蘋果酒酵母 BAT2 基因和支鏈氨基酸代謝對(duì)香氣形成的影響
第一章 文獻(xiàn)綜述
1.1.1 蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題
我國(guó)是世界上盛產(chǎn)蘋果的國(guó)家,蘋果品種多,產(chǎn)量大。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(如圖 1-1),2003-2013 年間,我國(guó)的蘋果產(chǎn)量和蘋果種植面積均呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),2013 年產(chǎn)量已達(dá) 3968.26 萬(wàn)噸。在蘋果產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和推動(dòng)農(nóng)民增收的同時(shí),市場(chǎng)銷售壓力劇增。
蘋果作為一個(gè)世界性生產(chǎn)和消費(fèi)的水果,許多發(fā)達(dá)國(guó)家多年發(fā)展蘋果產(chǎn)業(yè)的成熟經(jīng)驗(yàn)可供我國(guó)借鑒。蘋果加工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)減少了蘋果汁這種初級(jí)的加工方式,除了鮮食之外主要加工為蘋果酒、蘋果醋以及蘋果白蘭地(Watson 2013)。蘋果酒是以純蘋果汁為原料發(fā)酵而成的飲料酒,多為微發(fā)酵酒,是果汁與酒的過(guò)度產(chǎn)品,既具有果汁的風(fēng)味,又具有酒的芳香,既可將大量非商品蘋果轉(zhuǎn)化增值,又可滿足人們的消費(fèi)需求,符合飲料酒的未來(lái)發(fā)展方向。另外,果酒消費(fèi)將逐漸成為我國(guó)酒類消費(fèi)的主體,國(guó)家在宏觀產(chǎn)業(yè)政策上也制定了“糧食酒向水果酒轉(zhuǎn)變”的發(fā)展策略,這為蘋果酒的發(fā)展提供了契機(jī)(王娟和徐桂花 2006)。
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1.2.1 專用蘋果酒發(fā)酵菌種缺少
酵母菌種的發(fā)酵性能是否良好直接影響蘋果酒的品質(zhì)。目前,國(guó)內(nèi)外用于生產(chǎn)蘋果酒的酵母多為葡萄酒酵母或從自然界分離的酵母菌,這 2 類酵母菌均不同程度地存在著釀酒風(fēng)味較差、出酒率低、酒體及品質(zhì)穩(wěn)定性差等弊端(宋安東和吳云漢 2002)。我國(guó)蘋果酒生產(chǎn)中所采用的酵母多為葡萄糖用酵母,這種酵母是針對(duì)葡萄及葡萄酒生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的,由于蘋果汁與葡萄汁的成分差別很大,該酵母并不適合蘋果酒釀造。以氨基酸成分為例,Spayd and Andersen-Bagge(1996)測(cè)定葡萄汁中游離的精氨酸和脯氨酸含量最高,王麗( 2007 ) 測(cè)定蘋果汁中游離的絲氨酸和天冬氨酸含量最高(如圖 1-3 所示)。1907年,Ehrlich 發(fā)現(xiàn)氨基酸是一些重要酒體香氣成分的前體。因此,發(fā)酵基質(zhì)中氨基酸的組成對(duì)發(fā)酵酒體的揮發(fā)性香氣成分具有重要的作用。葡萄酒釀造酵母在蘋果酒生產(chǎn)工藝中的表現(xiàn)并不理想,其主要原因可能就是葡萄汁中的氨基酸組成與蘋果汁中的氨基酸組成不同。另外,碳水化合物組成也存在較大的差別。如表 1-2 所示,蘋果與葡萄中的可發(fā)酵性糖的比率幾乎相差一倍左右。因此,需要針對(duì)蘋果的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)高效的發(fā)酵菌種(王娟和徐桂花 2006)。
1.2.2 缺少蘋果酒釀造專用蘋果品種
蘋果酒的品質(zhì)好壞與蘋果的品種有著直接的關(guān)系,蘋果酒的質(zhì)量取決于其糖、酒度、酸、酚類、香氣等物質(zhì)的種類和含量(李記明等 2007),蘋果品種糖酸比及主要香氣成分前體含量與風(fēng)味品質(zhì)之間直接相關(guān)(王海波等 2007),而我國(guó)目前的蘋果品種主要為鮮食型,尚沒(méi)有釀酒專用蘋果,這在很大程度上制約了我國(guó)蘋果酒的發(fā)展(王娟和徐桂花等2006; 吳榮榮等 2010; 于愛(ài)梅等 2006)。
