Correlation Between Volatile Aromas and Microbial Communities during the Alcoholic and Acetic Acid Fermentation Process of Shanxi Aged Vinegar
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摘要: 本文主要采用Illumina Miseq高通量测序技术结合气相色谱-质谱联用技术(GC-MS),研究山西老陈醋整个酿造过程中微生物菌群变化和挥发性风味成分的动态变化规律,并通过偏最小二乘法(PLS)解析微生物菌群与挥发性风味成分的相关性。结果表明,酒精发酵阶段主要检测到7个细菌属和6个真菌属,重要优势菌属为魏斯氏菌属(45.34%)、乳杆菌属(29.01%)、链球菌属(13.58%)、假丝酵母菌属(89.29%)和威克汉姆酵母属(2.31%);醋酸发酵阶段主要检测到10个细菌属和18个真菌属,重要优势菌属为醋杆菌属(26.32%)、乳杆菌属(15.88%)、片球菌属(10.71%)、假丝酵母菌属(46.18%)、链格孢霉属(16.02%)和曲霉属(5.93%)。酒精发酵阶段共检测到70种挥发性物质,随着酒精发酵过程进行,3-甲基丁醇、戊醇、苯甲醇、己醇、辛醇、壬醇等高级醇类物质逐渐减少,典型特征醇类物质(乙醇)逐渐增加,乙酸乙酯、乙酸己酯、己酸异戊酯等典型特征酯类物质也缓慢上升,逐渐趋于稳定。醋酸发酵阶段共检测到72种挥发性物质,发酵过程中,醇类物质逐渐减少,乙酸和特征性酯类物质-乙酸乙酯、己酸异戊酯、乙酸-2-苯乙酯等逐渐积累。PLS分析结果显示,山西老陈醋发酵过程中菌群演替与挥发性香气成分形成之间存在显著相关性。本文为传统山西老陈醋发酵机制揭示提供数据支持。Abstract: The Illumina Miseq high-throughput sequencing technology combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used to analyze the microbial communities dynamic changes and volatile flavor components production during the whole fermentation stages of Shanxi Aged Vinegar (SAV). Additionally, partial least-square (PLS) method is employed to analyze correlation between the microbial communities and the volatile flavor components. The results showed that total of seven bacterial genera and six fungal genera were mainly detected during the alcohol fermentation process, and the dominant genera were Weissella (45.34%), Lactobacillus (29.01%), Streptococcus (13.58%), Candida (89.29%), and Wickerhamomyces (2.31%). During the acetic acid fermentation process, ten bacterial genera and eighteen fungal genera were mainly detected, among which the Acetobacter (26.32%), Lactobacillus (15.88%), Pediococcus (10.71%), Candida (46.18%), Alternaria (16.02%), and Aspergillus (5.93%) were dominant flora. In alcohol fermentation stage, a total of 70 volatile substances were detected. As the alcohol fermentation progressed, the high-grade alcohols like 3-methylbutanol, pentanol, benzyl alcohol, hexanol, octanol and nonol gradually decreased, and the typical characteristic alcohols such as ethanol gradually increased. Meanwhile, the typical characteristic esters such as ethyl acetate, hexyl acetate and isoamyl hexanoate had slowly increased and gradually stabilized. During the acetic acid fermentation stage, 72 kinds of volatile substances were detected. With the alcohol substances decreased, acetic acid and characteristic ester substances such as ethyl acetate, isopentyl hexate, acetic acid-2-phenyl ethyl ester accumulated gradually. Partial least-square (PLS) analysis showed a significant correlation between the microbiota succession and the formation of volatile aroma components during the fermentation of SAV. This study provides detailed information for the fermentation mechanism of traditional SAV.
