肖冬光
(天津科技大學生物工程學院,天津 300457)
酯類物質廣泛存在于自然界的花果中,大多呈現出讓人愉悅的芬芳香味。在白酒中,酯類物質是放香的主體,其含量和量比關系決定著酒的風格和質量。同時,有些酯類物質還是白酒中含量較高的有益健康成分,如乙酸乙酯可以排除酒中對人體有副作用的物質,加速人體的新陳代謝,降低過度飲酒對人體造成的傷害;乳酸乙酯可以促進乙醇刺激大腦皮層的作用,使人興奮;己酸乙酯能起到降低肺火,穩(wěn)定心肺的作用;庚酸乙酯、亞麻酸乙酯、亞油酸乙酯等高級脂肪酸酯在人體內水解后生成脂肪酸,可抑制膽固醇合成,提高腦細胞活性。
白酒中的風味物質包括酸、酯、醇、醛(酮)及其他一些微量組分,在眾多的風味物質中,酯類物質所占比例最大,占總風味物質含量的30 %~70 %。目前為止白酒中已發(fā)現的酯類物質有700余種,其中乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯和己酸乙酯被稱為白酒四大酯,含量占酯類物質總量的90 %以上。四大酯的含量及其量比關系是決定白酒香型和品質的重要因素,如濃香型白酒要求四大酯的含量己酸乙酯>乙酸乙酯>乳酸乙酯>丁酸乙酯;清香型白酒中乙酸乙酯和乳酸乙酯的比例應在1∶0.6~0.8之間;老白干香型白酒的“乳/乙”比要求≥0.8;醬香型白酒中乙酸乙酯和乳酸乙酯的比例大多在30 %~40 %之間,己酸乙酯10 %左右,丁酸乙酯占5 %左右;米香型白酒中含量最高的是乳酸乙酯,其次是乙酸乙酯,其他酯類物質含量在總酯含量的5%以內。
酯類物質是有機酸與醇類在分子間脫水而生成的一類化合物,白酒釀造過程中酯類物質的形成途徑主要有三條:一是由白酒釀造過程中相關微生物的代謝反應生成,包括不同微生物之間的相互作用;二是由酒曲中的酯化酶(脂肪酶)催化有機酸與醇類合成相應的酯類物質;三是游離的酸、醇分子通過化學反應合成相應酯類物質,但化學反應在常溫條件下反應時間較長,主要體現在白酒發(fā)酵后期以及貯存過程中。
白酒發(fā)酵過程中,存在多種代謝產酯的微生物,包括酵母菌、霉菌、細菌等,酵母菌是主要的產酯微生物。白酒中的酯類物質主要分為兩類,即乙酸酯和乙基酯,乙酸酯是乙酸與其他醇類發(fā)生酯化反應生成的酯,通式是CHCOOR;乙基酯是乙醇和脂肪酸縮合酯化得到的產物,通式為RCOOCH。
酵母菌酯類物質形成途徑見圖1。就乙酸酯的合成而言,先由丙酮酸脫羧為乙醛,再氧化為乙酸,并在轉?;缸饔孟律梢阴]o酶A,或由丙酮酸氧化脫羧為乙酰輔酶A,乙酰輔酶A 在醇酰基轉移酶(alcohol acyltransferase,AATase)的作用下與醇合成乙酸酯。在酵母細胞中,醇?;D移酶在乙酸酯的生物催化合成中發(fā)揮了重要的作用。該酶催化醇類和乙酰輔酶A 生成的乙酸酯,是酵母菌合成乙酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯等乙酸酯類的關鍵酶。目前報道的酵母菌醇?;D移酶的基因包括ATF1、ATF2、Lg-ATF1、EHT1、EAT1 和EEB1,催化乙酸酯合成的主要是ATF1、ATF2 和Lg-ATF1。