵母的氧化胁迫。由图2可知,发酵过程中酿酒酵母CAT活性均呈先降低后升高的趋势。在发酵第1 天,不同质量浓度绿原酸作用下酿酒酵母CAT 活性与对照组均有显著差异(P<0.05)。在低质量浓度0.01 g/L 绿原酸作用下酿酒酵母CAT 活性高于对照组,而在质量浓度为0.1,1.0 g/L 绿原酸作用下酿酒酵母CAT 活性均低于对照组。发酵2 d 后,酿酒酵母CAT 活性开始降低,在发酵4~6 d,CAT 活性降为最低,最低值分别为(4.27±0.43)U/mg 蛋白(0 g/L 绿原酸),(4.57±0.06)U/mg 蛋白(0.01 g/L 绿原酸),(1.31±0.08)U/mg 蛋白 (0.1 g/L 绿原酸),(0.40±0.02)U/mg 蛋白 (1.0 g/L 绿原酸)。发酵后期,酿酒酵母CAT 活性显著增强,在绿原酸质量浓度为0.01,0.1 g/L 的作用下,酿酒酵母活性高于对照组,高质量浓度1.0 g/L 绿原酸低于对照组(P<0.05)。结果分析表明,低质量浓度绿原酸(0.01 g/L)会提高整个发酵周期酿酒酵母CAT 活性,而高质量浓度绿原酸(1.0 g/L)胁迫会降低酿酒酵母CAT 活性。
图2 不同质量浓度绿原酸胁迫对酿酒酵母CICC 31084 的CAT 活性的影响
Fig.2 Effects of different mass concentrations of chlorogenic acid on CAT activity of Saccharomyces cerevisiae CICC 31084
丙二醛(MDA)作为膜脂过氧化的主要产物之一,可以用来判断酿酒酵母细胞膜氧化损伤程度[27]。发酵过程中不同质量浓度的绿原酸对酿酒酵母胞内MDA 含量的影响,如图3所示。从图3可知,发酵过程中酿酒酵母胞内MDA 含量呈现逐渐增加的变化趋势。在发酵前期,绿原酸的添加降低了酿酒酵母胞内MDA 的含量,高质量浓度1.0 g/L 绿原酸作用下MDA 含量最低,为(0.24±0.02)nmol/mg,与对照组相比具有显著差异(P<0.05)。发酵1 d 后细胞胞内MDA 含量缓慢增加。发酵8 d 时,MDA 含量快速增加,分别达到最高值(8.64±0.30)nmol/mg (0 g/L 绿原酸),(12.42±0.23)nmol/mg(0.01 g/L 绿原酸),(13.38±0.27)nmol/mg(0.1 g/L 绿原酸),(11.40±0.48)nmol/mg(1.0 g/L 绿原酸)。发酵末期,细胞体内MDA 含量降低,不同质量浓度绿原酸作用MDA 含量均高于对照组,且有显著差异(P<0.05)。结果表明,绿原酸的存在会降低发酵前期MDA 含量,提高发酵后期MDA 含量。
图3 不同质量浓度绿原酸胁迫对酿酒酵母CICC 31084 胞内MDA 的影响
Fig.3 Effects of different mass concentrations of chlorogenic acid on intracellular MDA of Saccharomyces cerevisiae CICC 31084
香气物质是影响苹果酒品质的重要因素之一,根据前期文献资料选取苯乙醇、辛酸乙酯、正己酸乙酯、癸酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯为苹果酒关键香气成分进行监测分析[28]。添加不同质量浓度绿原酸对苹果酒关键香气成分的影响,如图4所示,各关键香气物质质量浓度随着苹果酒发酵时间的延长逐渐升高,在发酵中期达到最大值,后逐渐降低趋于稳定。
苯乙醇(2-phenylethanol)变化如图4a 所示。外源绿原酸的添加促进苯乙醇的生成。0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系中苯乙醇含量均高于对照组(0 g/L 外源绿原酸),且变化趋势与对照组一致,在发酵前4 d 苯乙醇含量逐渐增加,发酵4 d 后苯乙醇含量呈现波动变化。在1.0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,发酵1 d 的苯乙醇含量低于对照组,发酵1 d 后苯乙醇含量逐渐增加且高于对照组,发酵8 d后苯乙醇含量降低。发酵结束时,质量浓度为0.1,1.0 g/L 的外源绿原酸发酵体系中苯乙醇含量高于对照组,分别为(10 324.63±34.14)μg/L(0.1 g/L 外源绿原酸),(10 183.36±124.71)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸),(9 514.63±424.26)μg/L (0 g/L 外源绿原酸)。