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Keywords:
- Shanxi aged vinegar /
- volatile aromas /
- microbial communities /
- correlation
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山西老陈醋作为中国四大名醋之一,有着悠久的历史,在中国食醋行业占据重要地位,其以独特的风味“绵、酸、香、甜、鲜”闻名于世,醋体清亮,色泽深沉如琥珀,深受消费者的喜爱[1−3]。老陈醋的酿造经过酒精发酵、醋酸发酵、熏蒸和陈酿等多道工序,使其风味物质丰富多样,富含多种有机酸、酯类、醇类等物质成分,酸味浓烈但不失醇厚,酸香中带有粮食发酵的香气和熏香,赋予其独特的口感与香气,不仅是日常饮食中的优质调味品,还蕴含着山西独特的地域文化内涵[4−6]。食醋风味成分包括挥发性成分和不挥发性成分,挥发性成分影响食醋的香味,而不挥发性成分影响食醋的口味[7−8]。食醋中的挥发性成分主要有酯、醇、酸、酚、呋喃、吡嗪等,能赋予食醋特殊的芳香[9−11]。食醋中复杂的微生物菌群通过协同代谢作用,直接驱动挥发性成分的合成与转化,是形成其独特风味物质网络的核心生物基础。
王宗敏[12]通过研究镇江香醋醋酸发酵阶段菌群组成与挥发性成分的关系发现,与挥发性成分相关的微生物有94个属,其中细菌61个属,真菌33个属,与酯类物质的合成相关微生物最多,有82个菌属;酸类、醇类、醛类物质的形成分别与51、56、48个菌属相关;酮类、杂环类及其他物质则分别与27、21、50个属相关。Wang等[13]研究发现镇江香醋发酵过程中乙酸的形成与醋杆菌属、水栖菌属和乳杆菌属(Lactobacillus)高度关联。蒋雅君[14]对永春老醋不同发酵时期的微生物与挥发性成分相关性进行分析,研究发现芽孢杆菌属(Bacillus)与苯甲醛、辛酸、2,3-丁二酮有着较强的正相关;红球菌属(Rhodococcus)与苯甲醛、辛酸、己酸、4-乙基愈创木酚有较强的正相关;乳杆菌属(Lactobacillus)与乳酸、棕榈酸乙酯、1-己醇、正辛醇、3-辛醇有着较强的正相关。申瑾等[15]对山西老陈醋醋酸发酵过程的风味物质和微生物群落组成进行分析,发现变形杆菌属(Proteus)、盐球菌属(Salinicoccus)、酵母菌属(Saccharomyce)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)与亚油酸乙酯、油酸乙酯、己酸乙酯、乙酸异戊酯等酯类化合物的生成相关。综上所述,大多数学者关于食醋风味形成与菌群的关联机制研究主要集中在固态醋酸发酵阶段,并未对食醋发酵全过程包括酒精发酵和醋酸发酵风味变化与菌群演替关系进行系统揭示。
本文主要针对山西老陈醋传统手工陶缸生产模式的全过程进行采样,利用Illumina Miseq高通量测序技术分析酒精和醋酸发酵阶段微生物菌群的动态变化,采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)分析挥发性风味物质的形成规律,通过偏最小二乘法(Partial Least-Square,PLS)解析菌群与挥发性风味物质的相关性,进一步揭示酿造机理、优化酿造工艺,并利用组合微生物学为调控菌群定向代谢发酵提供基础研究。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
老陈醋 山西老陈醋集团有限公司,对纯手工陶缸大生产模式的山西老陈醋春季酿造过程进行三批次连续采样,分别取酒精发酵至0、1、2、3、5、7、11、13、15 d的酒醪样品(分别以AF0、AF1、AF2、AF3、AF5、AF7、AF11、AF13、AF15表示不同酿造时间的酒醪样品);分别取醋酸发酵至0、1、3、5、7、9、11 d的醋醅样品(分别以AAF0、AAF1、AAF3、AAF5、AAF7、AAF9、AAF11表示不同酿造时间的醋醅样品),保存于−80 ℃冰箱,用于后续实验;十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) 美国 Amresco公司;交联聚乙烯吡咯烷酮(PVPP) 美国Sigma公司;十二烷基硫酸钠(SDS)、Tris-平衡酚、Tris 北京索莱宝科技有限公司;QIAquick PCR Purification Kit、QIAquick Gel Extraction Kit、TruSeq PE Cluster Kit、End Repair Mix 德国Qiagen公司;乙二胺四乙酸钠(EDTA-Na2) 天津市恒兴试剂有限公司。
Trace 1300型气相色谱仪、ISQ型质谱仪、VF-5MS型气相色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm) Thermo Fisher公司;Agilent 2100生物分析仪 安捷伦科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 微生物菌群组成分析方法
1.2.1.1 样品微生物宏基因组提取及Miseq文库建立
