王金晶，楊靜靜，丁華建，鄭梅瑩，李崎*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214122) 2 (江南大學(xué) 釀酒科學(xué)與工程研究室,江蘇 無錫,214122)

啤酒發(fā)酵過程中酵母環(huán)境壓力應(yīng)答機(jī)制研究進(jìn)展

王金晶1,2，楊靜靜1,2，丁華建1,2，鄭梅瑩1,2，李崎1,2*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214122) 2 (江南大學(xué) 釀酒科學(xué)與工程研究室,江蘇 無錫,214122)

在啤酒發(fā)酵過程中，生產(chǎn)高質(zhì)量的啤酒要求相應(yīng)的工藝條件以保證啤酒的質(zhì)量以及酵母的活力。大多數(shù)的風(fēng)味物質(zhì)都是在后熟的過程中形成，在后熟過程中，啤酒酵母暴露在不同的壓力條件下，包括滲透壓、pH、酒精濃度、營(yíng)養(yǎng)以及溫度等。在長(zhǎng)期的馴化過程中，啤酒酵母自身表現(xiàn)出各種壓力應(yīng)答機(jī)制以適應(yīng)啤酒發(fā)酵過程。本論文概述了啤酒發(fā)酵過程中啤酒酵母受到的壓力，重點(diǎn)探討了啤酒酵母在后酵期經(jīng)受的壓力以及壓力應(yīng)答的分子機(jī)制，并對(duì)如何提高啤酒酵母環(huán)境壓力應(yīng)答能力進(jìn)行了展望。

啤酒發(fā)酵; 酵母; 環(huán)境壓力; 全局應(yīng)答系統(tǒng)

啤酒酵母是啤酒釀造的靈魂，啤酒的風(fēng)味主要由啤酒酵母代謝產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)綜合形成，啤酒酵母的質(zhì)量控制決定了啤酒的質(zhì)量?，F(xiàn)代啤酒高濃度釀造的工業(yè)發(fā)酵條件給酵母不同于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的條件，造成啤酒酵母自溶的壓力貫穿了整個(gè)啤酒釀造過程，主要包括發(fā)酵初期的高糖、高滲透壓，發(fā)酵過程中的氧化壓力，以及發(fā)酵后期尤其是后酵期來自于酒精的毒性和營(yíng)養(yǎng)缺乏的壓力[1]。當(dāng)酵母細(xì)胞感受到壓力或者對(duì)細(xì)胞來說產(chǎn)生一種毒性刺激而無法抵御時(shí)，細(xì)胞開始自我降解。研究指出，當(dāng)超過5%酵母發(fā)生自溶時(shí)，啤酒質(zhì)量將發(fā)生不可挽回的破壞。啤酒酵母(Saccharomycespastorianus)自溶將會(huì)給啤酒的風(fēng)味、品質(zhì)帶來重大影響，包括影響啤酒風(fēng)味，影響啤酒膠體穩(wěn)定性，影響泡沫性能以及引起微生物污染等[2-4]。因此，在啤酒生產(chǎn)過程中，不希望發(fā)生酵母自溶或希望盡量的減少發(fā)生酵母自溶。

啤酒酵母作為啤酒釀造的重要因素，其環(huán)境壓力應(yīng)答對(duì)啤酒發(fā)酵過程的正常進(jìn)行有著舉足輕重的作用。本文綜述了啤酒酵母在發(fā)酵過程中的環(huán)境壓力應(yīng)答以及相關(guān)的應(yīng)答機(jī)制，以期為提高啤酒品質(zhì)提供理論依據(jù)和參考。

1 啤酒酵母抗氧化應(yīng)力應(yīng)答

盡管酵母屬于兼性厭氧微生物，在啤酒發(fā)酵過程中，氧氣仍然對(duì)啤酒酵母的代謝起到非常重要的作用。在發(fā)酵初期通氧是必須的，充足的氧氣能夠保證酵母的生長(zhǎng)，同時(shí)也保障了細(xì)胞膜脂類的合成，以及甾醇和不飽和脂肪酸的合成[1]。但是氧氣的存在也是造成酵母以及啤酒老化的最主要原因，其中最主要的因素即活性氧自由基(ROS)[5]。

