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酱香大曲产香酵母的分离及鉴定

2017-01-09罗小叶邱树毅陆安谋王晓丹

食品与发酵工业 2016年12期
关键词:酱香型酱香大曲

罗小叶,邱树毅,陆安谋,王晓丹,3*

1(贵州大学,贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州 贵阳,550025) 2(贵州大学 酿酒与食品工程学院,贵州 贵阳,550025) 3(贵州大学 生命科学学院,贵州 贵阳,550025) 4(贵州中心酿酒集团酒业有限责任公司,贵州 遵义,564500)

酱香大曲产香酵母的分离及鉴定

罗小叶1,2,邱树毅1,2,陆安谋4,王晓丹1,2,3*

1(贵州大学,贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州 贵阳,550025) 2(贵州大学 酿酒与食品工程学院,贵州 贵阳,550025) 3(贵州大学 生命科学学院,贵州 贵阳,550025) 4(贵州中心酿酒集团酒业有限责任公司,贵州 遵义,564500)

采用可培养方法对酱香大曲酵母进行分离、鉴定,共筛选出12株酵母,用高粱培养基对酵母的产香功能进行初筛,通过感观评定确定1株主要产果香味的酵母菌株,被筛选出的酵母经形态学观察、生理生化实验及26S rDNA 分子生物学分析鉴定,确定为扣囊复膜酵母(Saccharomycopsisfibuligera)。对产香酵母风味成分进行气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)检测分析。结果表明,醇类物质相对百分含量提高了51.87%,包括乙醇、异丁醇、异戊醇、苯乙醇等,这些醇类物质共同赋予发酵产物果香味;酯类物质相对百分含量提高了41.39%,包括乙酸乙酯、乙酸异戊酯呈现清灵果香,其他产物如丁酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯、丙酸正戊酯、辛酸乙酯、十六酸乙酯等也在不同程度上呈现出果香味;还检测到少量的酚类、酮类、醛类、烷烃类以及少量未定成分的物质。对酱香大曲产香酵母分离筛选及功能特性进行研究,为深入研究酱香型白酒呈香机制提供基础数据和理论依据,进一步挖掘酵母资源在白酒生产中的作用。

酱香大曲;酵母;气相色谱-质谱联用仪

酵母的种类及数量影响白酒的产量和质量[1],同时代谢生成大量不同的风味物质,对酱香型白酒独特风格的形成具有重要作用。高温制曲是酱香型白酒生产的一大特色,大曲培养管理曲坯温度变化分3个阶段,首先低温培菌期,品温30~40 ℃,霉菌、细菌、酵母等大量繁殖;进入高温转化期,品温50~65 ℃,让已大量生成的菌代谢转化成香味物质;最后进入后火排潮生香期,品温不低于45 ℃,以后火促进曲心少量多余的水分挥发和香味物质的呈现[2]。酵母菌特殊的细胞结构特性能使其对高温的承受能力有限,因而酵母主要在制曲过程的前期大量繁殖,一般占2%~5%,而在大曲后火排潮生香期很少或未检测到酵母菌[3]。成品曲经入库贮存期6个月,库房四面通风保持冷凉干燥状态,贮存期间处于休眠的酵母在适宜温度、湿度条件下生长活跃起来,出库时曲块粉碎成曲粉与高粱混合进入酿造过程。本课题组利用纯培养技术对多种酱香大曲生产用曲粉中酵母计数,表明曲粉中存在酵母,其数量约为103CFU/g[4]。尽管高温制曲工艺降低了大曲中酵母的数量,但曲粉中仍然有一定数量的酵母,挖掘生产用曲粉酵母资源及探索其功能是有意义的。

茅台酒厂技术中心在2001~2006年对茅台酒制曲发酵过程中微生物的消长规律做了系统研究,共分离到了18种酵母,包括假丝酵母、丝孢酵母、汉逊酵母、异常汉逊酵母、毕赤酵母、红酵母、拟内孢霉、白地霉等酵母[5]。此外,还从酱香大曲中分离到了卡斯特假丝酵母、费比恩毕赤酵母、拜耳结合酵母、Zygosaccharomycesbailii、Stephanoascusciferrii、Pichiameyerae、Cryptococcusneoformans等酵母[1,6]。引入现代分子生态技术来研究酱香大曲中的酵母,发现大曲中还存在Candidasilvae、热带假丝酵母[7]。

