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Microbiological analysis on premature yeast flocculation of malt

引起啤酒酵母提前絮凝的麦芽微生物群落分析



全 文 :第9卷第5期
2011年9月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.9No.5
Sep.2011
doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2011.05.010
收稿日期:2011-05-20
基金项目:海洋公益性行业科研专项经费资助项目(20110502804)
作者简介:赵 丽(1986—),女,山东日照人,硕士研究生,研究方向:应用微生物;江晓路(联系人),教授,Email:jiangxl@ouc.edu.cn
引起啤酒酵母提前絮凝的麦芽微生物群落分析
赵 丽1,李 蓉2,江晓路1,林 艳2
(1.中国海洋大学 食品科学与工程学院,青岛 266001;2.青岛啤酒股份有限公司,青岛 266000)
摘 要:对具有酵母提前絮凝现象(PYF+)和标准麦芽(PYF-)2种类型的麦芽进行微生物分离纯化。根据微生
物形态学特征、生理生化特点以及对细菌的16SrRNA区域和真菌的 ITS区域分析,共分离得到15株菌种,细菌8
株,真菌7株。其中细菌中的成团泛菌、赫氏埃希菌及真菌中的大隐球酵母在 PYF+麦芽上数量分别达到76×
105、168×106和16×106个/g,显著高于PYF-麦芽,与啤酒酵母提前絮凝现象具有较大的相关性。
关键词:真菌;微生物;酵母提前絮凝
中图分类号:Q933    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2011)05-0048-05
Microbiologicalanalysisonprematureyeastflocculationofmalt
ZHAOLi1,LIRong2,JIANGXiaolu1,LINYan2
(1.ColegeofFoodScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266001,China;
2.TsingtaoBrewbryCompanyLimited,Qingdao266000,China)
Abstract:Themicroorganismwasisolatedfromtwokindsofbeermaltprematureyeastflocculation(PYF+,
PYF ).Basedonmorphologicalcharacteristics,16SrRNAgenesequencesforbacteria,ITSregiongene
sequencesforfungi,atotalof15strainswereidentified.Eightofthembelongedtothefamilyofbacteria,
therestoneswerealfungi.ThequantitiesofPantoeaagglomerans,EscherichiahermanniandCryptococ
cusmagnusonPYF+maltwere76×105,168×106and16×106CFU/g,respectively,theyweresig
nificantlyhigherthanthatofPYFmaltandrelevanttoprematureyeastflocculation.
Keywords:fungi;microorganism;prematureyeastfloculation
  啤酒发酵过程中酵母提前絮凝(prematureyeast
flocculation,PYF)现象是由于酵母在尚未利用完麦
汁中可发酵组分的情况下而发生大量絮凝所致,酵
母提前絮凝使发酵液中酵母浓度降低,影响发酵性
