白酒是我国的国酒,历史悠远,主要以粮食为原料,通过蒸煮、糖化、发酵、蒸馏制备而成[1]。由于发酵原料以及酿造工艺的不同,白酒具有多样的香型及其独特的风味。白酒的风味物质包括醇、醛、酸、酯等,其含量和比例关系决定着白酒的风格和品质。白酒中的酯类物质,如乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯等,可赋予产品不同的风味特征。乳酸乙酯存在于各种白酒中,尤其存在于淡香型、米香型白酒中,有水果味和轻微的脂肪味,气味微弱[2]。受季节因素、发酵环境等影响,酒体中乳酸乙酯含量不稳定,进而导致产品香气不足、酒体丰满度不够等问题,造成产品品质波动,难以满足消费者对白酒品质更高的要求[3]。因此,本文结合乳酸乙酯的形成途径,对乳酸乙酯的代谢调控研究进行总结,为白酒中乳酸乙酯的有效控制提供新思路。
乳酸乙酯即2-羟基丙酸乙酯,其分子式为C5H10O3,分 子 量118.14,相 对 密度1.03~1.04,沸 点154.5 ℃,溶于水,且易溶于乙醇。它有左旋和右旋两种异构体。在白酒中,乳酸乙酯呈现的香气较弱,为淡雅柔和的果香,可以缓冲酒体的后味,保持酒体完整性,尤其对于低度白酒,可以克服其水味的问题,增强醇厚感[4]。白酒中乳酸乙酯的形成途径有两种,酒醅中乳酸菌群产生的乳酸与酵母菌群产生的乙醇通过化学反应生成乳酸乙酯,该途径乳酸乙酯的积累需要较长的发酵周期[5];也可以通过酒曲发酵剂的酯合酶催化生成乳酸乙酯。其中酯类的生物合成途径又分为醇酰基转移酶途径和酯化酶途径。
白酒发酵过程会产生酸、醇等底物,酸醇发生酯化反应生成酯类和水。在白酒发酵后期,底物中的酸和醇大量累积,促进酯化反应的进行。酯化反应是可逆反应,常温条件下一般反应极缓慢且不彻底。通过有机化合反应生成酯主要发生在发酵后期和储存过程中,可以通过延长发酵周期来促使白酒中的酯化反应达到平衡[6]。适当的提高温度和降低反应的pH 值可以促进酯化反应的进行。反应化学式如下所示。
1.2.1 醇酰基转移酶途径
醇酰基转移酶(alcohol acetyltransferase,AAT)是催化酰基链从酰基辅酶A 供体转移到受体醇的双底物酶,通过从酰基辅酶A 转酰为醇,催化酯最后一步的形成。在细胞内,醇和活化的酰基辅酶A 分子之间通过酶催化的缩合反应形成酯。不同醇和酰基辅酶A之间的组合将形成一系列酯。因此,酯生成受两种共底物的浓度和酶活性影响。醇酰基转移酶主要存在于酵母、植物、细菌中,可催化醇与酰基辅酶A 生成相关的酯类物质。与酿酒相关的醇酰基转移酶主要来源于酵母,包括酿酒酵母、克鲁维氏酵母、巴氏酵母、葡萄汁酵母等[7]。
酿酒酵母代谢产酯根据成分来源可以分为两类:一类是由高级醇和乙酰辅酶A 为底物合成的乙酸酯,目前酿酒酵母中已发现Atf1p、Atf2p 和LgAtf1p 3 种醇酰基转移酶负责催化乙酸酯的合成。Atf1p 是酿酒酵母中乙酸酯合成的重要酶[8],Atf1p 和Atf2p 的敲除菌株相对于原始菌株表现出乙酸酯的合成减少,相反,Atf1p 和Atf2p 的过表达导致乙酸酯的产量增加。Vadali 等[9]将醇酰基转移酶基因转入大肠杆菌异源表达,在重组菌的大肠杆菌中,通过过表达带有Atf2 基因的菌株,细胞内乙酰辅酶A 增加,并通过抑制其他消耗酰基辅酶A 的路径,使得酯类物质含量增加。