产香酵母是中国白酒中酯香的主要产生菌,能够产生以酯香为主的多种香味,这些香味物质对赋予酒体浓郁的芳香及促进酒体完美和丰满具有重要作用。茅台酒厂技术中心分离到2株产香功能酵母能够产生多种香味物质[8]。研究发现东方伊萨酵母(Issatchenkiaorientalis)能产生有机酸类和高级醇类香味物质[9],卡斯特假丝酵母(Candidacasterllani)能产生乙酸乙酯、异丁醇等香味物质[10]。本课题组从酱香型白酒酒醅中分离出2株产乙酸乙酯、异戊醇、乙酸苯乙酯等香味物质较高的酵母[11-12]。

成品曲在出房后的贮存过程中,继续网络周围环境中的酵母发酵生长。酿酒生产使用的是贮存6个月成品曲经过粉碎与高粱混合进行酿酒生产,因此在生产用的曲粉中有大量的酵母能够被检测到。酵母对大曲香味物质及前体形成具有重要作用,酱香白酒的生产每一次入窖都要进行撒曲,酵母能够通过撒曲进入制酒过程进行发酵和产香。特此对酱香型白酒发酵生产使用的大曲曲粉中的酵母进行分离筛选,探索酵母的产香功能特性,为深入研究酱香型白酒呈香机制提供基础数据和理论依据,对进一步挖掘酵母资源在白酒生产中的应用及开发我国酒曲中传统微生物资源具有一定价值。

1 材料与方法

1.1 材料

酱香大曲:由贵州中心酿酒集团酒业有限公司提供,该集团坐落于贵州茅台镇,始建于1982年,与茅台集团仅一河之隔,同享得天独厚的水土、气候等自然条件和空中微生物群资源。本研究所用酱香大曲是采用茅台镇传统工艺制得,在白酒酿造车间取粉碎后待生产使用的曲粉,采用随机取样法在存放处的包装袋中取20个样品混匀,其品温、水分、微生物区系等均比较稳定,能充分代表该酱香大曲中微生物组成特点,样品4 ℃保存。

1.2 主要培养基

(1)孟加拉红琼脂培养基、麦芽汁琼脂培养基、麦芽汁液体培养基、PDA琼脂培养基、玉米粉琼脂培养基、麦氏培养基(市售:上海博微生物科技有限公司)。

(2)生理生化培养基[13]。

(3)高粱小麦培养基:其中高粱与小麦质量比为1∶1,小麦全部粉碎,高粱整粒∶碎粒质量比为3∶1;加水量50%~60%,混匀后90 ℃热水润粮4 h;将培养基盛装放入灭菌锅内121 ℃灭菌蒸煮20 min;待培养基冷却到60 ℃加入糖化酶(200 U/g),调节培养基pH至4.0~4.5,在60 ℃水浴锅糖化4 h;装瓶,121 ℃灭菌20 min。其中选用本地高粱作为产香筛选培养基的主要原料,培养基的原料及培养基的制作流程与酿造生产酱香型白酒的相同,高粱的无机元素及维生素含量丰富,为微生物的生长与繁殖提供物质基础,高粱中COA 对产己酸有利,且对酯化亦有促进作用。高粱所含单宁,味苦涩、性收敛,对酶有钝化作用,降低发酵力,酒醅中适当的单宁含量可使酒醅发酵率高,单宁经蒸煮发酵,可转变成芳香物质,赋予白酒特殊的香气,并有抑制杂菌的作用[14-15],因此更能模拟和体现酵母在酿造过程的代谢情况。

1.3 主要试验试剂与仪器

糖化酶(市售),山东隆大生物工程有限公司;酵母DNA提取试剂盒,美国BIOMIGA公司;其他试剂均为分析纯(市售),上海博微生物科技有限公司)。

离心机,美国贝克曼库尔特有限公司;Flex cycler多功能PCR仪、电泳仪、凝胶成像仪,德国耶拿分析仪器股份公司;HP6890/5975C GC-MS联用仪,美国安捷伦公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS,Stableflex(2cm)萃取头,SUPELCO。