能及下游过滤工艺,导致成品啤酒的真浓度升高,
酒精含量降低,而且产生异味,妨碍了啤酒发酵的
正常进行,PYF麦芽对啤酒酿造有害无利[1]。van
Nierop等[2]研究发现麦芽皮壳成分与酵母的过早沉
降密切相关,酵母过早沉降的影响因子(PYFfactor)
存在于大麦皮壳中,是一种结构特殊、复合酶不能
水解的高相对分子质量多糖,呈酸性,其主要成分
是阿拉伯木聚糖和半纤维素,也包括一些酵母过早
沉降所必需的含氮物质(这种含氮物质对 PYF现象
的发生起着至关重要的作用),这些物质的生成使
麦芽可以更好地抵抗微生物侵袭。同时大麦因受
到微生物侵染也会诱发自身的某种或多种防卫反
应(包括过氧化物酶活力的增强,凝集素等小分子
质量抗菌物质的分泌)。由于附着在大麦表面的微
生物属微生物混合群体,微生物间相互竞争激烈,
并可产生抗菌因子,曾有人提取大麦表面的真菌分
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泌物,发现其的确可以促使酵母提前絮凝[3]。
  酵母提前絮凝具体由哪些分泌物质导致尚不
清楚[4],目前对酵母絮凝现象的研究大多是啤酒发
酵体系方面的优化调控,从微生物角度研究该现象
还比较缺乏。笔者通过对青岛啤酒股份有限公司
提供的具有酵母提前絮凝现象(PYF+)和标准麦芽
(PYF-)2种类型的麦芽表面微生物进行分离纯化,
并通过形态特征以及细菌的16SrRNA区域和真菌
的ITS区域对其进行鉴定分析,从微生物角度对酵
母提前絮凝现象的影响因素进行研究,以期为有效
控制酵母提前絮凝现象的发生提供理论参考。
1 材料与方法
11 材料
111 啤酒麦芽材料
  啤酒麦芽来自于青岛啤酒股份有限公司,1种
阴性麦芽为标准品(PYF值为100%),不发生酵母
提前絮凝现象;3种阳性麦芽:A、B、C,PYF值分别
为37%,33%,27%(PYF值的测定由青岛啤酒公司
完成)。
112 试剂
  085%生理盐水(自制),Chelex100(美国 Sig
ma公司),高纯度PCR模板提取纯化试剂盒(Roche
公司),10×TaqBufer、dNTPMix(各2mmol/L)、25
mmol/LMgCl2、5U/μLTaqDNA聚合酶、TAE电泳
缓冲液(上海生物工程公司)。
113 培养基
  牛肉膏蛋白胨琼脂培养基(g/L):牛肉膏3、蛋
白胨10、NaCl5、琼脂18。pH72~74,121℃灭菌
20min。
  马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)(g/L):马铃
薯200、葡萄糖20、琼脂18。121℃灭菌20min。
  孟加拉红培养基(g/L):蛋白胨5、葡萄糖10、
KH2PO41、无水MgSO405、孟加拉红0033、氯霉素
01、琼脂20。115℃灭菌30min。
12 方法
121 啤酒麦芽上微生物的分离纯化
  采用平板菌落计数法对微生物菌落进行计数。
  1)啤酒麦芽上细菌的分离纯化。
  分离纯化方法按照文献[5]中的实验5进行。
  2)啤酒麦芽上真菌的分离纯化。
  分别从上述试管中吸取100μL菌液涂布于孟
加拉红平板培养基上,每个稀释度设置 3个重复。
32℃恒温倒置培养48~72h,挑取平板上带有个体
特征差异的单菌落分别接种于 PDA培养基平板上
(酵母菌用划线法纯化,霉菌用三点法纯化),32℃
恒温倒置培养,待菌落长出后,检查其个体形态特
点是否一致,重复此步骤至纯化后转移至PDA培养
基斜面上,32℃恒温培养,4℃条件下保存。
122 生理生化特征和显微形态观察
  对细菌菌落形态及通过简单染色、革兰氏染色
对细菌细胞形态进行观察[5]。根据伯杰氏手册对
细菌进行生理生化分析。真菌通过观察菌落特征,
用棉兰染色液(又名甲基蓝)对菌丝进行染色[6-7],
制作菌丝压片,显微镜观察菌丝和孢子的形态结构
特征。
123 啤酒麦芽中微生物的分子生物学鉴定
  1)细菌菌种鉴定。
  细菌的DNA提取用高纯度PCR模板提取纯化
试剂盒,具体按说明书操作。