参考文献[16]中酒醅、醋醅微生物宏基因组的提取方法进行宏基因组提取。以提取的酒醪和醋醅样品基因组DNA为模板,分别加入细菌和真菌对应区域特异性引物、PCR Master Mix对细菌16S rDNA V4区域和真菌ITS1区域进行扩增。用于细菌区域扩增的特异性引物为:515F(5'-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAA-3'),用于真菌区域扩增的特异性引物为:ITS1F:(5'-CTTGGTCA-TTTAGAGGAAGTAA-3')和ITS1R:(5'-GCTGCGTTCTT-CATCGATGC-3')[17]。
利用QIAquick PCR Purification Kit加入End Repair Mix,20 ℃反应30 min进行PCR产物纯化。纯化后的PCR产物在1%浓度的琼脂糖凝胶,150 V电压条件下电泳40 min,检测样品完整性和是否存在RNA或者蛋白,及次生代谢物污染。电泳检测合格的DNA产物用QIAquick Gel Extraction Kit进行回收。首先用Agilent 2100生物分析仪检测扩增后的DNA序列长度并回收序列长度≥10000 bp的产物,用TruSeq PE Cluster Kit进行文库扩增,扩增的文库利用MiSeq 2000测序平台进行测序。
1.2.1.2 Illumina Miseq高通量测序及数据分析
采用FLASH v1.2.7软件,基于overlap关系对各样品的reads进行拼接,生成原始Tags数据(Raw Tags),利用Trimmomatic v0.33软件对Raw Tags进行过滤,获得高质量的Tags数据(Clean Tags),通过UCHIME v4.2软件鉴定并去除嵌合体序列,得到最终的有效数据(Effective Tags),以划分操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTU),并计算Shannon、Simpson、Chao1和ACE指数,评估样品的α-多样性[18]。
1.2.2 挥发性香气成分测定
1.2.2.1 样品挥发性香气成分萃取
先将50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头在进样口270 ℃进行老化至无杂峰,然后将样品于45 ℃孵化炉中平衡30 min,顶空吸附30 min后将萃取头插入进样口,于270 ℃解析5 min[16]。
1.2.2.2 气相色谱条件
载气为纯度99.999%的氦气,流量1 mL/min,不分流。程序升温:起始温度40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min的速度升至160 ℃,保持1 min,再以10 ℃/min的速度升至270 ℃保持5 min[19]。
1.2.2.3 质谱条件
接口温度280 ℃,离子源温度280 ℃,电子能量70 eV,扫描质量范围41~500 amu[20]。
1.2.2.4 谱图解析及定量分析
通过对测得物质的气质谱图进行解析,并与NIST11及Wiley数据库中的标准谱图进行检索与比对,确定各色谱峰所对应的化学成分[21]。采用面积归一化法对各种挥发性香气成分进行定量分析。
1.3 数据处理
实验重复3次,采用SPSS 26.0和Excel 2021对数据进行整理和作图分析。利用SIMCA-P软件,采用偏最小二乘法(Partial Least-Square,PLS),解析山西老陈醋整个酿造过程中挥发性香气成分与微生物菌群变化的相关性。导入数据集并定义各变量的属性;将山西老陈醋酒精发酵阶段和醋酸发酵阶段的酿造时间作为观测样本,设定细菌属与真菌属水平为自变量(X),挥发性香气成分为因变量(Y),在此基础上构建分析模型;对模型所得数据进行分析,借助PLS分析生成的散点图,直观揭示不同风味物质与微生物之间的相互关联[16,22]。
2. 结果与分析
2.1 山西老陈醋发酵过程中菌群属水平上动态变化
2.1.1 山西老陈醋酒精发酵阶段菌群属水平上动态变化
山西老陈醋酒精发酵阶段菌群属水平上的动态变化见图1,主要检测到7个细菌属,分别为魏斯氏菌属(Weissella,45.34%)、乳杆菌属(Lactobacillus,29.01%)、链球菌属(Streptococcus,13.58%)、明串珠菌属(Leuconostoc,2.55%)、片球菌属(Pediococcus,2.24%)、葡萄球菌属(Staphylococcus,0.35%)和乳球菌属(Lactococcus,0.35%)。与之相似,Nie等[23]在山西老陈醋的酒精发酵过程检测到的细菌属分别为乳杆菌属、魏斯氏菌属、醋杆菌属、葡糖杆菌属、糖多孢菌属、葡萄球菌属、泛菌属和棒状杆菌属,其中乳杆菌属是优势菌属。真菌属主要检测到6个,分别是假丝酵母菌属(Candida,89.29%)、威克汉姆酵母属(Wickerhamomyces,2.31%)、链格孢霉属(Alternaria1,27%)、丝孢酵母属(Trichosporon,0.38%)、单胞瓶霉属(Scopulariopsis,0.21%)和曲霉菌属(Aspergillus,0.04%)。
魏斯氏菌属的相对丰度由酒精发酵第0 d(AF0)的10.59%,急剧增长至酒精发酵第1 d(AF1)的38.74%,AF2~AF9稳定在36.66%~49.97%范围内,AF11迅速增加至68.61%,之后逐渐下降,酒精发酵末期为56%左右。乳杆菌属的相对丰度从酒精发酵的第0 d(AF0)的8.86%逐渐增长至发酵第3 d(AF3)的38.75%,之后相对丰度稳定在15.45%~37.07%,发酵末期达到31.42%。链球菌属在酒精发酵第0 d的相对丰度最高为23.35%,之后逐渐下降,发酵末期为6.71%。明串珠菌属的相对丰度在酒精发酵前期和中期(AF0~AF9)维持稳定在1.45%~2.74%范围内,之后急剧上升至酒精发酵第11 d(AF11)的7.05%,发酵末期降至2.08%。片球菌属相对丰度由发酵初期(AF0)的0.66%,迅速增长至AF2的6.13%,之后逐渐下降,发酵末期为1.94%。
