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茅台酒酿酒极端环境与极端酿酒微生物-【新闻】

发布时间:2021-05-28 10:09:00 阅读: 来源:地面砖厂家

茅台酒酿酒极端环境与极端酿酒微生物_

极端环境包括高、低温环境,高盐环境、高酸环境、高碱环境等。如温泉、南北两极极地或高山冰川、盐碱湖、酸矿水、酸性热泉和深海底等。另外,还有一些特殊环境,例如油田、矿山、沙漠的干旱地带、地下的厌氧环境等。生长在这些极端环境中的微生物,如嗜热菌、嗜酸菌、嗜冷菌、嗜碱菌、嗜盐菌等,统称为极端微生物[1]。极端微生物具有独特的基因类型、特殊的生理机制及特殊的代谢产物,对其研究及将其应用将改变整个生物技术的面貌。因此,极端微生物作为地球上的边缘生命现象,已引起人类的极大关注。极端微生物已成为国际上研究的热门领域,日本、美国、欧洲等国都已纷纷启动了极端微生物的研究计划,试图揭示极端生命形式的奥秘,并利用其特殊机制与特殊代谢产物为人类服务。极端微生物具有极大的应用价值。例如人们利用生物技术从极端微生物中提取极端微生物酶,应用于工业、农业、医学等领域,为社会的发展创造巨大的经济效益和社会效益。 从极端环境的定义来衡量,笔者所提的茅台酒酿酒极端环境只有茅台酒生产过程的窖池厌氧发酵环境属于地道的极端环境,但笔者所指的茅台酿酒极端环境是特指相对于其他酿酒环境而言,在酿酒生产过程适宜于茅台酒生产所无法克隆的茅台酒酿酒环境及其微生物。 1 茅台酿酒极端环境 茅台酒独特的品质与茅台酒的极端酿酒环境和极端微生物及独特的酿造工艺分不开。茅台酒的极端酿酒环境表现在以下几个方面。 1.1 极端的自然地域地质环境 茅台酒厂座落的茅台镇,地处贵州省仁怀市,位于东经106o221,北纬27o511,海拔高度400 m左右,面积约8 km2 [2]。茅台镇周围崇山峻岭环绕,使其形成一个低谷地带盆地。由于不同的地质形成原因使茅台镇的土壤与其他酿酒环境的土壤有所不同,其为紫砂土,而且土层较厚,一般在50 cm左右,有机物含量为1.5 %,碳∶氮=1∶8~9 [3]。土壤的酸碱适度,丰富的CN物质及微量元素、良好的渗透性形成为微生物生长的天然培养基,适宜于微生物的长期栖息和微生物群落的多样化演替。 1.2 极端的酿酒气候环境 茅台镇极端的自然地域地质环境自然就会形成极端的茅酒酿酒气候环境。茅台镇气候湿润,冬暖夏热,年均气温17.4 ℃,在夏季最高温度达40 ℃多,炎热季节达半年多,昼夜温差小;霜期短(年均无霜期达326 d);年降雨量为800~1000 mm;日照丰富,年日照达1400 h之多。这为茅台酒的酿造提供了相对稳定的、特殊的微生物群落,是其他环境所无法克隆的极端茅台酒酿酒气候环境。 1.3 极端的酿酒空气、水环境 茅台镇冬暖夏热雨水少,加上四周崇山峻岭环绕,导致了茅台酒生产区空气流动相对稳定,为厂区空气中的气生微生物提供了缓流和沉降的生态系统,为茅台酒酿酒微生物的富集和生产网罗微生物资源提供了一个气生微生物环境。还有,赤水河上游历来未受到污染,其水中含有丰富的微生物、矿物质和微量元素,这为茅台酒的酿造提供了一个优质的水资源环境。 1.4 极端的高温制曲环境 茅台大曲生产属于高温制曲。制曲选择在伏天踩曲,此时气温高、湿度大。