Verstrepen 等過量表達或敲除釀酒酵母中ATF1、ATF2 和Lg-ATF 基因,結果表明,ATF1 和ATF2 對乙酸乙酯合成的影響較大;Lilly 等分別過量表達釀酒酵母中ATF1、ATF2 和EHT1,結果發(fā)現,ATF1 對乙酸乙酯合成的影響最大,其次是ATF2,EHT1 主要影響己酸乙酯含量。本研究室通過同源重組技術構建過表達醇乙?;D移酶編碼基因ATF1,同時敲除酯水解酶編碼基因IAH1,獲得了高產乙酸酯的釀酒酵母重組菌株,與親本菌株相比,重組菌株乙酸乙酯生成量提高到1303.2 mg/L,為親本的43.4 倍,乙酸異丁酯和乙酸異戊酯生成量分別提高到10.3 mg/L和80.3 mg/L。
圖1 酵母菌酯類物質合成途徑
對于乙基酯,酵母菌在生物合成相應酯的過程中脂肪酸先與輔酶A 結合形成相應的脂酰輔酶A,乙醇和脂酰輔酶A 在醇酰基轉移酶的作用下生成相應的酯類物質。Saerens 等報道了醇?;D移酶EHT1 和EEB1 是釀酒酵母中鏈脂肪酸酯合成的關鍵基因,催化酯?;o酶A 和乙醇合成脂肪酸乙酯(乙基酯)。近年來,陸續(xù)有EHT1 和EEB1 基因在釀酒酵母菌株中克隆的報道,Lilly 等報道了釀酒酵母EHT1 基因的過量表達使己酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯等酯類的產量增長;Saerens 等報道了釀酒酵母發(fā)酵過程中外界參數對EHT1 基因表達水平的影響;李鋒等對釀酒酵母醇己酰基轉移酶基因EHT1 進行過表達,己酸乙酯的產量提高至原菌種的2.21 倍,辛酸乙酯和癸酸乙酯也分別提高了31.4%和49.1%。
除乙酰輔酶A 外,酵母菌在白酒發(fā)酵過程中很少生成其他脂酰輔酶A,所以酵母菌發(fā)酵過程合成的主要是乙酸酯,包括乙酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸異丁酯等,且乙酸乙酯占比達90 %以上。酵母醇酰基轉移酶途徑為白酒釀造中乙酸酯合成的主要途徑,產酯能力強的酵母有漢遜酵母、畢赤酵母(東方伊薩酵母)、假絲酵母、球擬酵母、酒香酵母、白地霉等。釀酒酵母具有相同的酯類物質合成途徑,但普通釀酒酵母的產酯能力較低,采用現代生物技術強化醇?;D移酶途徑即可獲得高產酯能力的釀酒酵母菌株。
酵母菌的酒精發(fā)酵和產酯與很多因素有關,包括發(fā)酵培養(yǎng)基、溫度、pH 值、供氧情況等。近年來,許多研究者從酒曲、酒醅及釀造環(huán)境中篩選具有自身特征的產酯酵母,將其應用于白酒生產中,對提高白酒中的酯含量和風味品質起到了較好的效果。不同酵母菌發(fā)酵特性差別很大,合適的產酯條件也各不相同,邢爽等研究了不同發(fā)酵條件對卡特多菲畢赤酵母、克魯斯假絲酵母、漢遜酵母、球擬酵母和高產酯釀酒酵母(重組菌)酒精發(fā)酵和產酯的影響,主要結論如下:
(1)在酵母菌乙基酯的合成過程中,從丙酮酸至乙酰輔酶A 需要供氧,因此有氧環(huán)境利于酵母菌酯的合成,供氧不足對產酯酵母的酒精發(fā)酵和產酯影響最大,對酒精發(fā)酵影響最大的是克魯斯假絲酵母,其次是卡特多菲畢赤酵母和球擬酵母,最后是漢遜酵母;對產酯影響最大的是漢遜酵母,其次是卡特多菲畢赤酵母和球擬酵母,最后是克魯斯假絲酵母;對高產酯釀酒酵母的酒精發(fā)酵和產酯影響不明顯。