1.2.3 蘋果酒風(fēng)味調(diào)控研究滯后
針對(duì)前面所列的問(wèn)題,一方面要選擇適應(yīng)性和產(chǎn)香性能好的菌株,另一方面還需要研究蘋果原料成分調(diào)節(jié)機(jī)制和酵母細(xì)胞基因調(diào)控機(jī)理來(lái)改善蘋果酒風(fēng)味,這樣既解決了蘋果原料品種多樣性所引起的香氣前體物質(zhì)含量不同這一問(wèn)題,又可以通過(guò)基因工程調(diào)控蘋果酒的香氣和風(fēng)味物形成。而我國(guó)在這方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。因此,要適應(yīng)我國(guó)蘋果品種多樣性局面,提升我國(guó)蘋果酒加工業(yè)的發(fā)展水平,我們就需要著重研究蘋果原料成分調(diào)節(jié)機(jī)制和酵母細(xì)胞基因調(diào)控機(jī)理對(duì)蘋果酒風(fēng)味的影響。
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第二章 蘋果酒酵母 BAT2 基因敲除
本章以西北農(nóng)林科技大學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室通篩選和保存的產(chǎn)香濃郁的蘋果酒酵母38 號(hào)菌為出發(fā)菌株,通過(guò)兩種基因敲除技術(shù)敲除其 BAT2 基因,獲得 38 號(hào)蘋果酒酵母的 BAT2 基因缺失菌株 38( BAT2),為后續(xù)研究 BAT2 基因?qū)α涟彼岷彤惲涟彼岽x的影響奠定基礎(chǔ)。
2.1.1 菌株和質(zhì)粒
質(zhì)粒:pUG6為基因敲除載體(如圖2-2),帶有卡那霉素抗性基因,在細(xì)菌中對(duì)氨芐青霉素( Amp )有抗性,,在酵母細(xì)胞中對(duì)遺傳霉素( G418 )有抗性,購(gòu)自中國(guó)質(zhì)粒載體菌株細(xì)胞株基因保藏中心;pMD 19-T Vector 購(gòu)自Takara公司,用于基因克隆和測(cè)序。菌株:蘋果酒酵母38號(hào)菌和大腸桿菌DH5α (用于基因克隆操作),由本實(shí)驗(yàn)室保藏。
2.1.2 工具酶和試劑
(1)1.5× CTAB:稱取1.5g CTAB,加入1.0M的Tris-HCl ( pH8.0 ) 75mL ,0.5M EDTA30mL,再加入61.4g NaCl,用去離子水定容到100mL,于121℃,20min高壓滅菌備用。(2)50× TAE:Tris 121g,冰乙酸28mL,0.05mol/L Na2EDTA ( pH=8.0 ) 50mL 混合后,用去離子水定容至500mL貯存?zhèn)溆茫?× TAE:取50×TAE貯存液10mL,加蒸餾水定容至500mL。(3)EB的配制( 10mg/mL ):稱取10mg EB,加500μL無(wú)菌水使之完全溶解,再定容至1mL,避光保存。(4)10× TE( pH=7.5 ):取1mL1M Tris-HCl ( pH=8.0 ),200μL 0.5MEDTA( pH=8.0 ),用去離子水定容至100mL,121℃,20min高壓滅菌備用。(5)1M LiOAc:稱取10.2g 二水合乙酸鋰,加入5mL去離子水使之完全溶解后,再定容至10mL,121℃,20min高壓滅菌備用。(6)10× LiOAc ( pH=7.5 ):稱取10.2g 二水合乙酸鋰,加入5mL去離子水使之完全溶解后,用稀乙酸調(diào)節(jié)pH至7.5,再定容至10mL,用0.22μm濾頭過(guò)濾除菌。(7)50% PEG4000:稱取25g PEG4000,加入10mL去離子水使之完全溶解后,再定容至50mL,過(guò)濾除菌。(8)40% PEG4000:按50% PEG4000:10×TE ( pH=7.5 ):10×LiOAc ( pH=7.5 ) =8:1:1的比例配制。(9)X-gal ( 20mg/mL ):稱取0.02g X-gal,用DMF定容到1mL,用鋁箔封裹,貯存于- 20℃。(10)IPTG ( 200mg/mL ):在0.8mL蒸餾水中溶解0.2g IPTG后,用蒸餾水定容至1mL,用0.22μm濾頭過(guò)濾除菌,貯存于-20℃。(11)蝸牛酶( 20mg/mL ):稱取1g蝸牛酶,用去離子水定容至50mL,用0.22μm濾頭過(guò)濾除菌。