另一类是由酰基辅酶A 活化的中链脂肪酸和乙醇为底物合成的乙基酯,酿酒酵母中催化乙基酯的醇酰基转移酶为Eeb1p 和Eht1p[10]。Atf1 和Atf2 双基因缺失的菌株仍能检测出与原始菌株等量的乙基酯[11],即Atf1、Atf2 并未参与乙基酯的合成。Eht1p 为乙醇己酰基转移酶,负责催化乙醇和己酰基辅酶A 生成己酸乙酯。李锋等[12]通过构建高表达Eht1 的突变株,显著提高酿酒酵母中己酸乙酯的含量,产量提高到29.09 mg/L,提高为原菌的近3 倍。Eht1 和Eeb1 是酿酒酵母中参与酒发酵过程中乙酯合成的关键基因。Yang 等[13]通过破坏Eht1、Eeb1 的一个等位基因,构建了二倍体工业葡萄酒酵母EC1118 的单(ΔEht1,ΔEeb1)和双(ΔEht1ΔEeb1)异源突变菌株,所有突变体在发酵液中产生的乙酯含量都较低,并且产生了不同的乙酯谱,表明控制Eeb1表达可能是调节酒中芳香代谢物含量的有效手段。Lee 等[14]通过设计、构建并表征不同的丙酮酸-乳酸酯模块文库,筛选生产各种线性、支链和芳香族乳酸酯的最佳模块,表明VAAT 编码的AAT 是最适合于乳酸酯生物合成。VAAT 来自草莓属,能够产生多种酯类[15],VAAT 表现出对乙醇和较短的C2-C4 酰基辅酶A 的底物偏好[10]。乳酸通过丙酰辅酶A 转移酶(propionyl CoA transferase,Pct)向乳酰辅酶A 的限速转化或乳酰辅酶A 与乙醇通过AAT 的缩合产生乳酸乙酯。
1.2.2 酯化酶途径
酒体中的大量酯类物质均是在酒醅发酵过程中所产生,主要是由酯化酶分解粮食原料经过酶促酯化反应所生成。酯化酶是指催化合成低级脂肪酸的酯酶,通常包括脂肪酶、酯合成酶和磷酸酯酶。在白酒酿造中,酯化酶主要有多种微生物来源,如真菌类的青霉属、红曲霉属、黑曲霉属、黄曲霉属、根霉属、毛霉属、酵母菌,细菌类的假单胞菌属、粘质赛氏杆菌属、无色杆菌属和葡萄球菌属等。微生物来源的酯化酶由于其酶学特性更为突出,能适应更多应用条件,发酵周期多在15~45 d,最适温度多为20~40 ℃,最适pH 值多在3.0~5.0,在最适条件下的出酒率和产酯率较高。
酯化酶还可以催化乳酸、丁酸等小分子酸和乙醇反应生成乳酸乙酯和丁酸乙酯[16]。产酯酵母可以通过自身的代谢作用来合成乙酸乙酯,而其他酯类物质的合成则需要相应的产酸微生物提供酸作为底物,进而在酯化酶的催化下合成,乳酸乙酯合成的反应如下所示。
酯化酶的催化选择性在一定程度上,受到底物浓度和环境因素的影响。赵天涛等[17-19]选用硅藻土固定化脂肪酶,通过正交试验确定分析温度、pH 值、质量配比、时间和转数等不同因素对固定化脂肪酶催化乳酸乙酯合成的影响。Sun 等[20]以固定化于大孔丙烯酸树脂的南极假丝酵母脂肪酶B 为催化剂,首次尝试了用生物催化的方法合成乳酸乙酯,具有反应条件温和、耗能低且产品质量、产量高的特点。酯化酶种类繁多,其催化相关规律也尚不完全清晰。探究各种酯化酶的催化特性和作用机制,对白酒中乳酸乙酯代谢调控的实际应用具有积极意义。
白酒酿造是一个开放的、复杂的、协同的功能性微生物群发酵过程。微生物间的相互作用是酿酒微生态系统中微生物结构和功能调节的关键,从而影响白酒发酵期间的微生物代谢以及风味和品质。研究表明乳酸乙酯的代谢主要与毕赤酵母、曲霉、根霉菌的活性有关[21],尤其是根霉菌、毕赤酵母、曲霉、根霉菌和念珠菌的调控可能是调节白酒发酵过程中乳酸乙酯代谢的有效方向。