假丝酵母菌属相对丰度从酒精发酵初期(AF0)66.52%,急剧上升至87.09%(AF1),之后,相对丰度稳定在85.33%~96.02%,发酵末期达到96.23%。威克汉姆酵母属仅在酒精发酵第0 d(AF0)被检测到较高水平的17.97%,骤降至酒精发酵第1 d(AF1)的1.05%,AF2~AF15相对丰度在0.01%~2.20%之间振荡变化,发酵末期达到0.14%。威克汉姆酵母属与乳酸菌协同作用,能够生成一系列风味成分及乙醇,是构成多种亚太类酒精发酵剂的核心微生物菌群[24−25]。除假丝酵母菌属和威克汉姆酵母属外,曲霉属、单胞瓶霉属和丝孢酵母属仅在酒精发酵初期相对丰度较高,分别为0.93%、1.94%和4.46%。尽管在酒精发酵阶段,曲霉属、单胞瓶霉属等真菌的相对丰度较低,但始终保持存在状态。据此推测,以上真菌可能通过协同机制在酒精发酵过程中发挥着不可或缺的作用。例如,在柠檬酸、葡萄糖酸及没食子酸等有机酸的生成过程中,曲霉属扮演了关键角色[16,26]。
2.1.2 山西老陈醋醋酸发酵阶段菌群属水平上动态变化
山西老陈醋醋酸发酵阶段属水平上的动态变化见图2,主要检测到10个细菌属,分别是醋杆菌属(Acetobacter,26.32%)、乳杆菌属(Lactobacillus,15.88%)、片球菌属(Pediococcus,10.71%)、魏斯氏菌属(Weissella,5.18%)、链球菌属(Streptococcus,1.78%)、不动杆菌属(Acinetobacter,0.45%)、葡萄球菌属(Staphylococcus,0.36%)、明串珠菌属(Leuconostoc,0.34%)、稳杆菌属(Bacillus,0.30%)和乳球菌属(Pediococcus,0.16%)。Nie等[27]研究发现山西老陈醋醋酸发酵过程中乳杆菌属和醋杆菌属为优势菌属,与本文研究结果一致。真菌属主要检测到18个,分别是假丝酵母菌属(Candida,46.18%)、链格孢霉属(Alternaria,16.02%)、曲霉属(Aspergillus,5.93%)、附球菌属(Epicoccum,5.69%)、单胞瓶霉属(Phialemonium,5.03%)、隐球菌属(Cryptococcus,4.55%)、枝孢属(Cladosporium,2.45%)、茎点霉属(Phoma,2.37%)、布勒掷孢酵母属(Bullera,1.92%)、小柱孢霉属(Cylindrocarpon,1.88%)、暗色柱孢属(Phaeoacremonium,1.36%)、喙枝孢霉属(Rhinocladiella,0.75%)、镰刀菌属(Fusarium,0.53%)、Dioszegia属(0.37%)、拟单胞瓶霉属(Phialemoniopsis,0.26%)、木霉属(Trichoderma,0.23%)、威克汉姆酵母属(Wickerhamomyces,0.19%)和小戴卫霉属(Davidiella,0.17%)。
在新醋醅中未检测到醋杆菌属,醋酸发酵第1 d(AAF1)急剧上升至14.22%,之后逐渐上升,醋酸发酵第7 d(AAF7)达到最高峰,为42.55%,最后逐渐下降至30.78%(AAF11)。醋酸发酵阶段,除了可将还原糖转化为乙酸的醋酸菌的大量存在之外,乳酸菌同样也是醋酸发酵过程中的重要微生物之一,乳酸菌能代谢产生乳酸等有机酸,对乙酸起到缓冲的作用,使得食醋具有非常柔和的酸味。另外,醇类与有机酸经由酯化作用会大量生成酯类风味成分[28]。相关研究表明,乳酸菌能够分泌多种具有抗菌活性的成分,抗菌物质能够构建对病原体及腐败菌存活的不利环境,进而实现对杂菌生长的有效遏制[29]。在醋酸发酵阶段,主要检测到的乳酸菌为乳杆菌属和片球菌属。乳杆菌属发酵初期(AAF0和AAF1)相对丰度较高,为36%左右,之后从醋酸发酵第3 d(AAF3)逐渐下降至醋酸发酵末期(AAF11)的1.42%。醋酸发酵第0 d(AAF0)片球菌属的相对丰度为1.43%,AAF1增加至5.65%,之后稳定在9.73%~16.15%(AAF3~AAF9),醋酸发酵末期(AAF11)达到18.14%。
在醋酸发酵初期(AAF0~AAF3),假丝酵母菌属的相对丰度为43%左右,醋酸发酵第5 d(AAF5)相对丰度最低,为32.86%,随后逐渐增加至发酵末期(AAF11)的58.75%。链格孢霉属(Alternaria)发酵0 d(AAF0)相对丰度为14.69%,醋酸发酵第1 d至第5 d(AAF1~AAF5)逐渐上升,醋酸发酵第5 d(AAF5)相对丰度达到最高峰,为28.47%,随后逐渐下降,发酵末期(AAF11)相对丰度为4.32%。曲霉属醋酸发酵初期(AAF0)相对丰度最高,为17.06%,逐渐下降至醋酸发酵第5 d(AAF5)的4.42%,由AAF5急剧下降到1.47%(AAF7),最终稳定在0.5%左右。
Portillo等[30]研究发现,假丝酵母菌属具备将还原糖水解并转化为酒精、乙酸乙酯以及柠檬酸的能力。在醋酸发酵阶段,附球菌属、隐球菌属、曲霉属等真菌的相对丰度虽处于较低水平并呈现波动,但始终持续存在,推测可能通过协同作用,在山西老陈醋的醋酸发酵过程中发挥着关键作用。曲霉属可产生多种生物活性酶(纤维素酶、几丁质酶、木聚糖酶等),分解原料为可利用的还原糖。布勒掷孢酵母属通过自身代谢可以积累酯类、酶及其他有益代谢物[31]。此外,在山西老陈醋的醋酸发酵阶段,首次监测到了茎点霉属以及单胞瓶霉属等真菌的存在。茎点霉属是作物中的常见病原菌,可能来源于发酵初期的辅料[32]。
2.2 山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味成分的动态变化