1.4 试验方法

1.4.1 酵母分离纯化

称取样品10 g至装有灭菌玻璃珠的90 mL 无菌生理盐水(9 g/L)的三角瓶中,混匀,30 ℃、160 r/min振荡培养30 min备用。取上清液1 mL进行梯度稀释,取10-2,10-3,10-4,10-5浓度梯度稀释液200 μL于孟加拉红培养基上,用涂布棒涂布均匀,30 ℃倒置培养2 d,挑选具有典型酵母菌落形态特征的菌株在平板上划线纯化,再挑取单菌落进行斜面保存并编号,重复实验3次[16]。

1.4.2 产香酵母的筛选

将上述纯化筛选出的酵母菌株接入20 mL麦芽汁液体培养基,30 ℃、160 r/min扩培48 h,使得酵母菌达到108数量级,按4%接种量接入高粱小麦培养基,以不接种酵母菌株扩培液的高粱小麦培养基为空白对照,30 ℃发酵25 d,每24 h扣瓶1次,发酵结束进行感官评定[2],邀请10位专业品评人员在本课题组白酒专业品评室对发酵产物的酯、酸、酒味进行感官评定,各指标按照1~10数字评分,数值越大代表气味越强,最后取10组数据的平均值作为各菌株各指标的最终得分,筛选总体得分最高的菌株。

1.4.3 产香酵母鉴定

1.4.3.1 形态特征观察鉴定

将产香菌株分别接种于PDA琼脂培养基和孟加拉红琼脂培养基上,30 ℃倒置培养2 d,观察并记录菌落形状、颜色、透明度、边缘、质地情况等菌落特征。

1.4.3.2 镜检特征观察

在洁净载玻片上滴加1滴美蓝染液,用接种环涂布少许菌体涂均匀并盖上盖玻片,100倍油镜下观察细胞形态特征[16];同时将酵母接种于玉米粉琼脂培养基和麦氏培养基上,30 ℃倒置培养3 d,观察所筛选酵母菌假菌丝情况[17],30 ℃倒置培养7 d观察子囊孢子情况并分别记录酵母各项特征[18]。

1.4.3.3 生理生化特征鉴定

对产香酵母进行碳源同化实验、氮源同化实验、糖发酵实验、缺维生素实验、产类淀粉实验、脲酶实验,并参照《酵母菌的特征与鉴定手册》加以对比鉴定[13,19]。

1.4.3.4 分子鉴定

(1)酵母DNA提取:参照酵母DNA提取试剂盒(美国BIOMIGA公司)说明书进行DNA提取;

(2)26S rDNA D1/D2区域的PCR扩增[20]:PCR反应体系:Mix 12.5 μL,NL1 1 μL,NL4 1 μL,DNA模板2 μL,ddH2O 8.5 μL。引物对合成由上海立菲生物技术有限公司完成(引物序列:NL1(5′-GCATATCAATAAGCGGAGGAAA AG-3′)/NL4(5′-GGTCCGTGTTTCAAGACGG-3′)。

(3)PCR扩增程序:94 ℃ 5 min,94 ℃ 30 s,55 ℃ 45 s,72 ℃ 1 min,共35个循环,72 ℃ 10 min,1%琼脂糖电泳后在凝胶成像仪上确认目标产物有无及DNA提取效果,所得 PCR 产物经纯化送交上海立菲生物工程技术服务有限公司测序。

(4)将测序数据在GenBank数据库中进行同源序列搜索,选取同源性较高的相关菌株的26S rDNA D1/D2 区域序列作为参比对象[21];用MEGA5.05软件进行多序列比对,并用邻接法(Neighbor-Joining)构建系统发育树[22]。

1.4.4 产香酵母香味物质GC-MS分析[12]

将1.4.2筛出的产香酵母的香味物质及空白对照进行GC-MS分析,其中色谱柱为ZB-5MSI 5% Phenyl-95% Di Methylpolysiloxane (30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱;升温程序:柱温35 ℃(保留1 min),以4 ℃/min升温至135 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min升温至180 ℃,保持5 min;载气流量0.8 mL/min;分流比10∶1。样品预处理:取高粱小麦发酵样品20 g,置于固相微萃取仪采样瓶中,插入装有2cm-50/30μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纤维头的手动进样器,在80 ℃顶空萃取40 min;进样:快速移出萃取头并立即插入气相色谱仪进样口(温度250 ℃)中,热解析2 min,溶剂延迟时间2 min,扫描方式为全扫描。对总离子流图中的各峰经质谱计算机数据系统检索及核对Nist2005和Wiley275标准质谱图,确定挥发性化学成分,用峰面积归一化法测定各化学成分的相对质量分数。

