Sustainable Exploitation of Wine Lees as Yeast Extract Supplement for Application in Food Industry and Its Effect on the Growth and Fermentative Ability of Lactiplantibacillus plantarum and Saccharomyces cerevisiae
葡萄酒酒糟酵母提取物可持续开发及其对植物乳杆菌、酿酒酵母生长与发酵性能的影响
期刊：Sustainability，2024，DOI：10.3390/su1619844
一、摘要内容总结
1. 葡萄酒酒糟是酿酒大宗副产物，产量巨大且处置成本高，传统商用酵母提取物（CYE）生产成本昂贵，本研究以希腊阿西尔提可白酒糟为原料自制酒糟酵母提取物WLYE，探究其替代商用酵母提取物的可行性。
2. 以葡萄酒两大核心微生物——酿酒酵母、植物乳杆菌为试验菌株，设置纯CYE、纯WLYE、二者复配三类培养基，考察提取物类型、添加浓度、初始接种浓度对最大比生长速率μmax、延滞期λ、最大菌体浓度ymax三类动力学参数的影响。
3. 对于植物乳杆菌，WLYE组与CYE组生长动力学参数无显著差异，复配使用反而抑制生长；对于酿酒酵母，CYE+WLYE复配体系μmax高于单一提取物，但会延长延滞期、降低菌体峰值。
4. 人工葡萄汁发酵验证：以WLYE培养的菌株，耗糖速率、产乙醇量与CY培养菌株无明显差距，证明WLYE不损伤菌株发酵能力。
5. 酒糟副产物制备WLYE经济环保，契合循环经济、可持续食品工业理念，可作为低成本氮源替代商用酵母提取物用于葡萄酒微生物培养。
二、关键词
葡萄酒酒糟；酵母提取物；植物乳杆菌；酿酒酵母；生长动力学；发酵性能；循环经济；氮源
三、研究目的
1. 建立葡萄酒酒糟自溶、冻干制备WLYE完整工艺，获得低成本酒糟酵母提取物粉末。
2. 对比CYE、WLYE、混合提取物三种氮源对植物乳杆菌生长动力学参数的影响差异。
3. 梯度设置0.5–10 g/L添加量，探究不同浓度CYE/WLYE对酿酒酵母μmax、延滞期、最大生物量的调控规律，建立生长回归模型。
4. 分别将两种提取物活化后的菌株投入模拟葡萄汁发酵，评估菌株耗糖、产乙醇等实际发酵能力是否受氮源类型影响。
5. 综合生长与发酵数据，论证WLYE替代商用酵母提取物的工业应用潜力，为酒糟资源化利用提供理论支撑。
四、研究思路
1. 酒糟前处理与WLYE制备：酒糟离心取固相，加水调pH振荡自溶，真空浓缩、冷冻干燥得到粉末WLYE。
2. 培养基配制：植物乳杆菌采用MRS基质，设置CYE、WLYE、等量复配三组；酿酒酵母使用YCB无氮基础培养基，设置多梯度单一/混合提取物组别。
3. 高通量生长测定：微孔板30℃连续48h测OD，梯度稀释获得2–6 log(CFU/mL)初始菌浓，Baranyi-Roberts模型拟合μmax、λ、ymax，采用Bioscreen配套浊度检测体系采集时序数据。
4. 发酵性能测试：分别用CYE、WLYE活化两株菌，接种人工葡萄汁7天发酵，定时检测还原糖、pH，酿酒组额外测定最终乙醇含量。
5. 统计分析：ANOVA结合Tukey多重比较分析变量显著性，构建酿酒酵母生长线性回归模型，残差检验模型拟合优度。
五、研究亮点
1. 首次系统对比酒糟自制WLYE与商用CYE对葡萄酒乳酸菌、酵母菌生长与发酵的全套影响，完整验证替代可行性。
2. 明确菌株差异化响应规律：植物乳杆菌单独WLYE适配性良好，复配提取物存在拮抗抑制；酿酒酵母复配可提升生长速率，但生长周期与生物量受损。