采用气质联用技术对山西老陈醋酒精发酵阶段中挥发性物质进行分析,检测到31种酯类、15种醇类、5种醛类、6种酸类、2种酮类、3种酚类及8种其他挥发性物质,共70种物质。选取其中典型的34种香气成分绘制热图(图3)。由图3可知,酒醪样品被聚为0~1 d和2~15 d两大分支,发酵开始0~1 d,酒醪中含量较高的主要是3-甲基丁醇、戊醇、苯甲醇、己醇、辛醇、1-壬醇等高级醇类物质,使酒醪口感粗糙,缺乏细腻和绵柔感,影响整体口感的协调性。随着发酵的进行,高级醇类物质逐渐减少,特征性醇类和酯类物质的含量逐渐升高,如乙醇、乙酸乙酯、乙酸己酯和己酸异戊酯等[33],这是因为在酒精发酵阶段前期,酵母菌大量繁殖,醇类物质得以大量积累并趋于稳定,到发酵后期,部分醇类物质与酒醪液中的酸类物质合成酯类物质,导致醇类物质略有下降,酯类物质呈上升趋势[22,34]。另外,随着发酵的进行,4-乙基-2-甲氧基苯酚、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚等物质逐渐降低。有研究表明,适量的4-乙基-2-甲氧基苯酚(亦称4-乙基愈创木酚)能赋予酒体水果香和甜香、花香和烟熏味,过量则呈现辛香、烟味和皮革气味[35];2-甲氧基-4-乙烯基苯酚(亦称4-乙烯基愈创木酚)作为白酒中常见的呈味和呈香化合物,风味活性较高,对白酒整体贡献水果香、花香和甜香[36];此外,2-甲氧基-4-乙烯基苯酚还具有抗氧化性、抗炎性的作用。
图4的PCA分析结果显示,在酒精发酵阶段,不同发酵时间的样品分布于四个象限,AF0和AF1分别位于第二象限和第三象限,在酒精发酵初始有氧发酵阶段,酵母菌大量生长繁殖代谢,风味成分变化显著。其他样品则主要聚集在PC1正半轴附近,从第2 d开始进入密闭的酒精厌氧发酵阶段,在高浓度酒精胁迫下,酵母菌、霉菌、乳酸菌等菌群数量急剧下降,酒醪中各种化学成分发生缓慢的酯化、缩合等反应,香气成分趋于稳定。结合载荷图分析,AF0主要与1-戊醇、2-戊醇、3-甲基丁醇、苯甲醇、2,3-丁二醇相关性较高;AF1和1-壬醇、1-辛烯-3-醇、7-辛烯酸乙酯、4-乙基酚、石竹烯、2-戊基呋喃等香气成分相关性较高;AF2~AF9样品与庚酸、甲酸-3-甲基丁酯、1-丁烯-3-酮、乙酸异戊酯等酯类具有较高相关性。
图 4 山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味成分PCA图注:A山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味成分的主成分分析;B山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味物质因子载荷图。Y1:乙醇;Y2:2-硝基乙醇;Y3:3-甲基丁醇;Y4:1-戊醇;Y5:2-戊醇;Y6:2,3-丁二醇;Y7:3-甲基环氧乙烷-2-乙基甲醇;Y8:1-己醇;Y9:1-庚醇;Y10:1-辛烯-3-醇;Y11:苯甲醇;Y12:1-辛醇;Y13:苯乙醇;Y14:1-壬醇;Y15:3-甲基丁酸;Y16:O-乙酰基-L-丝氨酸;Y17:2-甲基己酸;Y18:己酸;Y19:庚酸;Y20:单羟基苯丙酸;Y21:乙酸乙酯;Y22:2-羟基丙酸乙酯;Y23:乙酸异戊酯;Y24:甲酸-3-甲基丁酯;Y25:戊酸乙酯;Y26:己酸乙酯;Y27:乙酸己酯;Y28:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;Y29:乳酸异戊酯;Y30:4-庚烯酸乙酯;Y31:庚酸乙酯;Y32:丁二酸二乙酯;Y33:7-辛烯酸乙酯;Y34:辛酸乙酯;Y35:苯乙酸乙酯;Y36:2-辛烯酸乙酯;Y37:乳酸异戊酯;Y38:乙酸-2-苯乙酯;Y39:3-壬烯酸乙酯;Y40:壬酸乙酯;Y41:苯丙酸乙酯;Y42:反式-4-癸烯酸乙酯;Y43:癸酸乙酯;Y44:十二烷酸甲酯;Y45:十四烷酸乙酯;Y46:十五烷酸甲酯;Y47:9-十六碳烯酸乙酯;Y48:十六烷酸乙酯;Y49:油酸乙酯;Y50:十八烷酸乙酯;Y51:9,12-十八碳二烯酸乙酯;Y52:甲氧基苯肟;Y53:1-丁烯-3-酮;Y54:2-戊基呋喃;Y55:苯乙醛;Y56:3-甲氧基苯甲醛;Y57:4-乙基酚;Y58:癸醛;Y59: 2,5-二甲基苯甲醛;Y60:2,3-二氢苯并呋喃;Y61:4-乙基-2-甲氧基苯酚;Y62:2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;Y63:2(3H)-二氢-5-戊基呋喃酮;Y64:十四烷;Y65:石竹烯;Y66:蛇麻烯;Y67:香树烯;Y68:石竹烯氧化物。Figure 4. Principal component analysis of volatile aroma compounds during alcoholic fermentation of Shanxi aged vinegar2.3 山西老陈醋醋酸发酵阶段挥发性风味成分的动态变化
采用气质联用技术对山西老陈醋醋酸发酵阶段中挥发性物质进行了分析,检测到11种醇类、2种酸类、1种酚类、37种酯类、6种醛类、6种酮类及9种其他类挥发性物质,共72种物质,选取其中典型的39种香气成分绘制热图(图5)。由图5可知,醋醅样品被聚为醋酸发酵初期(0~1 d),中期(3~7 d)和末期(9~11 d)三大分支。进入醋酸发酵阶段,由液态厌氧发酵体系进入固态需氧发酵模式,添加的火醅、麸皮、谷糠等辅料,使带入的大量醋酸菌得到快速繁殖,将乙醇代谢为乙酸,同步酸醇发生酯化反应[37−38]。醋酸发酵第1 d(AAF1)乙醇、己醇和苯甲醇含量较高,随着醋酸发酵进行,醇类物质逐渐减少,主要的挥发性酸类物质乙酸和特征性酯类物质乙酸乙酯、乙酸异戊酯、苯乙酸乙酯等逐渐积累,到发酵末期,代谢物质成分种类、含量趋于稳定。乙酸乙酯具有苹果和香蕉的水果香气,含量高时会带来甘蔗香气;乙酸异戊酯使酒体具有香蕉和梨等水果风味;苯乙酸乙酯具有玫瑰、茉莉花香,同时带有轻微的果香气味[39]。
图6PCA分析结果也证实了醋酸发酵阶段挥发性香气成分热图的聚类趋势。结合载荷图分析,AAF0和AAF1主要与乙醇、3-甲基丁醇和正己醇相关性较高;AAF3~AAF7醋醅样品中主要与正庚醇、1-壬醇、乙酸壬酯、苯甲醛、2-戊基呋喃的相关性较高,到发酵末期AAF9和AAF11样品中主要是3-庚烯酸乙酯挥发性风味物质。