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2.2.1 蘋果酒酵母38號(hào)菌株BAT2基因克隆、測(cè)序
2.2.1.1 蘋果酒酵母38號(hào)菌株基因組總DNA的提取
將實(shí)驗(yàn)室篩選保藏的38號(hào)菌,活化后,使用YPD固體培養(yǎng)基進(jìn)行平板劃線,分離得到釀酒酵母38號(hào)單菌落,用接種環(huán)挑取單菌落接種于YPD液體培養(yǎng)基,28℃、120rpm過(guò)夜培養(yǎng),用OMEGA公司的酵母DNA提取試劑盒進(jìn)行DNA提取,具體按其操作說(shuō)明書進(jìn)行。
2.2.1.2 蘋果酒酵母38號(hào)菌株BAT2基因的克隆及其測(cè)序
以提取的釀酒酵母38號(hào)菌基因組DNA為模板,用Fw-NotI、Rv-NotI這一對(duì)特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增BAT2基因,F(xiàn)w-NotI、Rv-NotI結(jié)合的位置不在BAT2基因的開(kāi)放閱讀框架中,而在BAT2基因上下游1000bp的范圍內(nèi)。PCR反應(yīng)體系如表2-3。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋海?)預(yù)變性:94℃,2min;(2)變性:94℃,20s;(3)退火:55℃,20s;(4)延伸:72℃,1min;(5)從(2)到(4)共40個(gè)循環(huán);(6)延伸:72℃,10min。
在進(jìn)行38號(hào)酵母BAT2基因敲除之前,首先要獲得38號(hào)酵母的單倍體。酵母細(xì)胞一般是二倍體,往往有MAT α/MATα型、MAT a/MAT a 和MATα/MAT a三種交配型,從雙倍體酵母細(xì)胞獲得的單倍體細(xì)胞只能有MAT α或MAT a兩種。單倍體制備的具體步驟如下:
(1)將本實(shí)驗(yàn)室篩選斜面保存的38號(hào)蘋果酒酵母,于YPD固體斜面上培養(yǎng)48h進(jìn)行活化,活化兩次,然后接入產(chǎn)孢培養(yǎng)基(Macclary 培養(yǎng)基);于25℃培養(yǎng)3天;
(2)用顯微鏡觀察,在出現(xiàn)四分體時(shí),用接種環(huán)刮下適量菌體于無(wú)菌水中,于4000rpm,室溫離心5min,收集菌體;
(3)加入5mL無(wú)菌水洗滌,按上述條件離心收集菌體,再加入5mL0.5mg/mL的蝸牛酶( 貯存濃度為20mg/mL ),于37℃水浴20min,使孢子釋放;
(4)按同樣的條件離心收集酵母細(xì)胞,用2%的醋酸鉀重懸,在漩渦振蕩器上震蕩30s,于4000rpm,室溫離心5min,收集細(xì)胞;
(5)用5mPD液體培養(yǎng)基重懸菌體,在YPD平板上劃線,28℃培養(yǎng),挑取單菌落。
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3.1 材料與方法 ...................................................... 47
3.1.1 試劑與材料 ....................................................... 47
3.1.2 主要儀器 ........................................................ 47
第四章 BAT2 基因、異亮氨酸或亮氨酸添加量對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中香氣成分的影響........65
4.1 材料與方法 ....................................................... 65