大曲不但培养时间长,而且培养温度高,其培养过程中温度的变化为自然控制,人为控制极少,曲块在经过40 d的堆积发酵,制曲温度高达58~65 ℃。极高的制曲温度为许多耐高温细菌和霉菌的生长繁殖及代谢创造了环境。其中,以细菌为主,占97.8 %;霉菌占2.2 %;曲中无酵母菌[3]。在酱香突出的成品大曲中细菌高达2.5 107个/g曲,霉菌达8.0 105个/g曲。 1.5 极端的高温堆积发酵环境 茅台酒采用的是开放式凉堂堆积发酵后,再入窖在窖内进行封闭式厌氧发酵,与其他白酒糟醅摊凉加曲后立即入池发酵方式不同。茅台酒的高温堆积发酵过程糟醅堆积温度可达50 ℃,堆积过程糟醅可充分网罗、捕集生产环境中的大量微生物,弥补大曲在高温制曲过程高温对微生物种类和数量的影响,进行 二次制曲 发酵过程。与 第一次制曲 不同的是在堆积发酵过程酵母菌数量明显增多,可达到每克曲上亿个,而且参与堆积发酵的微生物群落与 第一次制曲 发酵的微生物群落有较大差异,特别突出的是在堆积过程富集了大量的酿酒酵母。发酵糟醅经过50 ℃左右的高温堆积发酵,筛选、繁殖了大量有益微生物,促进微生物产生大量的香味物质和香味前体物质。 1.6 极端的窖内高温厌氧发酵环境 茅台酒生产过程窖内糟醅的厌氧发酵温度比其他香型白酒的窖内糟醅发酵温度要高,可达到40 ℃以上。极端的高温厌氧发酵环境为厌氧微生物的生长、酒精的形成和香味物质及香味前体物质的形成提供了条件。糟醅通过窖内的厌氧发酵,不但可从窖池窖泥中获得大量的有益微生物,同时还可对酒醅中的微生物进行厌氧或兼性厌氧功能的优化筛选,有利于厌氧细菌在窖内的生长代谢。 2 茅台酒的极端酿酒微生物 2.1 茅台酿酒极端环境中的典型性微生物分类 极端环境微生物的种类有嗜热菌、嗜酸菌、嗜盐菌、嗜压菌、嗜碱菌、抗辐射菌、嗜冷菌。比较茅台酒酿酒环境中的极端微生物,较典型的、较多的是嗜热菌和嗜酸菌型微生物。 2.1.1 嗜热菌及其嗜热机理 最高生长温度高于60 ℃,最适生长温度高于50 ℃的微生物称之为嗜热菌。茅台酒生产高温制曲和高温堆积发酵极端酿造环境中的微生物多属于中温嗜热菌。嗜热菌中tRNA的周转率大于中低温菌的周转率,并且核酸中的GC含量比中低温菌的GC含量高,因为高的GC含量有助于DNA的抗热性,所以嗜热菌对高温有一定的耐受性。嗜热菌在高温条件下不但热稳定性高而且代谢速度也快。同时,嗜热菌的酶和蛋白质比中低温菌的酶和蛋白质具有较高的热稳定性,有利于细胞的热稳定性[4]。还有,嗜热菌的核糖体比中低温菌的核糖体的抗热性高。 2.1.2 嗜酸菌及其嗜酸机理 嗜酸型微生物大多生长在pH4.0~9.0的范围内,最适生长pH接近中性,而极端嗜酸微生物则生长在pH 3.0以下。根据嗜酸微生物的生长温度范围,茅台酒酿酒极端环境中的微生物多属于常温型和中温型微生物。其嗜酸机制为在其细胞壁和细胞膜上存在有阻止H十进入细胞内的物质。细胞膜表面存在大量的金属离子如Cu2 等,其可与周围环境中的H十进行交换,从而阻止了H十对细胞的损伤;同时细胞壁和膜上含有一些特殊的化学成分使得这些微生物具有抗酸能力;还有由于浓度差造成的泵的功能很强也可增加其耐酸性能。 2.2 茅台酒酿酒极端环境中主要微生物的演替 2.2.1 极端酿酒环境中细菌的演替 茅台大曲曲坯入库时,细菌的种类和数量都比较多,以G-菌为主,如假单胞菌、兼性好氧菌;芽孢杆菌在数量和种类上都较少。