图 6 山西老陈醋醋酸发酵阶段挥发性香气成分PCA图注:A山西老陈醋醋酸发酵阶段风味数据的主成分分析;B山西老陈醋醋酸发酵阶段所有风味物质因子载荷图。Y1:乙醇;Y2:3-甲基丁醇;Y3:2,3-丁二醇;Y4:正己醇;Y5:正庚醇;Y6:1-辛烯-3-醇;Y7:4-甲基-4-庚醇;Y8:2,2-二甲基戊醇;Y9:苯乙醇;Y10:1-壬醇;Y11:2,3-二甲基-3-辛醇;Y12:乙酸乙酯;Y13:2-羟基丙酸乙酯;Y14:3-甲基丁酸乙酯;Y15:乙酸异戊酯;Y16:戊酸乙酯;Y17:乙酸戊酯;Y18:乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯;Y19:2-羟基-2-甲基丙酸丙酯;Y20:己酸乙酯;Y21:乙酸己酯;Y22:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;Y23:乳酸异戊酯;Y24:3-庚烯酸乙酯;Y25:庚酸乙酯;Y26:9-十八碳烯酸苯甲酯;Y27:己酸-2-甲基丙酯;Y28:苯甲酸乙酯;Y29:丁二酸二乙酯;Y30:辛酸乙酯;Y31:乙酸辛酯;Y32:苯乙酸乙酯;Y33:己酸异戊酯;Y34:乙酸-2-苯乙酯;Y35:3-壬烯酸乙酯;Y36:壬酸乙酯;Y37:乙酸壬酯;Y38:苯丙酸乙酯;Y39:壬酸乙酯;Y40:反式-4-癸烯酸乙酯;Y41:癸酸乙酯;Y42:十一烷酸甲酯;Y43:十二烷酸乙酯;Y44:十四烷酸乙酯;Y45:十五烷酸甲酯;Y46:9-十六碳烯酸乙酯;Y47:十六烷酸乙酯;Y48:十八烷酸乙酯;Y49:乙酸;Y50:己酸;Y51:苯甲醛;Y52:苯乙醛;Y53:壬醛;Y54:2-壬烯醛;Y55:癸醛;Y56:十一醛;Y57:4-乙基-2-甲氧基苯酚;Y58:3-羟基丁酮;Y59:3-辛酮;Y60:2-戊基呋喃;Y61:四甲基吡嗪;Y62:2-壬酮;Y63:萘;Y64:2-甲基萘;Y65:十三烷;Y66:2(3H)-二氢-5-戊基呋喃酮;Y67:十四烷;Y68:十二烷;Y69:石竹烯;Y70:6,10-二甲基-5,9-十一烷二烯-2-酮;Y71:二丁基羟基甲苯。Figure 6. Principal component analysis of volatile aroma compounds during acetic acid fermentation of Shanxi aged vinegar2.4 山西老陈醋酒精发酵阶段菌群与挥发风味成分的相关性
山西老陈醋酒精发酵阶段细菌属与挥发性香气成分的PLS分析如图7A所示。魏斯氏菌属位于第四象限,与2-羟基丙酸乙酯、2-羟基-4-甲基-戊酸乙酯、丁二酸二乙酯、油酸乙酯具有相关性,分别赋予食醋具有酒醪果香、甜香及鲜花香气。冯洁雅等[40]采用高通量测序分析四川晒醋固态发酵过程中细菌群落结构及其丰度的变化发现,酒精发酵初期的优势细菌属为魏斯氏菌属和乳杆菌属,说明魏斯氏菌属是固态酿造食醋酒精发酵阶段中主要的乳酸菌类细菌菌群。鉴于魏斯氏菌属对食醋风味品质的重要贡献,一些学者开展了此类菌属的优良菌种筛选和固态食醋原位强化研究。孙峰宇[41]从天津独流醋的发酵酒醅中,经过分离筛选获得一株魏斯氏菌,将其与酵母菌组合应用于醋酸发酵过程,结果显示,酯类风味组分的含量从40.15%显著提升至51.83%,有效优化了液态酿造食醋的整体风味特征。
图 7 山西老陈醋酒精发酵阶段细菌属、真菌属与挥发性香气成分的PLS分析图注:A山西老陈醋酒精发酵阶段细菌属与挥发性香气成分的PLS分析;B山西老陈醋酒精发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析;1:乙醇;2:3-甲基丁醇;3:苯乙醇;4:乙酸乙酯;5:2-羟基丙酸乙酯;6:乙酸异戊酯;7:己酸乙酯;8:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;9:庚酸乙酯;10:丁二酸二乙酯;11:辛酸乙酯;12:壬酸乙酯;13:癸酸乙酯;14:十六烷酸乙酯;15:油酸乙酯;16:4-乙基酚;17:4-乙基-2-甲氧基苯酚;18:石竹烯。Figure 7. PLS analysis of the correspondence between bacteria, fungi at a genus level and volatile aroma compounds during alcoholic fermentation of Shanxi aged vinegar乳杆菌属和片球菌属与乙醇、乙酸乙酯、己酸乙酯、庚酸乙酯、壬酸乙酯、癸酸乙酯、乙酸异戊酯具有相关性,分别赋予酒醪酒味、威士忌香气、果香、菠萝香气、玫瑰样香气、椰子香、香蕉香气。相似地,王宗敏[12]与许伟[42]对镇江香醋发酵过程中的菌群及风味物质变化研究有类似发现,乳杆菌属、片球菌属以及魏斯氏菌属等乳酸菌与酯类物质的生成相关性较强。乳酸菌群通过特定的代谢途径,产生了乳酸、其他短链脂肪酸以及乙醇。在酯化酶的作用下,这些酸类物质与醇类物质发生反应,进而生成了酯类化合物,对乙酸乙酯、乙酸苯乙酯等酯类物质的形成起到了至关重要的作用[43]。
葡萄球菌属则与3-甲基丁醇、4-乙基-2-甲氧基酚具有较强相关性。3-甲基丁醇也被称为异戊醇,适量的3-甲基丁醇能够增添酒体的醇厚口感。在乙酰基转移酶的催化下,异戊醇与乙酸反应,生成乙酸异戊酯,为酒体增添雅致的香气,然而,若异戊醇含量过高,则可能导致酒体口感变得苦涩,还可能引发易醉现象以及头痛、眩晕等不良身体反应[44]。
山西老陈醋酒精发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析如图7B所示,酒精发酵阶段中主要的真菌属,如假丝酵母菌属与辛酸乙酯(白兰地香)具有较强相关性;丝孢酵母属主要与2-羟基-4-甲基戊酸乙酯(黑莓香)、癸酸乙酯(果香)、丁二酸二乙酯(甜香)、壬酸乙酯(葡萄香)相关性较强。有研究表明,假丝酵母、汉逊酵母、球拟酵母、毕赤酵母、酒香酵母等酵母菌具有强产酯能力,酵母细胞内,醇酰基转移酶催化丙酮酸代谢衍生的乙酰辅酶A与醇类发生反应,进而合成乙酸乙酯、乙酸异丁酯及乙酸异戊酯等一系列乙酸酯类物质[45]。此外,在酵母菌合成酯类的代谢途径中,脂肪酸首先与辅酶A结合,转化为相应的脂酰辅酶A,随后在醇酰基转移酶的介导下,与乙醇反应,生成包括乙酸乙酯、己酸乙酯及辛酸乙酯等在内的乙基酯类化合物[46]。