  PCR扩增:采用1对细菌通用引物,正向引物为
27F:5′AGAGTTTGATCCTGGCTCAG3′;反向引物为
1492R:5′GGCTACCTTGTTACGACTT3′。PCR反应
程序:94℃3min;94℃ 1min,56℃ 45s,72℃ 15
min;25个循环;72℃ 7min;4℃保存。PCR扩增产
物通过琼脂糖凝胶电泳检测纯度。
  2)真菌菌种鉴定。
  真菌基因组 DNA提取用 Chelex 100法[9],
取适量酵母菌斜面培养细胞或丝状真菌菌丝体置
于15mL离心管中,然后加入200μL5%(质量
分数)Chelex 100混匀,56℃水浴4h,旋涡振荡
混匀,沸水浴10min,旋涡振荡混匀,在 -20℃冰
冻5min,拿出再沸水浴10min,如此反复2~3次,
混匀后12000r/min离心5min,取上清液作为PCR
检测模板。
  PCR扩增:58SITS引物,由上海生工合成。
ITS1:5′CGTAACAAGGTTTCCGTAGG3′,ITS4:
5′TCCTCCGCTTATTGATATGC3′。PCR 反 应 程
序:94℃ 3min;94℃ 1min,55℃ 45s,72℃
1min;30个循环;72℃ 5min;4℃保存。PCR扩
增产物通过琼脂糖凝胶电泳检测纯度。所有 PCR
产物都由上海生工生物工程技术服务有限公司测
序。将序列结果提交 GenBank,通过 Blast比对测
序结果。
124 数据处理
  用 SPSS115分析处理数据。
94 第5期 赵 丽等:引起啤酒酵母提前絮凝的麦芽微生物群落分析
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2 结果与讨论
21 啤酒麦芽上细菌的分离与鉴定
  从4种啤酒麦芽上共分离到8株细菌,经形态
学特征,生理生化特点和16SrRNA区域鉴定:其中
5株为革兰氏阴性细菌(S2、S4、S5、S6、S7),3株为
革兰氏阳性菌(S1、S3、S8),且大多数为杆菌,结果
见表1。
表1 4种啤酒麦芽中获得的细菌鉴定结果
Table1 Resultsofbacteriaisolatedfrom4kindsofbeermalt
菌号 形态特征 生理生化特点 菌种名称
S1 黄色光滑不透明,边缘整齐,革兰氏阳性短杆菌
产黄色素,发酵葡萄糖产酸 Exiguobacteriumindicum
印度微小杆菌
S2 白色半透明,培养时间长变浅黄色,革兰氏阳性短杆菌
接触酶阳性,能分解酪素,可利用乳酸和苹
果酸
Curtobacteriumflaccumfaciens
萎蔫短小杆菌
S3 乳白色光滑不透明,边缘整齐,革兰氏阴性短杆菌
具有运动性,精氨酸双水解酶阴性,不能利
用D 葡萄糖产气,鸟氨酸脱羧酶阴性
Pantoeaagglomerans
成团泛菌
S4 白色透明,中间凸起小点,慢慢变微黄色,革兰氏阴性短杆菌
接触酶阳性,发酵葡萄糖不产酸,利用 L 组
氨酸,不利用β丙氨酸
Acinetobacterjuni
琼氏不动杆菌
S5 白色微带粉色,与培养基结合紧密,革兰氏阴性杆菌
氧化酶阴性,产生二羟基丙酮,水解酪朊,利
用甘油产酸产气
Paenibaciluspolymyxa
多粘类芽孢杆菌
S6 微乳白色,较薄平铺状,革兰氏阴性杆菌
具有运动性,不产黄单胞色素,氧化酶阴性,
接触酶阳性
Pseudomonassp.
假单胞菌
S7 浅黄色光滑不透明,边缘整齐,革兰氏阴性杆菌
产吲哚,具有运动性,不利用丙二酸,赖氨酸
脱羧酶阴性
Escherichiahermanni
赫氏埃希菌
S8 白色光滑菌落较小,边缘整齐,革兰氏阳性球菌
不产色素,发酵 D 甘露醇不产酸,发酵 D
甘露糖产酸
Staphylococcusepidermidis
表皮葡萄球菌
图1 不同细菌在4种麦芽试样上的分布
Fig.1 Distributionsofdiferentbacteria
on4kindsofbeermalt
22 4种啤酒麦芽上细菌类型和数量的分析
  为探讨不同细菌菌株的数量分布对麦芽酵母