真菌既充当糖化剂又充当风味化合物的生产者,也可用于调节酵母代谢。一般情况下,真菌群落的演替是高度动态的,比细菌群落呈现出更复杂的变化。在白酒酿造中,霉菌是不可或缺的微生物,没有霉菌提供糖化动力,白酒几乎无法生产。另外霉菌对风味物质的形成也具有一定贡献,在大曲中加入酯化红曲后,大曲的酯化能力得到了很大的提高。从大曲中分离的中华根霉CCTCCM201021 能产生脂肪酶[22],该脂肪酶对于醇和酸的酯化过程是重要的。酵母贯穿整个白酒的酿造过程,种类繁多,酒精发酵主要由酵母完成,同时酵母有助于白酒风味物质的形成。如W.anomalus作为浓香型白酒发酵的优势菌种,具有优良的乙酯生产能力[23]。细菌对白酒风味物质的形成至关重要。芽孢杆菌是一种重要的风味物质产生菌。Yan 等[24]研究探讨浓香型白酒窖泥中细菌群落的空间分布及其与挥发性物质积累的关系,发现乳酸杆菌属的丰度与乳酸乙酯、1-丁醇和2,3-丁二醇的水平呈正相关,乳酸乙酯水平与巴氏乳杆菌和耐乙酸乳杆菌的丰度密切相关。组学分析表明,乳杆菌在涉及风味化合物及包括酯和酸等前体的生物合成基因方面具有活性[25]。微生物群体各司其职,但又相互影响,因此了解不同微生物间相互作用对风味化合物形成的影响,对于乳酸乙酯形成的调节具有重要意义。酿酒酵母S.cerevisiae 和非酿酒酵母W.anomalus 混合发酵,比两者中任一种的单一接种产生更多的乙酸乙酯[23]。非酿酒酵母也可以与乳酸菌进行协同生长,对产乳酸起到促进作用[26];乳酸菌产生的乳酸会抑制酿酒酵母的生长,并使酯的产量降低,反过来,低浓度的酿酒酵母能够促进某些乳酸菌的生长[27]。揭示这些微生物的相互作用在白酒发酵过程中的确切作用,可以为控制发酵过程以及改善产品品质提供参考。
酯的生成受许多因素影响,包括菌株组成、发酵方式和发酵条件。白酒的挥发性风味特征受到多种因素的影响,包括原料的性质和加工过程、发酵剂的微生物群以及环境微生物群等。在白酒的发酵过程中,乳酸乙酯的合成是一个复杂的体系,其形成的多种途径相互影响,不同的发酵环境、发酵条件可能改变乳酸乙酯的合成。白酒发酵的材料预处理在开放环境中进行,来自加工室中的原料、工具、水、地板和空气的固有微生物群将被引入。原料浸泡过程中pH 值的快速下降,酸的积累为后续酵母菌和乳酸菌的生长提供了酸性条件,并且还可以抑制发酵过程中其他微生物的污染。研究表明,来自地面、工具的环境微生物群是发酵微生物群的重要来源,并且可以在白酒发酵期间驱动微生物演替和代谢,在冷却过程中从环境中引入到原料中的乳酸菌将形成除大曲之外的重要乳酸菌来源。Xu 等[28]首次通过比较新旧坑窖中白酒发酵的微生物群落,发现旧坑窖发酵可以更快速地生产乙醇,且乳杆菌更快地成为优势细菌,而新坑窖中较高的酸度更有利于乳酸菌的存活,证明了新旧坑窖对白酒发酵的影响。在冷却过程中,以乳酸菌、根霉、拟酵母菌为主的微生物从原料预处理间的水、冷却机、地面和空气中引入,进入酒精发酵阶段。乳酸乙酯的合成需要乳酸菌、酵母菌和霉菌的共同参与。Pang 等[29]通过对原料浸泡开始、浸泡结束、蒸后冷却3 个阶段两个不同发酵时期酒样进行分析,探讨淡香型白酒原料预处理过程中微生物的多样性及其作用,发现毕赤酵母与乳酸乙酯呈强相关性,异常毕赤酵母和乳酸乙酯的相关性也具有显著性差异。