(2)pH 值對卡特多菲畢赤酵母、克魯斯假絲酵母、漢遜酵母和球擬酵母的酒精發(fā)酵和產酯有一定影響,對釀酒酵母的影響相對較小,卡特多菲畢赤酵母的最適產酒pH5.0,克魯斯假絲酵母和球擬酵母最適產酒pH4.0,漢遜酵母最適產酒pH6.0~7.0,上述4 種產酯酵母的最適產酯pH 值均為6.7,高產酯釀酒酵母的最適pH6.0~7.0。
(3)溫度低于28 ℃時球擬酵母、卡特多菲畢赤酵母、漢遜酵母和克魯斯假絲酵母發(fā)酵酒度下降,對高產酯釀酒酵母無明顯影響;溫度對各種酵母的產酯有顯著影響,卡特多菲畢赤酵母的最適產酯溫度為20 ℃,克魯斯假絲酵母、球擬酵母和高產酯釀酒酵母為24 ℃,漢遜酵母為28 ℃。
眾所周知,白酒發(fā)酵過程是在厭氧和低pH 環(huán)境下進行的,耗氧的漢遜酵母、假絲酵母、畢赤酵母等是白酒生產中常用的產酯酵母,直接入池發(fā)酵對大曲酒的增酯效果不一定明顯。如果將這些酵母在池外單獨培養(yǎng),在適合酵母產酯條件下制備成酯化液或固態(tài)香醅,再入池發(fā)酵或與池內酒醅混蒸,可有效提高成品酒中的酯含量。對于小曲白酒、芝麻香型白酒、醬香型白酒,由于其生產工藝中有堆積培菌過程環(huán)節(jié),此過程是有氧的,如果在堆積培菌前接入這些產酯酵母與傳統(tǒng)糖化發(fā)酵劑協(xié)同糖化發(fā)酵,可明顯提高酯含量。高產酯釀酒酵母具有廣泛的適應性,其應用方式不受限制,既可池外培養(yǎng)后入池發(fā)酵,也可直接入池發(fā)酵。此外,大多數產酯酵母的適宜產酯溫度都在28 ℃以內,溫度高時產酯能力明顯下降。
酯化酶是催化合成低級脂肪酸酯的酶類的總稱,包括脂肪酶、酯合成酶和磷酸酯酶。在白酒釀造中,酵母菌和細菌都有產酯能力,但胞外酯化酶的產生菌主要是霉菌。白酒釀造中使用的各種酒曲都含有一定的酯化酶,其中大曲和麩曲的酯化酶活性較高,小曲的酯化酶活性相對較低。白酒釀造中酯類物質的酯化酶合成途徑見圖2,在酒曲中酯化酶的作用下,催化白酒發(fā)酵前期微生物代謝生成的酸類物質和醇類物質合成相應的酯類物質。醇類物質主要由酵母菌代謝生成,除乙醇外主要有正丙醇、異戊醇、異丁醇、正丁醇、仲丁醇、β-苯乙醇、2,3-丁二醇等;酸類物質主要由各類產酸細菌代謝生成,主要有乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、己酸等;6 個碳原子以上的中、高級脂肪酸主要來源于釀酒原料。
圖2 白酒釀造中酯類物質的酯化酶合成途徑
大曲中的紅曲霉、白地霉、根霉、曲霉和毛霉等微生物均具有酯化能力,不同酒曲培養(yǎng)條件不同,網羅的微生物菌群和形成的酯化酶系組成也不同,催化不同酯的合成效果也不相同。以大曲酯化酶為例,3 種典型大曲催化合成乙酸乙酯的酶活力,清香型大曲>濃香型大曲>醬香型大曲;催化合成己酸乙酯的酶活力,濃香型大曲較強,清香型大曲與醬香型大曲酶活力相對較低;催化合成丁酸乙酯的酶活力,清香型大曲>濃香型大曲>醬香型大曲;3 種香型大曲催化合成乳酸乙酯的酶活力都較低,清香型和濃香型大曲稍高些。