单胞瓶霉属、链格孢霉属、威克汉姆酵母属与3-甲基丁醇、4-乙基-2-甲氧基酚的产生相关。樊静雅等[47]发现,通过微生物调控及优化发酵技术,可以有效调控异戊醇的生成,其中,微生物调控策略包括采用低异戊醇产生能力的酵母菌株替代原有菌株,以及引入产酯酵母进行协同发酵等。研究表明,毛霉属(Mucor)、拟青霉属(Paecilomyces)等微生物能够利用高粱浸出液合成少量的异戊醇;黄曲霉(Aspergillus flavus)则能以淀粉、蔗糖等作为底物,合成微量异戊醇;此外,棘孢木霉(Trichoderma asperellum)的挥发性次级代谢物中也含有异戊醇成分[48]。以上研究结果表明,某些霉菌具有合成异戊醇的潜在能力。4-乙基-2-甲氧基酚具有独特的烟熏味和香草味,不仅可作为食品添加剂和香料使用,还具有增强香气、防腐和杀菌的多重功效。
2.5 山西老陈醋醋酸发酵阶段中菌群与特征挥发性香气成分相关性
山西老陈醋在醋酸发酵阶段,细菌属与挥发性香气成分的PLS分析如图8A所示,主成分1和主成分2共解释了92.9%的原变量信息。PLS结果显示,醋酸杆菌属与乙酸合成具有相关性。
图 8 山西老陈醋醋酸发酵阶段细菌属、真菌属与挥发性香气成分的PLS分析图注:A山西老陈醋醋酸发酵阶段细菌属与挥发性香气成分的PLS分析;B山西老陈醋醋酸发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析;1:乙醇;2:3-甲基丁醇;3:4-甲基-4-庚醇;4:苯乙醇;5:2,3-二甲基-3-辛醇;6:乙酸乙酯;7:乙酸异戊酯;8:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;9:己酸乙酯;10:乙酸己酯;11:乳酸异戊酯;12:9-十八碳烯酸(Z)-苯甲酯;13:苯甲酸乙酯;14:辛酸乙酯;15:苯乙酸乙酯;16:2-苯乙基乙酸酯;17:壬酸乙酯;18:癸酸乙酯;19:十五烷酸甲酯;20:9-十六碳烯酸乙酯;21:十八烷酸乙酯;22:乙酸;23:3-羟基丁酮;24:四甲基吡嗪。Figure 8. PLS analysis of the correspondence between bacteria, fungi at a genus level and volatile aroma compounds during acetic acid fermentation of Shanxi aged vinegar乳杆菌属与苯甲酸乙酯和十五烷酸甲酯等酯类物质生成相关性较强。相似的是,黄婷[48]对镇江香醋酿造微生物功能解析及酿醋人工菌群构建的研究,也证明了乳酸杆菌属与乳酸乙酯、丁二酸二乙酯等酯类物质生成呈较强的相关性。
明串珠菌属、片球菌属、魏斯氏菌属和乳球菌属与3-甲基丁醇、乙酸己酯呈较强相关性,分别赋予醋醅苹果白兰地香气、果香。明串珠菌属是典型的异型乳酸发酵菌株,能发酵糖类产生多种酸和醇,能降解亮氨酸生成3-甲基丁醇[49−50]。另外,不动杆菌属和稳杆菌属等协调菌与2-苯乙基乙酸酯和9-十八碳烯酸(Z)-苯甲酯的生成相关性较强。葡萄球菌属和链球菌属与壬酸乙酯和癸酸乙酯的生成相关性较强,分别赋予醋醅葡萄香、果香。
山西老陈醋在醋酸发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析如图8B所示,威克汉姆酵母菌属位于主成分的正半轴,与3-甲基丁醇具有较高的相关性,赋予醋醅苹果白兰地香气。有报道称,大多数酵母菌都能通过Ehrlich途径和Harris途径合成3-甲基丁醇,与该研究结果一致[51]。喙枝孢霉属、小柱孢霉属位于主成分的负半轴,与苯乙醇、乙酸乙酯、2,3-二甲基-3-辛醇、乙酸异戊酯等具有相关性,提供红枣甜味、威士忌香气、香蕉香气等香气。
3. 结论
本文主要对山西老陈醋酒精发酵和醋酸发酵过程中挥发性风味成分生成与菌群变化的相关性进行研究,结果表明,在酒精发酵阶段,主要检测到7个细菌属和6个真菌属,醋酸发酵阶段,主要检测到10个细菌属和18个真菌属。发酵过程中的优势菌群,如假丝酵母菌属、威克汉姆酵母属、魏斯氏菌属、醋杆菌属、乳杆菌属、链格孢霉属和曲霉属等与主要醇类、酸类和酯类等物质的生成相关性较强,其他协调菌类如不动杆菌属、明串珠菌属、片球菌属、喙枝孢霉属、小柱孢霉属、稳杆菌属、葡萄球菌属和链球菌属等对某些挥发性香气成分的生成也具有一定的贡献作用。将来应进一步采用蛋白质组学、代谢组学、离子色谱等技术手段进一步对山西老陈醋的挥发性、不挥发性小分子代谢产物及多糖、多酚等大分子产物进行全谱图揭示和生成机制研究,开发山西老陈醋“靶向”风味、功能定向调控现代发酵技术。
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图 4 山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味成分PCA图
注:A山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味成分的主成分分析;B山西老陈醋酒精发酵阶段挥发性风味物质因子载荷图。Y1:乙醇;Y2:2-硝基乙醇;Y3:3-甲基丁醇;Y4:1-戊醇;Y5:2-戊醇;Y6:2,3-丁二醇;Y7:3-甲基环氧乙烷-2-乙基甲醇;Y8:1-己醇;Y9:1-庚醇;Y10:1-辛烯-3-醇;Y11:苯甲醇;Y12:1-辛醇;Y13:苯乙醇;Y14:1-壬醇;Y15:3-甲基丁酸;Y16:O-乙酰基-L-丝氨酸;Y17:2-甲基己酸;Y18:己酸;Y19:庚酸;Y20:单羟基苯丙酸;Y21:乙酸乙酯;Y22:2-羟基丙酸乙酯;Y23:乙酸异戊酯;Y24:甲酸-3-甲基丁酯;Y25:戊酸乙酯;Y26:己酸乙酯;Y27:乙酸己酯;Y28:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;Y29:乳酸异戊酯;Y30:4-庚烯酸乙酯;Y31:庚酸乙酯;Y32:丁二酸二乙酯;Y33:7-辛烯酸乙酯;Y34:辛酸乙酯;Y35:苯乙酸乙酯;Y36:2-辛烯酸乙酯;Y37:乳酸异戊酯;Y38:乙酸-2-苯乙酯;Y39:3-壬烯酸乙酯;Y40:壬酸乙酯;Y41:苯丙酸乙酯;Y42:反式-4-癸烯酸乙酯;Y43:癸酸乙酯;Y44:十二烷酸甲酯;Y45:十四烷酸乙酯;Y46:十五烷酸甲酯;Y47:9-十六碳烯酸乙酯;Y48:十六烷酸乙酯;Y49:油酸乙酯;Y50:十八烷酸乙酯;Y51:9,12-十八碳二烯酸乙酯;Y52:甲氧基苯肟;Y53:1-丁烯-3-酮;Y54:2-戊基呋喃;Y55:苯乙醛;Y56:3-甲氧基苯甲醛;Y57:4-乙基酚;Y58:癸醛;Y59: 