发酵过程中辛酸乙酯(Ethyl octanoate)含量变化如图4b 所示。在0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,辛酸乙酯含量逐渐增加,发酵2 d 后趋于稳定,在发酵6 d 后辛酸乙酯含量逐渐降低。在0.1 g/L外源绿原酸发酵体系中,辛酸乙酯含量在整个发酵过程中均高于对照组,发酵第4 天时辛酸乙酯含量达到最高值,且明显高于对照组,低质量浓度外源绿原酸促进辛酸乙酯的生成,发酵4 d 后辛酸乙酯含量逐渐减少。在1.0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,发酵前期辛酸乙酯含量逐渐增加且低于对照组,发酵4 d 后辛酸乙酯含量高于对照组,发酵第6 天辛酸乙酯含量达到最高,而最高值低于0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系中辛酸乙酯含量的最高值,发酵6 d 后辛酸乙酯含量逐渐降低。发酵结束时,辛酸乙酯含量分别为(4 950.53±71.42)μg/L(0 g/L 外源绿原酸),(5 161.59±79.07)μg/L (0.1 g/L外源绿原酸),(5 639.33±20.51)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸)。在发酵后期,辛酸乙酯质量浓度逐渐降低,不同质量浓度绿原酸作用无显著差异。
图4 苹果酒发酵过程中添加不同质量浓度绿原酸对关键香气生成的影响
Fig.4 Effects of different mass concentrations of chlorogenic acid on key aroma component productions of Saccharomyces cerevisiae during cider fermentation
发酵过程中乙酸苯乙酯 (Phenethyl acetate concentration)含量变化如图4c 所示。0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系中乙酸苯乙酯含量变化趋势与对照组一致,在发酵前4 d 乙酸苯乙酯含量逐渐增加,至第4 天达到最高值,后逐渐降低,且整个发酵过程中各发酵时间点乙酸苯乙酯含量略微高于对照组。在1.0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,乙酸苯乙酯含量在发酵初期第1 天时低于对照组,发酵1 d 后乙酸苯乙酯含量逐渐增加,且明显高于对照组,发酵6 d 后乙酸苯乙酯含量达到最高值,后逐渐降低。发酵结束时,乙酸苯乙酯含量分别为(765.49±36.69)μg/L(0 g/L 外源绿原酸),(772.39±40.66)μg/L (0.1 g/L 外源绿原酸),(977.37±5.39)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸)。
发酵过程中正己酸乙酯(Ethyl hexanoate)含量变化如图4d 所示。正己酸乙酯含量呈先逐渐增加后逐渐降低的变化趋势。0.1 g/L 外源绿原酸的添加明显促进整个发酵过程中正己酸乙酯的生成,而1.0 g/L 外源绿原酸的添加抑制了整个发酵过程中正己酸乙酯的生成。发酵结束时,正己酸乙酯含量分别为(1 613.55±42.43)μg/L(0 g/L 外源绿原酸),(1 739.7873±67.44)μg/L(0.1 g/L 外源绿原酸),(1 343.82±45.97)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸)。