酯化酶的催化反應為可逆反應,只有在一定條件下表現為合成反應。除底物(酸、醇)濃度外,酸度對大曲酯化酶催化反應影響最大,乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯合成的最適pH 值為4.0~4.5,乳酸乙酯則為pH6.0~7.0,當pH≤2.0~3.0 時酯化酶催化酯類物質的分解。酸是酯類物質合成的底物之一,但酸度過高不僅嚴重影響出酒率,而且酸酒的酯類物質含量反而低,即發(fā)生“掉排”現象。在溫度高、濕度大的夏季,釀酒車間環(huán)境中的產酸微生物密度大、繁殖速度快,白酒生產時容易造成酒醅酸度過高,白酒質量下降,甚至發(fā)生“掉排”現象。這也是大多數白酒廠選擇在夏季停產檢修的原因之一。
在白酒釀造中,酯化酶合成途徑是己酸乙酯和丁酸乙酯合成的主要途徑,即由窖泥菌群生成的己酸和丁酸和由酵母菌群生成的乙醇在大曲酯化酶的催化作用下生成己酸乙酯和丁酸乙酯。對于乳酸乙酯,由于釀造環(huán)境的酸度較高,而大曲酯化酶催化合成乳酸乙酯的適宜pH 值接近中性,因此乳酸乙酯很難通過大曲酯化酶催化合成。此外,由于醋酸菌是耗氧微生物,乙酸的生成依賴于乙醇和氧,當酒醅中的乙醇達一定濃度時氧已被酵母菌等耗盡,由此可見乙酸乙酯合成的主要途徑也不可能是胞外酯化酶途徑,而是前述的酵母菌合成途徑。對于有培菌過程的白酒生產(如米香型酒、小曲清香型酒、醬香型酒、芝麻香型酒等),培菌糖化過程的有氧環(huán)境較易網羅醋酸菌,酯化酶合成途徑也可能成為乙酸乙酯合成的主要途徑之一。
酯化酶不同于酶學上的脂肪酶,脂肪酶的正式名稱是甘油酯水解酶,既能將脂肪水解為脂肪酸和甘油,又能催化脂肪的合成,即脂肪酶是指水解三羧酸甘油酯的酶;酯化酶則是泛指可以催化有機酸和醇類物質合成酯的酶,也是水解羧酯鍵的酶。酵母、霉菌、細菌中均含有酯化酶,細菌脂肪酶大多為中性或堿性脂肪酶,在白酒酸性環(huán)境下不具活性或活性很低;在白酒酸性環(huán)境下能夠催化合成酯類物質的主要有南極假絲酵母、紫紅曲霉、煙色紅曲霉、華根霉、米根霉等微生物所產的酯酶。
酯化酶在白酒生產中的應用始于20 世紀90 年代,1993 年,莊名揚等從全興酒廠大曲中分離出一株高產酯化酶的曲霉菌9055,將該菌的粗制酯化酶(麩曲酯化酶)應用于縮短全興大曲酒的發(fā)酵期生產試驗,結果表明,發(fā)酵期40 d 的10 批次白酒樣中的己酸乙酯含量高于發(fā)酵期60 d 的對照樣。此后,多種霉菌的粗制酯化酶成為白酒廠提高成品酒質量的主要措施之一,如武建國等在酒醅中加入紅曲酯化酶發(fā)酵后,己酸乙酯含量增加了124.8~162.5 mg/100 mL;杜禮泉等對煙灰色紅曲霉酯酶的酯化特性進行了研究,該紅曲霉酯酶對乙酸、丁酸、己酸都有較強的酯化作用,應用在濃香型大曲酒生產中能同時提高四大酯的含量;崔如生等用R92 華根霉酯化生產高己酸乙酯調味酒,用于新型白酒的生產,減少了白酒香料的用量,提高了新型白酒的質量;王述榮等研制的粗酶制劑YH-AM用于洋河大曲酒的生產,出酒率提高7.2%,優(yōu)質酒率提高19.6%;信春暉等在扳倒井大曲酒生產中添加復合酯化酶,平均出酒率提高6.7%,優(yōu)質酒率提高7.3 %;賈超英等在泰山特曲生產中添加復合酯化酶,優(yōu)質酒率提高6.1%;樊琪在閣老貢酒生產中添加3 株菌種的復合酯化酶,出酒率提高5.0%,優(yōu)質酒率提高到41.2%。