2,5-二甲基苯甲醛;Y60:2,3-二氢苯并呋喃;Y61:4-乙基-2-甲氧基苯酚;Y62:2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;Y63:2(3H)-二氢-5-戊基呋喃酮;Y64:十四烷;Y65:石竹烯;Y66:蛇麻烯;Y67:香树烯;Y68:石竹烯氧化物。
Figure 4. Principal component analysis of volatile aroma compounds during alcoholic fermentation of Shanxi aged vinegar
图 6 山西老陈醋醋酸发酵阶段挥发性香气成分PCA图
注:A山西老陈醋醋酸发酵阶段风味数据的主成分分析;B山西老陈醋醋酸发酵阶段所有风味物质因子载荷图。Y1:乙醇;Y2:3-甲基丁醇;Y3:2,3-丁二醇;Y4:正己醇;Y5:正庚醇;Y6:1-辛烯-3-醇;Y7:4-甲基-4-庚醇;Y8:2,2-二甲基戊醇;Y9:苯乙醇;Y10:1-壬醇;Y11:2,3-二甲基-3-辛醇;Y12:乙酸乙酯;Y13:2-羟基丙酸乙酯;Y14:3-甲基丁酸乙酯;Y15:乙酸异戊酯;Y16:戊酸乙酯;Y17:乙酸戊酯;Y18:乙酸-1-甲氧基-2-丙基酯;Y19:2-羟基-2-甲基丙酸丙酯;Y20:己酸乙酯;Y21:乙酸己酯;Y22:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;Y23:乳酸异戊酯;Y24:3-庚烯酸乙酯;Y25:庚酸乙酯;Y26:9-十八碳烯酸苯甲酯;Y27:己酸-2-甲基丙酯;Y28:苯甲酸乙酯;Y29:丁二酸二乙酯;Y30:辛酸乙酯;Y31:乙酸辛酯;Y32:苯乙酸乙酯;Y33:己酸异戊酯;Y34:乙酸-2-苯乙酯;Y35:3-壬烯酸乙酯;Y36:壬酸乙酯;Y37:乙酸壬酯;Y38:苯丙酸乙酯;Y39:壬酸乙酯;Y40:反式-4-癸烯酸乙酯;Y41:癸酸乙酯;Y42:十一烷酸甲酯;Y43:十二烷酸乙酯;Y44:十四烷酸乙酯;Y45:十五烷酸甲酯;Y46:9-十六碳烯酸乙酯;Y47:十六烷酸乙酯;Y48:十八烷酸乙酯;Y49:乙酸;Y50:己酸;Y51:苯甲醛;Y52:苯乙醛;Y53:壬醛;Y54:2-壬烯醛;Y55:癸醛;Y56:十一醛;Y57:4-乙基-2-甲氧基苯酚;Y58:3-羟基丁酮;Y59:3-辛酮;Y60:2-戊基呋喃;Y61:四甲基吡嗪;Y62:2-壬酮;Y63:萘;Y64:2-甲基萘;Y65:十三烷;Y66:2(3H)-二氢-5-戊基呋喃酮;Y67:十四烷;Y68:十二烷;Y69:石竹烯;Y70:6,10-二甲基-5,9-十一烷二烯-2-酮;Y71:二丁基羟基甲苯。
Figure 6. Principal component analysis of volatile aroma compounds during acetic acid fermentation of Shanxi aged vinegar
图 7 山西老陈醋酒精发酵阶段细菌属、真菌属与挥发性香气成分的PLS分析图
注:A山西老陈醋酒精发酵阶段细菌属与挥发性香气成分的PLS分析;B山西老陈醋酒精发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析;1:乙醇;2:3-甲基丁醇;3:苯乙醇;4:乙酸乙酯;5:2-羟基丙酸乙酯;6:乙酸异戊酯;7:己酸乙酯;8:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;9:庚酸乙酯;10:丁二酸二乙酯;11:辛酸乙酯;12:壬酸乙酯;13:癸酸乙酯;14:十六烷酸乙酯;15:油酸乙酯;16:4-乙基酚;17:4-乙基-2-甲氧基苯酚;18:石竹烯。
Figure 7. PLS analysis of the correspondence between bacteria, fungi at a genus level and volatile aroma compounds during alcoholic fermentation of Shanxi aged vinegar
图 8 山西老陈醋醋酸发酵阶段细菌属、真菌属与挥发性香气成分的PLS分析图
注:A山西老陈醋醋酸发酵阶段细菌属与挥发性香气成分的PLS分析;B山西老陈醋醋酸发酵阶段真菌属与挥发性香气成分的PLS分析;1:乙醇;2:3-甲基丁醇;3:4-甲基-4-庚醇;4:苯乙醇;5:2,3-二甲基-3-辛醇;6:乙酸乙酯;7:乙酸异戊酯;8:2-羟基-4-甲基戊酸乙酯;9:己酸乙酯;10:乙酸己酯;11:乳酸异戊酯;12:9-十八碳烯酸(Z)-苯甲酯;13:苯甲酸乙酯;14:辛酸乙酯;15:苯乙酸乙酯;16:2-苯乙基乙酸酯;17:壬酸乙酯;18:癸酸乙酯;19:十五烷酸甲酯;20:9-十六碳烯酸乙酯;21:十八烷酸乙酯;22:乙酸;23:3-羟基丁酮;24:四甲基吡嗪。
Figure 8. PLS analysis of the correspondence between bacteria, fungi at a genus level and volatile aroma compounds during acetic acid fermentation of Shanxi aged vinegar
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