发酵方式对乳酸和乳酸乙酯的代谢有显著影响。现代化、机械化和智能化改造会影响操作环境,从而导致白酒发酵过程中酯的代谢降低,尤其是乳酸乙酯。现代化工艺中乳酸的积累比传统工艺低50%左右,现代化白酒发酵过程中乳酸乙酯的积累量明显低于传统白酒发酵过程。不同的发酵方法,所含的微生物和酶存在差异,这对于产酯稳定性、酒品品质和生产力的平衡和功能起到微妙作用,产生不同的白酒风味。探究其代谢合成机制,分析乳酸乙酯形成的规律,可为白酒中乳酸乙酯含量的调控提供理论支撑,对我国白酒产业的技术升级、智能化酿造实施具有重要意义[30]。
2.1.1 原材料酒曲比例优化
白酒发酵的原材料主要由高粱或玉米、大米、小麦、豌豆、小米等粮食的混合物制成。当使用不同类型或来自不同地区的原材料时,白酒的风味会呈现很大差异。淀粉是酿酒原料中的主要成分,它可以在液化酶和糖化酶作用下,水解生成大分子糊精及少量的麦芽糖和葡萄糖;在酿酒过程中葡萄糖是米曲霉、酵母菌及其他微生物的碳源,也是酒精发酵的基础物质;淀粉的糖化程度不仅影响着白酒的产量,对酒品也有重要影响。杂粮酿造是目前白酒生产的发展趋势,它要求各种原料有合理的配比和关系,并采用科学的生产工艺。
酒曲是酿酒过程中重要的发酵剂,对白酒的品质至关重要[31],大曲中的粗酶制剂和微生物是大分子水解和代谢所必需的。此外,酒曲还为白酒酿造贡献了大量的风味化合物前体以及有益的代谢产物。He等[32]使用传统的大曲和接种了维氏芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的强化大曲发酵浓香型白酒,与在不添加强化大曲的情况下发酵谷物相比,按照传统大曲∶强化大曲=1∶1(质量比)的发酵谷物中,强化大曲乳杆菌的丰度显著降低,乳酸乙酯的含量在相应的白酒中最高,达到128.01 mg/L,推测与50%强化大曲组中念珠菌丰度最高(71.3%)有关,乳球菌、明串珠菌和链球菌等乳酸菌产生乳酸,与念珠菌产生的乙醇一起被酯化为乳酸乙酯,同时分析结果显示乳杆菌和念珠菌与这些酯呈高度正相关,表明乳酸菌和念珠菌可以通过协同作用提高酯的产量。同理,通过添加不同的产酯微生物,来强化发酵过程中的酯化能力,也可以提高乳酸乙酯的含量。张龙等[33]从米香型白酒发酵液中分离筛选出两株优势乳酸菌TLQ-L3 和TLQ-L5 并分别接种,发酵13 d 时乳酸乙酯含量相较于空白组分别提高了717.22 mg/L 和489.5 mg/L,表明在白酒酿造过程中,添加适量的乳酸菌有利于产生乳酸乙酯。郭锦宁等[34]通过将米根霉RO2 菌株制作的麸曲添加到白酒主发酵中,有效提高了基酒的乳酸乙酯含量,提升了产品香气。乳酸乙酯的形成首先是酯原微生物分泌酯酶,催化醇和乳酸酯化为乳酸乙酯。所以高效的产酯酵母也是获得高产率乳酸乙酯的关键。关于产酯酵母提高白酒中酯类物质的研究有很多,其中在白酒生产中应用较多的是汉逊酵母[35]。颜兵[36]通过制备麸曲为糖化剂、以酿酒酵母、异常汉逊酵母和戊糖片球菌3 株功能微生物代替酒曲进行了米酒酿造,对米酒中的酿酒酵母和异常汉逊酵母相互作用研究,通过优化异常汉逊酵母与酿酒酵母的接种比例,在最优酿造条件下乳酸乙酯含量由0.11 g/L 提高到0.17 g/L,米酒品质较优化前有较大改善。