到大曲的升温阶段,由于曲品温开始上升,此时细菌也开始大量繁殖,数量达到高峰期。不耐热的G- 菌在58~65 ℃的高温发酵环境,因细胞耐热差而使其生理生化活性失活而死亡。因此,在极端的高温制曲环境中主要以G 菌为主,如产芽孢的Bactillus 属、Coccus属以及Thermoactinomyces 属的部分种[5];最终到第一次翻仓时数量达107~108个/g曲。在高温生香阶段,主要以产芽孢的G 为主,如具有周身鞭毛、无荚膜的菌株B43,B19,B4等,产芽孢的有荚膜、无鞭毛的菌株B58,B17,B18等。在整个高温制曲生香阶段,微生物的数量级维持在105~106个/g曲。在大曲干燥阶段,微生物在种类上仍以G 为主[6]。 在高温堆积发酵环境中,由于温度相对较制曲高温阶段低,不利于细菌特别是耐高温细菌的生长繁殖,所以细菌的数量不断下降。 经过对不同发酵时期的曲醅、酒醅中的微生物进行分离、纯化培养发现:不同发酵时期的堆积酒醅、曲醅中的细菌多以好氧的具有芽孢的G C mo1 %在32 %~69 %为Bacillus属的微生物,如Bacillus licheniformis,Bacillus megaterium,Bacillus subtilis,同时还有Stphylococcus,Agrobacterium,Mobilis等属的许多种[7]。 2.2.2 极端酿酒环境中酵母菌的演替 酵母菌因耐受高温的承受能力有限,主要集中于制曲的前期和高温堆积发酵的前期。在制曲前期,一般占2 %~5 %,中后期由于58~65 ℃的高温,酵母菌逐渐死亡。制曲发酵过程中检测到的酵母菌种类主要有[6]:Zygosaccaromyces Cidrci,Issatchonkia Orientalis,Issatchonkia Scutulata Varaxingae.Hyphichia Burtoniia 等。 在极端的高温堆积发酵环境中,微生物在消长过程中相互作用,以达到富集微生物特别是酿酒酵母的目的。堆积酒醅中的酵母菌总数是不堆积酒醅中的l4倍,不经堆积的酒醅中主要以细菌为主,而且此种酒醅不能生产出好茅台酒。高温堆积过程,特别是糙沙时酸度适宜,气候好,酵母数量猛增。在堆积过程中,酵母菌数上升而细菌菌数下降;在酒醅入窖发酵前仍然以酵母占绝对优势。 高温堆积过程酒醅中的微生物包括:Candida,Saccharomyces,Schizosaclmromyces等属的许多种。酵母菌种类主要有:Zygosaccaromyces Cidrci,Issatchonkia Orientalis,Issatchonkia Scutulata Varaxingae.Hyphichia Burtoniiai 等。 2.2.3 极端酿酒环境中霉菌的演替 在茅台高温制曲、高温堆积发酵和窖内厌氧发酵等极端酿酒环境中,霉菌的数量虽然不如细菌和酵母多,但在种类上却不少,而且所起作用很大。所检测出的霉菌有:Aspergillus,Rhizopus,Mucor,Penicilium 以及红曲霉等属种,特别是红曲霉属的种类最多,其作用也很大。 因霉菌有其特殊的细胞结构及其特性,如耐热孢子,因此适宜在潮湿、多氧的环境中生长繁殖。因而在整个高温制曲顶火温度前和堆积发酵过程,霉菌的种类和数量都较多。