发酵过程中癸酸乙酯(Ethyl decanoate)含量变化如图4e 所示。0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,癸酸乙酯含量缓慢增加,发酵6 d 后癸酸乙酯含量逐渐降低。在0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系中,癸酸乙酯含量在整个发酵过程中均高于对照组,发酵第4 天时癸酸乙酯含量达到最高值,且明显高于对照组,发酵4 d 后癸酸乙酯含量逐渐降低。在1.0 g/L 外源绿原酸发酵体系中,发酵前期癸酸乙酯含量逐渐增加且低于对照组,发酵4 d 后癸酸乙酯含量高于对照组,发酵第6 天癸酸乙酯含量达到最高,最高值低于0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系癸酸乙酯含量的最高值,发酵6 d 后癸酸乙酯含量逐渐降低。发酵结束时,癸酸乙酯含量分别为(2 350.5±413.66)μg/L(0 g/L 外源绿原酸),(2 314.97±45.40)μg/L (0.1 g/L 外源绿原酸),(3 719.39±416.24)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸)。
发酵过程中乙酸异戊酯(Esoamyl acetate)含量变化如图4f 所示。发酵过程中乙酸异戊酯含量呈先增加后逐渐降低的变化趋势。发酵前期不同质量浓度外源绿原酸作用效果较复杂,在发酵前3 d,添加外源绿原酸发酵体系中乙酸异戊酯含量低于对照组,此阶段0.1 g/L 外源绿原酸发酵体系中乙酸异戊酯含量明显小于对照组,发酵第4 天时添加外源绿原酸发酵体系中乙酸异戊酯含量开始高于对照组。发酵中后期,外源绿原酸存在促进乙酸异戊酯生成的作用,促进效果与质量浓度成正比。发酵结束时,乙酸异戊酯含量分别为(458.56±78.07)μg/L(0 g/L 外源绿原酸),(467.44±80.53)μg/L(0.1 g/L 外源绿原酸),(571.44±84.50)μg/L(1.0 g/L 外源绿原酸)。
对苹果酒发酵过程中不同质量浓度外源绿原酸与关键香气物质生成量进行相关性分析,相关系数如表1所示。由表1可知,苹果酒发酵过程中苯乙醇、乙酸苯乙醇、癸酸乙酯、乙酸异戊酯质量浓度与外源绿原酸质量浓度成正相关关系,相关系数分别为0.133,0.253,0.026,0.114。辛酸乙酯、正己酸乙酯与外源绿原酸质量浓度呈负相关关系,相关系数分别为-0.012,-0.248。
表1 苹果酒发酵过程中外源绿原酸质量浓度与关键香气成分生成量之间相关系数
Table 1 Correlation coefficient between chlorogenic acid mass concentration and key aroma component production during cider fermentation
注:**.在P<0.01 水平显著相关;*.在P<0.05 水平显著相关。
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苹果酒发酵过程中,酿酒酵母CICC 31084 在绿原酸胁迫下,主要通过改变胞内超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和胞内丙二醛(MDA)含量来提高酿酒酵母的抗逆能力。其中,SOD 活性随着绿原酸质量浓度的升高而逐渐增加;低质量浓度绿原酸胁迫促使酿酒酵母的CAT活性增加,高质量浓度绿原酸胁迫降低了CAT 活性。绿原酸胁迫降低了发酵前期MDA 含量,发酵后期MDA 含量逐渐增加。苹果酒发酵过程中各关键香气物质的质量浓度随发酵时间的延长逐渐升高,在发酵中期,各香气物质的质量浓度达到最大值,后逐渐降低并趋于稳定。相关性分析表明关键香气物质苯乙醇、乙酸苯乙醇、癸酸乙酯、乙酸异戊酯的质量浓度与外源绿原酸质量浓度成正相关关系;辛酸乙酯、正己酸乙酯的质量浓度与外源绿原酸质量浓度呈负相关关系。
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Effects of Chlorogenic Acid Stress on the Physiological Characteristics of Saccharomyces cerevisiae during the Fermentation of Cider