潘天全等[37]在小曲清香型白酒原酿造工艺的基础上添加0.5% 的安琪根霉曲,与对照组相比,根霉曲配合小曲使用积极协同促进了粮醅的培菌糖化,粮醅培菌糖化后挥发性风味成分增加,总酯含量提高7.1%,粮醅发酵15 d 时出池,试验组的乳酸乙酯含量为25.7 mg/L,是对照组的1.24 倍,发酵结束时,试验组中乳酸乙酯的含量明显高于对照组。因此,无论何种香型的白酒,添加至酒曲中酶的类型和含量对乳酸乙酯有一定的影响,其中脂肪酶除了能够水解脂肪外,还具有催化酯化反应、酯交换反应、酸解反应、醇解反应等反应的性质。选育优良的纯种菌株作为白酒发酵剂,与传统大曲、小曲的结合,以及多菌种纯培养物与商品微生物酶或活性干酵母的结合,可以提高乳酸乙酯的含量,补偿单一菌株酿酒过程中风味化合物的不足。
2.1.2 发酵条件的优化
供氧情况、发酵pH 值和温度均会影响微生物产酯能力[38]。温度对发酵醪液中酯的生成有显著影响,低温有利于总酯的生成;先高温后低温的发酵模式有利于酯类物质的合成和积累。Guo 等[39]研究温度对细菌群落结构和酯生成的影响,分别在25、30、35、40 ℃和45 ℃下进行厌氧发酵,在10~20 d 时乳酸乙酯含量显著上升,在20~30 d 时除45 ℃组外乳酸含量无明显增加,发现高温有利于发酵液中产生乳酸乙酯。陈玉香等[40]以福建红曲中分离得到的异常维克汉姆酵母为对象,研究发酵温度对异常维克汉姆酵母产挥发性风味物质的影响,16 ℃低温发酵时,乳酸乙酯在发酵前期就达到峰值。温度偏高,酯化酶活力稍大,对酯化反应有促进作用。但过高温一方面加速酯类物质挥发[41],另一方面也可能使产酯酵母早衰。初始温度越高,乳酸菌数量越多,微生物演替速度也越快。应静等[42]模拟固态控温发酵方式,对发酵过程进行控温,高、中、低温发酵糟醅总酯含量分别为69.99、109.12、96.64 mg/100 g,中温(30 ℃)发酵有利于最终酯类生成。何朝玖等[43]利用冷风摊凉的方式控制酒醅入窖温度,探究入窖温度对酒质的影响,较低入窖温度酒醅中的酸度较高,微生物生长较为缓慢,同时由于发酵的最高温度相对较低,不利于优势发酵菌群的形成。较高的入窖温度导致酒醅中的产酸微生物生长过快,特别是产乳酸微生物,导致酒醅环境的酸度较高,也将影响酯类物质的比例。
白酒发酵过程是在厌氧和低pH 值环境下进行的,然而高含量的微生物代谢产酸,如过量的乳酸产生可驱动乳酸亚铁和乳酸钙形成,这些化合物最终导致窖泥退化,会抑制白酒发酵中的许多其他细菌、酵母和霉菌,例如芽孢杆菌属、酵母属和曲霉属[44],导致细胞中的重要酶变性,从而抑制白酒发酵过程中的乙醇生产[45],作为酯合成的重要前体物质,进一步影响乳酸乙酯的含量。酿酒酵母属兼性厌氧菌,可在无氧条件下生长与代谢,而许多生香酵母则需在有氧条件下生长代谢。尹倩倩[46]探究封窖方式对泸型酒酿造中不同层酒醅品质差异的影响发现,随窖池深度增加,酒醅与窖泥接触面积增大且厌氧程度更高有利于细菌代谢产生有机酸及进一步合成对应酯类物质,由于发酵时上下层酒醅中氧气含量不同,可能会使微生物的生长状况、代谢强度存在差异,进而影响酯的形成。针对不同微生物,在不同含氧条件下产醇和产酯能力的不同,直接入池发酵对白酒增酯效果可能不明显,考虑将这些酵母单独培养,在适合酵母的产酯条件下制备成酯化液或固态香醅,然后再入池发酵或与池内酒醅混蒸,是提高成品酒中酯含量的有效调控手段。对于菌株的具体添加时机、添加量对原酒品质的影响也有待细化,以明确菌株对发酵出酒率、风味的整体影响。