4.1.1 材料與儀器 ...................................................... 65
4.1.2 試驗(yàn)方法 ................................................................ 66
第五章 異亮氨酸與亮氨酸添加及 BAT2 基因敲除對(duì)蘋果酒酵母支鏈轉(zhuǎn)氨酶活性的影響....116
5.1 材料與方法 ................................................................ 116
第六章 亮氨酸和異亮氨酸添加量及 BAT2 基因?qū)μO果酒酵母葡萄糖消耗量的影響
6.1.1 試劑及儀器
葡萄糖(分析純)購(gòu)于西隴化工股份有限公司;無(wú)水亞硫酸鈉(AR)購(gòu)自西安化學(xué)試劑廠;分析純的氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、重蒸酚購(gòu)于北京索萊寶科技有限公司;3,5-二硝基水楊酸(AR)(3,5-二硝基水楊酸)購(gòu)于上?曝S化學(xué)試劑有限公司。主要儀器為UV-1700型分光光度計(jì)(日本島津公司);HC-3018R型高速冷凍離心機(jī):安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司。DNS顯色試劑配制:稱取2.5g的3,5-二硝基水楊酸溶于少量水中,加入0.5g苯酚,再溶解0.075g亞硫酸鈉、2.5g氫氧化鈉和50g酒石酸鉀鈉,移入500mL容量瓶,定容至500mL,儲(chǔ)存于棕色瓶并放置在冰箱中待用。1mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)濃縮液:稱取大于0.1g的葡萄糖置于熱風(fēng)干燥箱98℃干燥至恒重,準(zhǔn)確稱取0.100g葡萄糖,用蒸餾水溶解并定容至 100mL。
6.1.2 試驗(yàn)方法
6.1.2.1 DNS法測(cè)定葡萄糖方法的優(yōu)化
(1)最佳吸收波長(zhǎng)、最佳DNS試劑用量及反應(yīng)時(shí)間、最佳加熱時(shí)間的確定
A、最佳吸收波長(zhǎng)確定:為了減少背景誤差,以葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液-水(空白)為對(duì)照,除了對(duì)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液-DNS試劑進(jìn)行全波掃描外還對(duì)DNS試劑-水(空白)也分別進(jìn)行全波掃描,綜合確定最佳波長(zhǎng)。
B、最佳DNS試劑用量及反應(yīng)時(shí)間:準(zhǔn)確加入0.5mL葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液于系列10mL試管中,分別加1.0、1.5、2.0、2.5mL的DNS試劑,沸水浴加熱8min,流水冷卻、定容。以水代替葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液作參比,在前面確定的最佳波長(zhǎng)下測(cè)定不同顯色時(shí)間:20、35、50、65、80、95min時(shí)的吸光度。
C、最佳加熱時(shí)間:取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液0.5mL于系列10mL試管中,分別加入DNS試劑XmL,置沸水浴中使之進(jìn)行2min、5min、8min、11min、14min反應(yīng)后取出,流水冷卻,定容。以相同條件下不加葡萄糖標(biāo)液作空白參比。在前面確定的最佳波長(zhǎng)下測(cè)不同加熱時(shí)間時(shí)溶液的吸光度。確定出最佳的加熱時(shí)間。
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第七章 結(jié)論與展望