3. 建立酿酒酵母生长预测线性方程，可根据提取物浓度、初始菌浓精准预判菌株最大生长速率与延滞时长，量化氮源作用规律。
4. 发酵试验实锤：WLYE培育的菌株完整保留苹果酸降解、酒精发酵核心功能，不降低葡萄酒酿造效果。
5. 解决行业痛点：商用酵母提取物成本高昂，酒糟为废弃副产物，WLYE大幅降低微生物培养原料成本，实现酿酒废料高值化。
6. 完善葡萄酒副产物循环利用理论，为食品发酵工业低成本氮源开发提供标准化制备与评价方案。
六、可延伸的方向
1. 优化酒糟自溶温度、pH、时间工艺，提升WLYE游离氨基酸、维生素含量，进一步改善促生长活性。
2. 拓展多种葡萄酒乳酸菌、工业酿酒菌株开展验证，扩大WLYE适用菌种范围。
3. 开展真实酒庄大田发酵中试，评估WLYE对葡萄酒香气、感官品质的长期影响。
4. 探究WLYE与蛋白胨、玉米浆等其他廉价氮源复配协同促生长效果。
5. 测定WLYE抗氧化、抑菌附加功能，拓展饲料、生物培养基多领域应用场景。
6. 开展经济技术核算，量化规模化生产WLYE的成本优势与碳减排效益。
七、测量的数据及对应图表、研究意义
1. 图1：初始菌浓对植物乳杆菌μmax影响曲线，直观对比CYE、WLYE、复配三组生长速率差异。
2. 图2：植物乳杆菌延滞期λ、最大菌体ymax双指标分图，体现复配体系抑制效应。
3. 图3：不同浓度CYE/WLYE下酿酒酵母μmax柱状图，证实高浓度提取物提升生长速率。
4. 图4：酿酒酵母生长回归残差直方图、正态概率图，验证模型拟合可靠性。
5. 图5：酿酒酵母各组延滞期λ对比柱状图，说明复配氮源会延长适应期。
6. 图6：酿酒酵母最大生物量ymax各组数据，单一提取物菌体产量优于复配组合。
7. 图7：植物乳杆菌发酵还原糖消耗曲线，CYE与WLYE组耗糖趋势高度重合。
8. 配套回归方程、拟合决定系数附表，可直接用于微生物生长定量预测。
八、得出的结论
1. 通过酒糟固相自溶、冻干工艺可稳定制备WLYE，原料为酿酒废弃副产物，原料成本极低，契合循环工业模式。
2. 对于植物乳杆菌，单独使用WLYE作为氮源时，μmax、延滞期、最大菌体浓度与商用CYE无显著差异；CYE+WLYE复配会抑制其生长，不推荐混用。
3. 酿酒酵母体系中，CYE与WLYE复配可提高最大比生长速率，但会延长延滞期、降低峰值生物量；单一高浓度WLYE（10 g/L）可达到接近商用提取物的生长效果。
4. 经WLYE活化的植物乳杆菌、酿酒酵母，在模拟葡萄汁中耗糖速率、产乙醇、苹果酸代谢能力与CYE培育菌株无明显区别，发酵功能不受氮源类型影响。
5. 生长线性回归模型可精准描述提取物浓度、初始菌浓与酿酒酵母动力学参数的关联，模型拟合度R²＞90%，可用于发酵培养基预设计。
6. WLYE是可靠低成本替代氮源，能够完全替代CYE用于葡萄酒微生物扩大培养，具备大规模工业化应用价值。
九、芬兰Bioscreen仪器微生物生长曲线数据的研究意义
1. 96孔高通量板一次性完成多浓度、多初始菌浓、三种氮源平行培养，同步设置空白对照，大幅减少分批试验带来的环境误差。
2. 仪器每10分钟自动采集OD浊度，连续48h完整记录菌株全生长周期，精准捕捉延滞期长短、生长速率细微差异。
3. 批量输出时序浊度数据，直接导入Baranyi-Roberts模型拟合，自动化计算μmax、λ、ymax三大核心动力学指标，省去人工读数误差。
4. 全程恒温可控振荡培养，统一温度、溶氧条件，生长数据重复性、统计学可靠性显著提升。
5. 自动生成标准化生长趋势图、对比柱状图，作为核心定量图表支撑两种酵母提取物性能对比结论。
6. 该高通量检测流程可标准化用于各类发酵氮源促生长活性批量筛选，大幅缩短培养基优化试验周期。