有關霉菌酯化酶的應用大多集中于濃香型白酒,主要是霉菌酯化酶催化己酸乙酯合成的效果相對較好。許春艷等發(fā)現紫色紅曲霉YJX-8 酯化酶對己酸的酯化較對丁酸、乙酸的酯化作用更強;唐玉明等在對紅曲酯化菌21-3 的特性研究中發(fā)現,四大酸和乙醇各自反應都可生成相應的乙酯,但是四大酸的混合物生成的酯主要是己酸乙酯;任道群等對紅曲霉和根霉菌進行了混合酸(乙酸、己酸、乳酸、丁酸等比混合)酯化效果的比較,結果表明紅曲霉生成的酯類物質均為己酸乙酯,根霉菌能生成少量的己酸乙酯和乳酸乙酯。
大量報道表明,脂肪酶在有機相中對酯類物質的合成轉化率比較高,盧世珩等報道根霉菌所產脂肪酶在有機相體系下己酸乙酯的酯化率可達到91%;劉光燁等利用煙色紅曲霉所產脂肪酶考察了不同體系下酯化己酸乙酯的效率,在環(huán)己烷體系中的酯化率高達98%。白酒實際生產屬于水相體系,酯化過程的產物之一是水,酯化反應是可逆反應,因此在水相中酯的合成轉化率相對較低。王丹丹等對固定化南極假絲酵母脂肪酶B(Novozym 435)催化白酒四大酯的合成與分解進行了研究,結果表明,4 種酯在水相中有利于分解,分解轉化率為乙酸乙酯>丁酸乙酯>乳酸乙酯>己酸乙酯;在有機相(正己烷)中有利于合成,合成轉化率為己酸乙酯>丁酸乙酯>乳酸乙酯>乙酸乙酯;在水相中酯化反應5 h 的最高合成轉化率分別為乙酸乙酯8.9 %、丁酸乙酯29.1 %、己酸乙酯16.7 %、乳酸乙酯5.7 %,大大低于水相中的水解轉化率和有機相中的合成轉化率。脂肪酶在水相體系中酯化合成的低效率限制了商品化脂肪酶在白酒生產中的推廣應用,因此,目前白酒生產中使用的酯化酶主要是以麩皮為主要原料生產的粗酶制劑(麩曲)。
白酒釀造過程是一個復雜而漫長的過程,在這一過程中會產生眾多化學物質,不乏大量的酸類化合物和醇類化合物。除了釀造過程中微生物代謝作用產生大量的酸類化合物和醇類化合物外,在原料中也存在大量酸類和醇類化合物。這些化合物除了通過產酯微生物代謝或酯化酶催化途徑合成酯類物質外,還有一部分可通過單純的有機化學反應生成,主要有乳酸乙酯和大多數高級脂肪酸酯。
化學反應酯的合成量主要取決于相應的底物(醇和酸)濃度、酸度和發(fā)酵(反應)周期,H是酯化反應的催化劑,當白酒發(fā)酵時的酒醅酸度較高時,有機酸和醇類物質通過化學反應合成相應酯類物質的比例就較多。由于有機酸和乙醇的化學反應合成酯類物質需要較高酸和乙醇,因而化學合成酯類物質主要發(fā)生在發(fā)酵中、后期,需要較長的發(fā)酵周期才能積累較多的酯。在白酒發(fā)酵酒醅或醪液中,乳酸是含量最高的有機酸,一般為15~40 g/kg酒醅,通過化學反應合成的乳酸乙酯也是各酯類物質中最多的,延長發(fā)酵周期往往可積累較高的乳酸乙酯,增加白酒的醇厚感。邢爽研究了清香、濃香、醬香3 種典型大曲催化合成乳酸乙酯的酶活力,結果表明,大曲酯化酶催化合成乳酸乙酯的最適pH 值均為6.0~7.0,在pH≤4.0 時催化效率很低或為負值(分解乳酸乙酯),說明在白酒釀造的酸性環(huán)境下乳酸乙酯很難通過大曲酯化酶途徑合成。
