酿酒酵母柠檬酸胁迫机制研究

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柠檬酸是果酒中的主要有机酸,对果酒的品质有着重要的影响,然而在果酒发酵过程中常常会遇到有机酸含量高导致的酸性环境,抑制微生物的生长,限制了柠檬酸型水果得发展。本文以前期通过高浓度柠檬酸适应性进化得到的耐酸酵母(F8、F11、F14)为研究对象,考察其对不同浓度柠檬酸与不同有机酸的耐受情况。筛选出一株耐酸能力强的菌株,通过分析氧化应激反应下相关酶的活性与转录组测序结果,初步探索酿酒酵母对高浓度柠檬酸胁迫的耐受机制。将获得的耐酸菌株用于赤霞珠葡萄酒发酵,并对赤霞珠葡萄酒的发酵性能、葡萄酒品质、生物胺安全性评价,为更好的生产葡萄酒和果酒提供理论依据。主要研究结果如下:(1)通过观察(0、0.05、0.1、0.2、0.3 mol·L-1)柠檬酸与0.25 mol·L-1有机酸(柠檬酸、苹果酸、乳酸、酒石酸、乙酸)下菌株的生长情况,验证进化菌株的耐酸能力。与出发菌株EC1118相比,菌株F8、F14在低浓度柠檬酸抑制影响不明显,而F11生长受到促进,在高浓度的柠檬酸下生长都受到抑制,但F11生长情况最好,对柠檬酸的耐受能力最强;在0.25 mol·L-1的不同有机酸中,乳酸、苹果酸不会抑制酵母的生长,酒石酸会抑制酵母生长,其中出发菌株EC1118几乎停止生长,F8、F14生长缓慢,F11生长能力最强,在乙酸中所有菌株均不能生长。因此,进化菌株F11对有机酸的耐受能力最强。(2)扫描电镜、透镜电镜分析0.25mol·L-1柠檬酸胁迫下的菌株EC1118与F11细胞表面与内部结构差异,结果显示:未胁迫下的菌株细胞表面光滑饱满,外形呈椭圆或圆形,细胞形态整齐且健壮,酵母细胞生命力旺盛,但F11细胞与细胞之间有黏连现象;受到胁迫时细胞表面变得粗糙,发生皱缩,其中EC1118在胁迫下皱缩最明显且出现黏连现象,F11表面皱缩,黏连现象最明显;通过透射电镜观察发现,胁迫情况下,出发菌株EC1118与进化菌株F11柠檬酸胁迫下胞内微体增多,细胞壁增厚。对菌株的氧化应激相关酶活性检测,发现在柠檬酸胁迫下培养12 h,进化菌株F11与出发菌株EC1118相比较,ROS水平低,CAT活性高,SOD活性无太大差异。综上所述,柠檬酸胁迫会引起酵母细胞表面皱缩,出现黏连现象,细胞壁增厚,胞内微体增多,ROS水平增加,经适应性进化得到的菌株可以通过调节胞内CAT的比活力降低ROS水平。(3)通过对EC1118和F11进行转录组分析,胁迫下的EC1118、F11分别与其不胁迫对比共获得596与1396个差异表达基因,其中显著上调基因分别为756、386个,显著下调基因分别为210、640个。通过转录组学数据分析以及参考相关文献,发现出发菌株EC1118与进化菌株F11中细胞膜组分(上调基因数分别为114、256个,下调基因数分别为66、176个)、氨基酸代谢(上调基因数6、45个,下调基因数16、56个)、氧化胁迫应激(上调基因数1、7个,下调基因数0、1个)相关的关键基因(Pdr12、Erg4、Grx2、Ahp1、Ctt1与Tsa2等)对酿酒酵母的耐酸性具有重要作用。(4)通过对赤霞珠葡萄酒进行发酵实验,自然发酵与使用酵母EC1118与F11对赤霞珠葡萄的发酵结果显示:残糖量分别为6.25、2.47、2.51 g/L,酒精度分别为11.81、13.05、11.99(v/v),检测出的生物胺中酪胺含量分别为0.34、0.52、0.54mg/L,腐胺含量分别为2.43、2.88、3.13mg/L,尸胺含量分别为0.93、0.9、0.94mg/L,醇类物质分别有14、14、16种,酯类物质分别有4、5、7种,酸类物质6、4、5种,氨基酸与生物胺检测种类相同分别为19种氨基酸,5种生物胺。F11相较于EC1118醇类物质中己醇、苯乙醇、庚醇等具有玫瑰、桃子、菠萝、香蕉等水果香及花香含量有所提高,具有苦杏仁味的异丁醇含量减少;酯类物质增加两种,具有菠萝、香蕉、蜂蜜等水果香的己酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸苯乙酯含量增加。谷氨酸、组氨酸与脯氨酸含量低,其他氨基酸含量高。
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