絮凝现象的影响,对21中鉴定出的8株细菌在4
种麦芽试样上的分布情况进行了差异性分析,得出
结果如图1所示。由图1细菌群落 S1~S8的分布
可以看出:菌株S2、S3、S7、S8在阳性麦芽上的数量
显著性的多于阴性麦芽,尤其是 S7赫氏埃希菌和
S8表皮葡萄球菌在阴性标准品上无检出。PYF阳
性麦芽A、B、C的PYF值分别为37%、33%和27%,
发生不同程度的酵母提前絮凝现象,PYF值越低说
明絮凝现象越明显。由图1可以看出:随着 PYF值
的降低,菌株S3、S7的数量不断增加,说明这2株细
菌与PYF现象的发生具有一定的相关性。
  S3为成团泛菌(Pagglomerans)、S7为赫氏埃
希菌(Ehermanni)都是有产酸能力的菌,因此在啤
酒发酵过程中会利用葡萄糖或麦芽糖产酸,从而使
发酵体系酸性增大,pH降低。张博润等[9]研究发
现啤酒酵母FLO1型菌株随着发酵体系的pH降低,
酵母的絮凝现象越明显。Medrano等[10]研究发现过
成团泛菌(Pagglomerans)引起棉花细菌性烂铃病。
姚良同等[11]发现赫氏埃希菌(Ehermanni)是一种
在低温条件下能够快速腐熟玉米秸秆的兼性厌氧
菌,对谷物有一定的败坏作用,而在谷物腐熟的过
程中大麦会产生抵抗性,分泌一些胞外代谢产物以
及一些多糖类物质可导致酵母絮凝。
  S5多黏类芽孢杆菌(Ppolymyxa)和 S6假单胞
菌(Pseudomonassp)只少量存在于标准麦芽上,而
在阳性麦芽上未检出。S5多黏类芽孢杆菌(Ppol
ymyxa)对人或动植物没有致病性,此类菌株可产生
05 生 物 加 工 过 程   第9卷 
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多种生物活性物质,如抗生素、拮抗蛋白、植物激
素、酶等,这些活性物质在抵抗酵母提前絮凝方面
起着重要作用,并且在植物病害防治以及人和动物
疾病治疗方面也有很好的应用[12]。S6假单孢杆菌
在生物修复、生物转化方面有重要作用,它能将大
分子化合物转化成低分子化合物,因此能有效防止
酵母絮凝。
23 啤酒麦芽上真菌的分离与鉴定
  通过孟加拉红培养基分离和PDA培养基纯化,
从4种啤酒麦芽中共分离到7株真菌。对其形态学
特征和ITS区序列分析可知:野生酵母1株,其他6
株真菌均为霉菌(表2)。
表2 4种啤酒麦芽中获得的真菌鉴定结果
Table2 Resultsoffungiisolatedfrom4kindsofbeermalt
菌号 菌落、菌丝和孢子形态 菌种名称
S11 虎红培养基上粉红色,在 PDA上乳白黏稠饱满,表面边缘光滑整齐,D=05~2mm
Cryptococcusmagnus
大隐球酵母
S12 菌落虎红上由白变粉红,PDA板上呈白色,中间凸起光滑,边缘放射状,具有酵母菌和霉菌的多重形态,D=2~3mm,长期放置产生黑色色素
Aureobasidiumpululan
出芽短梗霉
S13
PDA培养基上菌落起初表面黄色粉状,变黄绿再变绿色,D=3~5cm。分生孢子
梗长而直,次级分枝伸出后朝主枝弯曲,上部次级分枝短,基部次级分枝较长,形
成穗状,终极瓶梗基部不溢缩,其下着生许多间生瓶梗,分生孢子光滑,呈倒椭
圆形
Trichodermalongibrachiatum
长梗木霉
S14 PDA培养基上菌落大白色长绒毛状,绒不规则生长旺盛,毛终端有黑点,D=1~5cm,根状菌丝较粗,孢子卵圆形
Rhizopusoryzae
米根霉
S15 PDA培养基上菌落粉状黄绿色,底部有白色绒毛,D≈3cm,分生孢子梗较粗糙,顶囊呈球形,分生孢子球形,在小梗上呈链状着生,周围有小突起
Aspergilusflavus
黄曲霉
S16 PDA培养基上青绿色,直径小,D≈1cm,表面短茸毛边缘略有白毛,较厚。菌丝少,分生孢子梗直立,稍弯曲分生孢子侧生呈长椭圆形,无夹膈
Cladosporiumtenuisimum
芽枝孢菌
S17
PDA培养基上菌落底部长白色绒毛有分支,上层黑绿色绒毛(D=4~5cm)。菌丝
细长有分枝。分生孢子梗短,颜色深无分枝,顶生分生孢子。分生孢子串生,灰绿