在白酒蒸餾和貯存老熟過程中也同樣存在酸-醇酯化反應。白酒蒸餾時溫度較高,酒醅中含量較高的有機酸與乙醇反應合成相應的酯類物質。乳酸是酒醅中含量最高的有機酸,部分乳酸與乙醇反應合成乳酸乙酯,但乳酸乙酯的親水性較強,僅有30%左右蒸餾至基酒中,大部分乳酸乙酯殘留在糟醅中。酯化反應是可逆反應,白酒在貯存過程中,除少數酒樣中的乙酸乙酯增加,幾乎所有的酯都有所減少,與此相對應的是酸增加,尤其是乙酸、丁酸、己酸、乳酸。這是因為白酒蒸餾時,酒醅中的酯較易揮發(fā),相應的酸揮發(fā)性差,部分或大部分留在糟醅中,在白酒貯存過程中酸、醇、酯的反應平衡趨向于酯類的水解。對于高度白酒,由于反應底物之一的乙醇含量較高,部分抵消了酯的分解作用;對于低度白酒,由于乙醇含量不高,貯存過程中酯類物質的分解作用較為明顯。
(1)在白酒發(fā)酵過程中酯類物質的形成包括微生物代謝生成、酯化酶催化合成和化學合成三部分。不同酯類物質形成的機理和途徑有所不同,乙酸酯類主要由酵母菌在發(fā)酵前期代謝生成,發(fā)酵后期隨著酵母活力的下降和酒醅酸度的升高,乙酸乙酯大多呈緩慢下降趨勢;己酸乙酯、丁酸乙酯主要由窖泥菌群產生己酸和丁酸與酒醅中酵母菌群產生的乙醇,在大曲酯化酶催化作用下合成,由于己酸和丁酸需由窖泥通過分子擴散至酒醅中才能在酯化酶作用下合成酯,因此離窖泥較遠的酒醅中己酸乙酯和丁酸乙酯的含量往往很低,采用己酸菌液灌窖的辦法可有效提高窖池中央酒醅的己酸乙酯含量;乳酸乙酯主要由酒醅中乳酸菌群產生的乳酸與酵母菌群產生的乙醇通過化學反應合成,由于化學反應的速度緩慢,所以乳酸乙酯的積累需要較長的發(fā)酵周期。
(2)酯化酶催化反應為可逆反應,只有在一定條件下表現為合成反應,酸度對酯化酶催化反應影響最大。不同酯化酶酯合成的適宜酸度不同,同一酯化酶催化不同酯合成的最適酸度也不相同,在酸度達一定程度時酯化酶催化酯的分解。在白酒發(fā)酵過程中,酵母菌群生長代謝旺盛、酒度過高會抑制產酸菌群的生長與代謝,導致酒醅酸度低、酯香物質含量低,白酒質量下降;產酸菌群生長代謝旺盛、酸度過高又會抑制酒精發(fā)酵,不僅出酒率很低,酯含量也不會高(因為底物之一的乙醇含量不高,且酵母菌活力低),發(fā)生酸敗。由此可見,在白酒生產中控制合適的微生物菌落結構和酒醅酸度特別重要。
(3)白酒發(fā)酵過程是在厭氧和高酸度環(huán)境下進行的,耗氧的漢遜酵母、假絲酵母、畢赤酵母等產酯酵母,直接入窖發(fā)酵對白酒的增酯提質效果不一定明顯。如果將這些酵母在窖外單獨培養(yǎng),在適合酵母菌產酯條件下制備成酯化液或固態(tài)香醅,再入窖發(fā)酵,可有效提高成品酒中的酯含量。對于米香型白酒、小曲清香白酒、芝麻香型白酒、醬香型白酒等,生產工藝中有堆積培菌過程環(huán)節(jié),如在堆積培菌前接入產酯酵母與傳統(tǒng)糖化發(fā)酵劑協(xié)同糖化發(fā)酵,可明顯提高酯含量。對釀酒酵母、粟酒裂殖酵母、東方伊薩酵母等兼性厭氧酵母菌,在有氧和厭氧環(huán)境下都能生長代謝,選育具有高產酯能力的酵母即可直接入窖發(fā)酵提高白酒酯含量。
(4)白酒發(fā)酵過程中上述3 種途徑酯的合成與分解交織在一起,相互補充且相互制約,不同的發(fā)酵條件改變酯的合成方向與風味物質的量比關系,從而形成了不同風格的白酒,機理相當復雜。深入了解白酒發(fā)酵過程中酯類物質代謝與合成的機制,明確白酒生產企業(yè)實際發(fā)酵過程中酯類物質的形成規(guī)律,對指導白酒生產、提高白酒酯類物質的含量、調控風味物質合適的量比關系、改善白酒品質、促進我國白酒產業(yè)的技術升級具有重要意義。