2 结果与分析

2.1 酵母分离纯化

采用可培养方法,从该曲粉样品中共分离出12株菌,根据菌落形态的差别共归为5类,其菌落形态描述见表1。

表1 酱香型大曲中酵母菌落形态描述

2.2 产香酵母的筛选

将分离纯化的12株菌进行高粱小麦发酵,其感官评定结果如表2所示。结果表明,FBKL2.0094菌株总评分最高为18分,其中酯味的感官评分最高为9分,酸味6分,酒味3分,这与该发酵产物所呈现的浓郁果香味相吻合;FBKL2.0084、FBKL2.0085、FBKL2.0087、FBKL2.0089、FBKL2.0090、FBKL2.0093、FBKL2.0095 7株菌总评分均为16分,该7株菌的香味评定低于FBKL2.0094;FBKL2.0088和FBKL2.0092 2株菌的发酵产香最弱。FBKL2.0094菌株香味物质香味最浓,且以果香味为主,最终确定FBKL2.0094菌株为产香功能菌。

表2 酵母发酵产香感官评价

2.3 产香菌株FBKL2.0094的鉴定

筛选得到产香菌株实验室保藏编号为FBKL2.0094,在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCCM2015382。

2.3.1 FBKL2.0094酵母菌落形态描述

表3 FBKL2.0094酵母菌落形态描述

PDA培养基 孟加拉红培养基图1 FBKL2.0094酵母菌在两种培养基上菌落形态Fig.1 Morphology of yeasts colonies of FBKL2.0094 on two kinds of medium

2.3.2 镜检特征

对FBKL2.0094酵母菌进行显微镜镜检,其结果特征如下表4及图2所示。

表4 FBKL2.0094酵母显微形态

图2 FBKL2.0094酵母显微形态Fig.2 The microscopic morphological description of FBKL2.0094 yeast

2.3.3 生理生化实验

生理生化实验结果表明,FBKL2.0094酵母能够发酵葡萄糖、麦芽糖及蔗糖,不能发酵乳糖,不能利用棉子糖,但能利用木糖,不能利用硝酸钾,在缺维生素的培养基上不能生长,不能产生类淀粉,不能分解尿素。结合《酵母菌的特征与鉴定手册》及该菌的显微形态,该菌能产生子囊孢子和假菌丝,生殖方式为芽殖,可推测该菌与扣囊复膜酵母(Saccharomycopsisfibuligera)相似度较高。

2.3.4 分子鉴定

将FBKL2.0094酵母测序数据在GenBank数据库中进行同源序列搜索(BLAST search),系统发育树如图3。FBKL2.0094与扣囊复膜酵母(SaccharomycopsisfibuligeraJX645719)具有较高的同源性,相似度为100%。

图3 FBKL2.0094酵母系统发育树Fig.3 The phylogenetic tree of FBXL2.0094 yeast

结合以上试验,将该酵母鉴定为扣囊复膜酵母(Sacchaomycopsisfibuligera),该菌与扣囊拟内孢霉(Endomycopsisfibuligera)同物异名[23]。对酱香大曲中的酵母研究发现扣囊复膜酵母是酱香大曲中的优势酵母[7],茅台技术中心在茅台酒制曲发酵过程中微生物进行分离时分离到拟内孢霉[1,6]。从烧酒曲、清香型小曲酒醅中曾分离鉴定出[24-25]。利用高通量测序法对清香大曲酵母群落结构分析及利用DGGE技术对甜酒曲中酵母多样性进行分析结果皆表明扣囊复膜酵母是酒曲中的主要酵母类型[26-28]。

2.4 FBKL2.0094挥发性成分分析

FBKL2.0094进行高粱小麦发酵产香,结果表明该酵母香味物质呈现浓郁的果香味,香味浓郁且柔和,将该菌株发酵产物及对照经固相微萃取后进行GC-MS分析检测,得到各挥发性组分名称及相对百分含量,如图4所示。

注:对照为未接种酵母菌株的高粱小麦培养基的挥发性成分。图4 FBKL2.0094香味物质挥发性成分分析Fig.4 The volatile components analysis of FBKL2.0094 in solid-state fermentation