2.2.1 菌种筛选
白酒在发酵过程中的主要发酵微生物有根霉菌和酵母菌[47],有时也在白酒的酿制过程中添加乳酸菌以改善酒体口感和风味[48]。不同微生物的种类特性不同,耐酒精度、耐酸和产酸能力也不同[47],优选产酸能力突出的菌株对提高原酒中乳酸和乳酸乙酯的含量有重要作用。研究发现耐酸乳杆菌能够促进乙酸乙酯和乳酸乙酯的形成[49]。Li 等[50]从不同季节清香型小曲白酒酒醅中筛选出到两株增酯降杂效果较好的乳酸菌,糖化后加入该乳酸菌强化麸皮种,对乳酸乙酯含量和出酒率提升效果明显。夏玙等[51]从大曲中分离出一株异常威克汉逊酵母应用于酵母麸曲制作,条件优化后的酵母麸曲可以提高清香型小曲白酒的总酯含量。崔海灏[52]对十里香酒醅中的可培养酵母筛选,分离出一株母产酯酵母SLXJPR10-1 为拜耳结合酵母,改变了酒醅中四大酯的比例关系。Li 等[50]利用乳酸菌和产酯微生物的协同发酵来生产乳酸乙酯,通过对比选择乳酸耐受性更强的wickerhamyces anomalus 作为产酯菌株,实现高生产乳酸乙酯的可能性,较混合发酵产酯能力提高了2.3 倍。
2.2.2 基因工程改造
通过代谢工程使酿酒酵母在保持出酒率的前提下提高其产酯能力也是目前的研究热点,采用基因工程和分子生物学的手段,对白酒酿造关键微生物中乳酸乙酯的合成进行调控,以改善白酒的口感和香气。该思路主要是通过醇酰基转移酶途径的增强来实现。醇酰基转移酶途径是酯类物质合成的主要途径,酿酒酵母可以产生前体物质乙醇,但不能合成乳酰辅酶A。因此,使酿酒酵母合成乳酰辅酶A 对提高乳酸乙酯的含量也有重要意义。研究表明,rDNA 多拷贝表达南极假丝酵母脂肪酶B 菌株比亲本菌株提高最多,能够提高白酒中乳酸乙酯含量[53]。王彩玲[54]在两株工业酿酒酵母中对合成酯的关键脂肪酶的南极假丝酵母脂肪酶B 基因CALB 进行多拷贝整合表达,构建高产乳酸乙酯工业酿酒酵母并进行不同的发酵工艺检测,结果表明乳酸乙酯的含量随着拷贝数的增加而增加。Ren等[55]通过引入丙酰辅酶A 转移酶(Pct)和醇酰基转移酶(AAT),在酿酒酵母α(L)中建立了乳酸乙酯生物合成途径,结果表明,菌株α(L)-CP-Ae 产生最多的乳酸乙酯[(239.53±5.45)mg/L],且随着Pct cp 基因和AeAT9基因的拷贝数增加,修饰的菌株α(L)-tCP-tAe 产生(346.39±3.99)mg/L 的乳酸乙酯。刘港[56]通过将乳酸脱氢酶基因ldhL1 在酿酒酵母AY12-α 中进行过表达,构建改造菌株的胞内乳酸产量提高,为乳酸乙酯的合成提供物质基础。刘鑫[53]通过对工业酿酒酵母菌株进行rDNA 多拷贝整合表达改造,成功提高了白酒中乳酸乙酯的含量。基因工程改造,为提高白酒中乳酸乙酯含量提供了很多新的思路,但其在实际生产中的应用,还需要经受更多地考验。