在高温堆积过程后期部分霉菌逐渐消失。 2.2.4 极端酿酒环境中放线菌的演替 在茅台酒极端酿酒环境中,放线菌虽然数量较少,但也是茅台酒生态环境中酿酒微生物中的一大类。在其发酵过程,由于其种类和数量上的演替,代谢产生许多抑制其他微生物生长、代谢的次级代谢产物 抗生素,可以起到调节多菌种的混合发酵途径和代谢产物的积累,同时也实现了自身的演替过程。 2.3 茅台酿酒极端环境中的极端微生物酶 微生物在漫长的演化过程中适应了独特的栖息环境,造就了形形色色的极端微生物,极端微生物体内特有的、强大的极端酶系是其赖以生存的基础,同时极端酶系和代谢产物也为人类提供巨大的财富。根据极端微生物的分类,相应地将极端微生物酶大致分为嗜热酶、嗜酸酶、嗜冷酶、嗜压酶、嗜碱酶、嗜盐酶、耐有机溶剂酶等。极端酶系超出了传统酶催化功能的临界范围,其优异的催化效果给众多的领域带来了新的活力,有着广阔的应用前景和开发潜力。 如在茅台高温制曲、高温堆积发酵和窖内高温厌氧发酵等极端酿酒环境中,极端微生物的生长代谢可产生多种热稳定性的酶,如淀粉酶、蛋白酶、糖化酶、纤维素酶、葡萄糖甘酶、木聚糖酶、参与氧化还原反应的各种脱氢酶、磷酸烯醇丙酮酸激酶及DNA聚合酶等。这些酶在制曲和发酵过程中发挥了重要作用。在茅台酒酿造极端环境中,产生各种酶的菌株主要有:Bacillus Subtilis.Bacillus Licheniformis.Bacillus Stearthermophilus.Bacillus Thermoglucoseidasuis.Bacillus Amyloliquefacieus 等[6]。 3 讨论 3.1 茅台酒2000多年的高温制曲、高温堆积发酵、高温厌氧发酵等独特的极端环境长期对酿酒微生物进行驯化,各种微生物经过遗传、变异、消长和衍化等微生物群落的演替,促成了其酿酒微生态环境中丰富的耐高温、耐高酸和耐高酒度等极端微生物的富集。独特的极端酿酒环境在生产中自然调控了不同工艺环境中微生物及其代谢过程不同酶系和代谢产物的自然演替,实现了茅台酒生产过程不同工艺阶段对不同微生物群种的调控和需求。 3.2 不同的酿酒极端环境中的极端微生物,在生产过程通过不同代谢途径的相互组合、阻遏和调节,完成了多种微生物混合发酵过程的复杂代谢和代谢产物的多样性,富集了大量的呈香呈味物质及其前体;以及在混合发酵过程通过复杂的代谢途径,实现了适宜于茅台酒生产的微生物适应性的筛选。 3.3 茅台极端酿酒环境和极端酿酒微生物是茅台酒生产典型的、独特的资源和特征,是茅台酒生产和发展的基础。茅台酒异地生产实验不成功的事实充分证明了茅台酒与其极端的酿酒环境和极端微生物密切相关。离开了茅台就无法生产出茅台酒,这就是茅台酒极端的酿酒环境和极端微生物的科学之所在。茅台酒极端酿酒环境和极端微生物是我国宝贵的民族遗产。进行茅台酿酒极端环境和极端微生物的研究,对挖掘茅台酒酿酒极端微生物资源的研究和开发;茅台酒生产过程微生物及其代谢产物的研究;极端微生物酶的开发;及高温、高酸、高酒精度对发酵过程微生物的应急反应的影响等课题的研究提供了理论基础;对茅台酿酒微生物的资源保护和茅台酒的发展以及其经济和科学研究价值均具有重要的作用。

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