色大且有横隔膜,呈砖格状,椭圆形有长喙。孢子越成熟夹膈越多
Alternariatenuisima
极细链格孢菌
图2 不同真菌在4种麦芽试样上的分布
Fig.2 Distributionsofdiferentfungion
4kindsofbeermalt
24 4种啤酒麦芽上真菌类型和数量的分析
  真菌的数量分布状况也是影响絮凝现象的重
要因素,通过对23中鉴定出的7株真菌在4种麦
芽试样上的分布情况进行差异性分析,得出的结果
如图2所示。由图2中S11~S17的分布看出:大隐
球酵母(Cmagnus)在阴阳性麦芽上分布有显著差
异,阳性麦芽上的数量明显多于标准麦芽试样。van
derAar等[13]研究发现:当发酵液中细胞密度增大
时,增大了细胞间的接触频率,有利于絮凝现象的
发生。一般情况下当细胞密度大于 2×107个/mL
时就有可能发生絮凝现象。野生酵母的大量存在
会影响啤酒酵母的发酵过程。阳性麦芽 A上还检
出大量的出芽短梗霉(Apululan),它能分泌出1种
黏性多糖(短梗霉多糖),该多糖具有极佳的成膜
性、成纤维性、阻氧性、可塑性、黏结性及易自然降
解等独特的理化和生物学特性[14],附着在啤酒酵母
的表面会增加酵母的聚集而对酵母絮凝产生较大
的影响。另外阳性麦芽上还存在少量的丝状真菌
长梗木霉、米根霉、黄曲霉等菌,这些菌也是产生酵
母提前絮凝的可能因素之一。
  综合图1和图2分析可以发现:阳性麦芽A、B、
C上的微生物(包括细菌和真菌)总数均大于阴性
标准品麦芽的微生物总数,其中阳性麦芽C(PYF值
27%)上的菌落总数是标准品(PYF值100%)上的
6倍。Kempers等[15]研究发现,培养基中营养匮乏
15 第5期 赵 丽等:引起啤酒酵母提前絮凝的麦芽微生物群落分析
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是诱发絮凝的重要因素。笔者的实验结果说明,麦
芽表面的微生物数量与酵母提前絮凝现象的发生
有较大的相关性。
3 结语
  从微生物种群角度对酵母提前絮凝现象进行
了分析和研究,对具有酵母超前絮凝现象(PYF+)
和标准麦芽(PYF )两种类型的麦芽进行微生物分
离纯化。结合形态学特征、生理生化特点以及对细
菌的16SrRNA区域和真菌的ITS区域分析,共分离
得到细菌8株、真菌7株。其中细菌中的成团泛菌
(Pantoeaagglomerans)、赫氏埃希菌(Escherichiaher
manni),真菌中的大隐球酵母(Cryptococcusmag
nus)与啤酒酵母絮凝具有较大的相关性。本文可为
进一步研究酵母絮凝机制和有效的控制酵母超前
絮凝现象的发生,提高啤酒加工质量提供一定的理
论参考。
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櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
256.
国外动态
科学家发现与肌肉耐力有关基因
世界冠军能在两个多小时里跑完马拉松全程,而普通人绕操场跑几圈就会吃不消,为何会有这么大差
异?美国宾夕法尼亚大学的一个研究小组发现了一个与肌肉耐力有关的基因———IL 15Rα(白细胞介素
15受体阿尔法)。缺少这种基因的实验鼠,能不知疲倦地每天晚上在转笼里跑好几个小时。相关研究结果
发表于《临床检查期刊》(TheJournalofClinicalInvestigation,JCI)。它制造的蛋白质曾被发现与肌肉收缩有
关,但此前还没有在活的动物身上对这一基因进行研究。研究人员对实验鼠进行基因改造,使其缺失这个
基因,结果这些实验鼠每天晚上在转笼里跑动的路程是普通鼠的6倍多。缺少这一基因的实验鼠的肌肉里
有更多的线粒体和肌肉纤维,比较不容易疲劳。研究显示,缺少这一基因使得实验鼠腿部的肌肉特性有变
化,包括收缩性能、对能量的利用方式等。
(胡晓丽)
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