乳酸乙酯通常由乳酸菌代谢产生的乳酸和酵母菌代谢产生的乙醇作为前体物质合成,因此可以考虑增加前体物质中乳酸的含量,来增加乳酸乙酯的生成。乳酸菌一般属于非芽孢杆菌,最适生长温度为30~40 ℃,所需温度偏低,最适生长pH 值为5.5~5.8。乳酸菌于厌氧或微好氧的环境中更适合生长繁殖,利用原料中的糖类经过糖酵解途径生成丙酮酸,再由乳酸脱氢酶催化作用下,还原生成乳酸。基于乳酸菌的性质,在发酵的中后期时,乳酸菌于众多的微生物群体中处于主导地位[57],不断生成乳酸、乙酸等物质。
根据乳酸乙酯的代谢途径,通过阻碍乳酸乙酯形成前体物质的其他代谢路径,即减少非乳酸的代谢途径,使其通向形成更多的乳酸乙酯也是提高其产量的调控方式。丙酮酸是糖酵解后碳的一个分支点,其中一种是在乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)作用下形成乳酸,另一种是通过丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)旁路形成乙酰辅酶A,也可以进入细胞线粒体基质内进行三羧酸循环。因此,阻碍丙酮酸从酵母细胞质到线粒体的运输可能是增加乳酸乙酯产量的有效方法。任津莹[58]通过敲除孔蛋白基因(por2)和线粒体丙酮酸载体基因(MPC2)以阻止丙酮酸的线粒体转运,最终修饰的菌株α(L)-tCP-tAeΔpor2产生的乳酸乙酯达到(420.48±6.03)mg/L。丙酮酸是糖代谢的重要节点,若三羧酸循环加速,导致大量丙酮酸流向三羧酸循环途径,从而导致流入乳酸生成途径的减少,也将导致乳酸乙酯含量的减少。有学者提出,通过添加食用级的延胡索酸来达到“控乳”的目的,其原理是促进三羧酸循环进行,从而实现降低乳酸乙酯的含量[59-60];或者通过添加琥珀酸脱氢酶辅基——黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide,FAD)促进延胡索酸的生成。发酵体系中若存在丙酸菌,该菌在厌氧条件下,可利用乳酸、葡萄糖等生成丙酸、乙酸、二氧化碳和琥珀酸,在乳酸与糖类共存时,优先消耗乳酸。相反,如果减少丙酮酸代谢的其他途径,使其流向乳酸代谢的途径,提高前体物质乳酸的含量,进而可以促进乳酸乙酯的生成。提高功能微生物的含量和生产性能的稳定性对白酒酿造具有重要意义。Huang等[61]利用海藻酸钠-壳聚糖交联网络成功地固定化了库氏毕赤酵母细胞,制备了具有预期生产性能的微球,在最佳合成条件下,微球发酵液和白酒中的酯含量分别提高了67.04% 和56.94%,酯酶活力提高66.13%,在未来的生产应用中具有突出潜力。因此通过固定化提高微生物产酯能力也是提高乳酸乙酯含量的有效策略。
本文综述了白酒中乳酸乙酯的合成途径,从发酵微生物和代谢的角度总结了乳酸乙酯合成代谢调控的几种方式:一是通过优化发酵工艺,从原材料酒曲的配比、发酵环境、工艺优化的角度着手,改善乳酸乙酯合成的前体物质含量,进而增加乳酸乙酯的产量;二是通过菌株筛选、基因工程改造,从微生物代谢与乳酸乙酯合成关键酶的角度出发,调控乳酸乙酯的合成;三是寻找乳酸乙酯合成的抑制因素,通过解决关键抑制因素来达到调控乳酸乙酯的目的;采用固定化技术提高产酯微生物性能也是一个策略。对于提高白酒中乳酸乙酯的含量,相关调控机制的研究和应用还有待进一步深入。
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