与对照相比,可看出FBKL2.0094挥发性香味成分中,醇类物质相对百分含量最高为53.42%,而对照中醇类物质相对百分含量仅为1.55%,这些醇类物质包括乙醇、丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、苯乙醇等共同赋予发酵产物酒香味和果香味。酯类物质的相对百分含量为41.50%,而对照中酯类物质相对百分含量仅为0.11%,其中检测到的酯类物质包括乙酸乙酯含量3.89%,表现出清灵、微带果香的酒香,乙酸异戊酯含量占到1.85%,表现出较强的新鲜果香,其它产物如丁酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯、丙酸正戊酯、辛酸乙酯、十六酸乙酯等也在不同程度上呈现出果香味。在对照中酮类、醛类、呋喃类及烷烃类物质相对百分含量略高于产香菌株,表明部分醛酮类物质反应生成醇类物质,呋喃类化合物感官特征主要伴有焦糖和水果气味,在发酵过程中,部分呋喃类化合物发生氧化、还原反应[2]。在对照中检测到烯类和酸类物质在产香菌株中未检测到,其中烯类物质经化学反应生成醇类物质,而酸类化合物在酒中既是重要呈味物质又是酯类化合物的前提物质[2],酸类物质和醇类物质经酯化反应生成大量酯类物质。扣囊复膜酵母能改善液态法酿造糯米酒口感淡寡的缺点,以增加酒体芳香类物质种类及含量[29]。在酱香大曲中分离到的扣囊复膜酵母具有产果香功能为酱香型白酒的风味有贡献作用。

3 结论

通过对酱香大曲产香酵母分离筛选及功能特性进行研究,采用可培养方法对酱香大曲酵母进行分离、鉴定,共筛选出12株酵母,用发酵高粱小麦培养基对酵母的产香功能进行初筛,通过感观评定确定1株主要产果香味的酵母菌株,鉴定为扣囊复膜酵母(Saccharomycopsisfibuligera)。对产香酵母发酵高粱小麦后挥发性成分进行GC-MS分析,该菌在高粱小麦上代谢产生大量醇类和酯类物质使醇类物质相对百分含量提高了51.87%;使酯类物质的相株对百分含量提高了41.39%,从而赋予发酵产物浓郁的果香味,最终得到1株具有产果香功能的酵母菌株。

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Isolation and identification of aroma-producing yeast in Moutai-flavorDaqu

LUO Xiao-ye1,2, QIU Shu-yi1,2, CHEN Mei-zhu1,3, LU An-mou4, WANG Xiao-dan1,2,3*

1(Guizhou Provincial Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biological Pharmacy,Guizhou University, Guiyang 550025,China) 2(School of Liquor and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China) 3(College of Life Sciences,Guizhou University,Guiyang 550025,China) 4(Zhong Xin Brewery Group Co. Ltd, Zunyi 564500,China)

Cultivable methods were used to isolate and identify the yeast from Moutai-flavorDaquand 12 yeast strains were selected. Sorghum medium was used to screen these yeast strains with aroma-producing ability and one strain producing strongest fruit flavor were screened out through sensory evaluation. By morphological observation, physiological and biochemical experiments and molecular biological analysis of 26S rDNA, this yeast strain was identified asSaccharomycopsisfibuligera. The flavor components of this aroma-producing yeast strain were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed the relative content of alcohols including ethanol, isobutanol, isoamyl alcohol, phenethyl alcohol etc increased by 51.87%, which gave rise to fruit flavor of fermented products. The relative percentage of esters including ethyl acetate and iso-amyl acetate increased by 41.39%, andresulted in Qing-Ling fruit flavor. Other products such as ethyl butyrate, 2-methylbutyl acetate, N-amyl propionate, ethyl caprylate and ethyl palmitate etc also showed fruit flavor at varying degrees.Minor amounts of phenols, ketones, aldehydes, alkanes and little undetermined constituents were also detected. Research on functional properties of the isolated yeast strains from Moutai-flavorDaqucould not only provide basic data and theoretical basis for further study on aroma mechanism, but also could further explore the role of yeast resources in Moutai-flavor liquor production.

Moutai-flavorDaqu;yeast;gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201612005

硕士研究生(王晓丹工程师为通讯作者,E-mail:wangxiaodan0516@126.com)。

贵州省重大专项项目(黔科合重大专项字[2013]6009号);贵州省省校合作计划项目黔科合LH字[2014]7672

2016-06-16,改回日期:2016-07-23

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