本研究以實(shí)驗(yàn)室保存的一株蘋果酒酵母 38 號(hào)為原始菌株,敲除了其 BAT2 基因獲得了 38( BAT2)基因工程菌株。以這兩株菌為發(fā)酵菌,以添加 0.5M 和 1.0M 異亮氨酸或亮氨酸作為中心氮源進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn),通過(guò) RP-HPLC 法分析了發(fā)酵 72h 內(nèi)異亮氨酸或亮氨酸的消耗狀況,通過(guò) HS-SPME-GC-MS 法同步分析了氨基酸主要分解階段的揮發(fā)性香氣物質(zhì)的變化規(guī)律,并運(yùn)用 MM2 力場(chǎng)分析其中的關(guān)聯(lián)代謝產(chǎn)物的代謝路徑能量平衡和潛在方向,以 2,4-二硝基苯肼比色法分析了該階段的轉(zhuǎn)氨酶(BCAT)酶活,通過(guò)DNS 法分析了發(fā)酵 72h 內(nèi)葡萄糖的消耗狀況,通過(guò)對(duì)這些過(guò)程相關(guān)證據(jù)和變化規(guī)律進(jìn)行分析得到以下結(jié)論。
(1)添加異亮氨酸或亮氨酸的 98%均被消耗在 12h 內(nèi),添加氨基酸的消耗速率與其添加初濃度成正比,表明氨基酸代謝有其信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)運(yùn)體系。
(2)BAT2 基因的缺失導(dǎo)致 38( BAT2)菌株對(duì)異亮氨酸與亮氨酸的消耗速率低于原出發(fā)菌株 38 號(hào),方差分析結(jié)果表明兩種菌對(duì)添加氨基酸的消耗速率差異不顯著,表明染色體的 BAT2 基因不是氨基酸消耗的主要調(diào)控基因,線粒體可能是氨基酸消耗的主要場(chǎng)所。
(3)GC-MS 同步分析異亮氨酸或亮氨酸消耗主要時(shí)間點(diǎn)發(fā)酵產(chǎn)物的結(jié)果表明添加異亮氨酸和亮氨酸發(fā)酵液中分別有 35 種和 33 種揮發(fā)性香氣物質(zhì),BAT2 基因與異亮氨酸或亮氨酸聯(lián)合協(xié)同調(diào)控一些代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。首先,兩類發(fā)酵產(chǎn)物在物質(zhì)種類上的區(qū)別是異亮氨酸分解依次產(chǎn)生了 2-甲基丁醛、2-甲基丁醇以及乙酸 2-甲基丁酯;亮氨酸分解依次產(chǎn)生了 3-甲基丁醛、3 甲基丁醇以及乙酸 3-甲基丁酯。其中乙酸 2-甲基丁酯是以前沒(méi)有報(bào)道過(guò)的。第二,添加兩種氨基酸的 12h 發(fā)酵產(chǎn)物中 2-甲基 1-丙醇產(chǎn)量均與氨基酸添加量呈正相關(guān)增加。第三,添加 Ile 或 Leu 的代謝產(chǎn)物的一個(gè)共同特點(diǎn)是香氣物質(zhì)中有許多關(guān)聯(lián)代謝產(chǎn)物如 C8(辛醛、辛醇、辛酸、辛酸乙酯)、C9(壬醛和壬醇)、C10(癸醛、癸酸和癸酸乙酯)、C12(十二醛、十二醇和十二酸)、C14(十四醇、十四酸乙酯、十四酸異丙酯)、C16(十六醇、十六酸甲酯、十六酸乙酯和十六酸異丙酯)等,各代表一個(gè)完整的氧化還原平衡和能量平衡,其中醛轉(zhuǎn)化為酸和醇為必然的氧化還原平衡并維持NAD+/NADH 的平衡,醇或酸再轉(zhuǎn)化為酯的過(guò)程是一個(gè)儲(chǔ)藏能量并進(jìn)行能量平衡的過(guò)程。第四,谷氨酰胺是酵母細(xì)胞代謝大量氨基酸時(shí)脫氨的產(chǎn)物。
(4)BAT2 基因缺失時(shí),酵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)氨酶活性必然降低,但降低不顯著,這表明BAT2 基因不是氨基酸消耗的主要調(diào)控基因。
(5)與 Control 組相比,異亮氨酸或亮氨酸的添加均延緩了培養(yǎng)基中葡萄糖的消耗,達(dá)到殘?zhí)菨舛鹊臅r(shí)間均推遲了大約 24h。
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參考文獻(xiàn)(略)
本文編號(hào):42418
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