啤酒中老化物質(zhì)的形成機(jī)理復(fù)雜，老化物質(zhì)種類繁多。啤酒酵母代謝過程中所形成的內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)對(duì)啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性具有重要作用。不同的啤酒酵母菌株的抗氧化能力取決于其細(xì)胞內(nèi)的抗氧化分子的多少，這些抗氧化分子包括了一些非酶分子如谷胱甘肽(GSH)、金屬硫蛋白、海藻糖、泛醌、麥角固醇和酶分子如過氧化氫酶、細(xì)胞色素c過氧化物酶、超氧化物歧化酶、谷氧還蛋白、谷胱甘肽還原酶、硫氧還蛋白還原酶等[1]。不論是在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模發(fā)酵或者工業(yè)生產(chǎn)過程中都發(fā)現(xiàn)了啤酒酵母能夠在氧化壓力下非常迅速的應(yīng)答環(huán)境壓力。CLARKSON等人[6]發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中加氧或除氧會(huì)造成胞內(nèi)錳超氧化物歧化酶以及過氧化物酶活力的變化。WALKER等[7]人報(bào)道隨著酵母接種的進(jìn)行，過氧化物酶活性提高。GSH作為一種非常出色的抗氧化劑，其在氧脅迫下的生物合成機(jī)制一直是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。GIBSON等人[1]發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中釀酒酵母胞內(nèi)GSH含量受氧濃度調(diào)控。GSH由GSH1和GSH2基因催化合成，研究發(fā)現(xiàn)，酵母的GSH的合成與二氧化硫、硫化氫合成途徑密切相關(guān)。通過對(duì)啤酒酵母GSH合成過程中GSH1基因的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)在啤酒酵母中過表達(dá)GSH1基因能夠提高啤酒酵母的GSH合成量，提高啤酒酵母的抗氧化能力[8-9]。在啤酒發(fā)酵后期，酵母細(xì)胞中抗氧化基因轉(zhuǎn)錄增加，使抗氧化物質(zhì)得到積累以抵抗氧自由基對(duì)酵母帶來的壓力[10]。研究發(fā)現(xiàn)，啤酒發(fā)酵后期，啤酒酵母中與抗氧化壓力相關(guān)的途徑中，谷胱甘肽合成途徑中GPX1，GRX6，GSH1，GLR1幾個(gè)重要基因的表達(dá)量明顯上調(diào)；超氧游離基消除途徑中SOD1，CTT1，CTA1基因發(fā)生了明顯上調(diào)，僅有SOD2基因水平發(fā)生輕微下調(diào)；其他抗氧化壓力相關(guān)基因PRX1，SNT2，ERV1，YAP1，YRR1，AFT2都發(fā)生了不同程度的上調(diào)[11-12]。

海藻糖是一類非常重要的壓力保護(hù)劑，在酵母中含量非常高，可達(dá)到細(xì)胞干重20%以上。海藻糖的抗氧化壓力主要體現(xiàn)在其保護(hù)細(xì)胞組分免受ROS破壞。研究發(fā)現(xiàn)，與海藻糖合成TPS1、TPS2、TSL1、TPS3)與降解(NTH1、NTH2、ATH1)相關(guān)的基因受STRE元件的調(diào)控[13-14]。在酵母自溶過程中，與海藻糖降解相關(guān)基因ATH1和NTH1的表達(dá)水平發(fā)生了相應(yīng)的下調(diào)，使海藻糖降解速度減慢，從而保證了海藻糖在啤酒酵母細(xì)胞中的積累，保護(hù)細(xì)胞不受發(fā)酵液中的氧自由基侵襲[15]。當(dāng)細(xì)胞缺乏鋅指轉(zhuǎn)運(yùn)激活因子Msn2p和Msn4p時(shí)，細(xì)胞將無法合成海藻糖。另外，在發(fā)酵后期，缺氧條件下控制酵母細(xì)胞壁合成相關(guān)的基因如CWP1和CWP2表達(dá)上調(diào)，以應(yīng)答缺氧條件的環(huán)境壓力[1]。

2 啤酒酵母抗?jié)B透壓力應(yīng)答

對(duì)啤酒酵母而言，滲透壓力貫穿整個(gè)發(fā)酵過程，從發(fā)酵起始的高濃度糖至發(fā)酵后期的高濃度酒精都給啤酒酵母帶來一定的滲透壓力。現(xiàn)代啤酒工業(yè)生產(chǎn)中的高濃釀造技術(shù)要求啤酒酵母具有較好的抗?jié)B透壓能力。而酵母的滲透壓調(diào)節(jié)能力可以分為自身具有的物理抗?jié)B透能力以及長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境形成的適應(yīng)性抗?jié)B透能力。啤酒酵母的物理抗?jié)B透能力因菌株而異，并且穩(wěn)定期細(xì)胞抗?jié)B透能力較對(duì)數(shù)期好[1]。啤酒發(fā)酵后期，酵母處在一個(gè)低糖高酒精環(huán)境中，來自酒精的壓力為細(xì)胞造成了一定的滲透壓力。研究表明，酵母細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成會(huì)影響細(xì)胞的抗?jié)B透能力，增加細(xì)胞壁中葡聚糖、甘露聚糖含量能夠有效提高酵母的抗?jié)B透壓能力[16-17]。BURATTINI及CAVAGANA等人發(fā)現(xiàn)酵母葡聚糖的代謝與細(xì)胞壁增厚存在一定的關(guān)聯(lián)性[18-19]。葡聚糖合成酶包括兩個(gè)亞單元，分別膜結(jié)合催化亞基以及GTP結(jié)合調(diào)節(jié)亞基，其中FKS1、FKS2和FKS3基因被認(rèn)為是催化亞基的編碼基因，而RHO1、ROM2、WSC3、WTL1、LRE1、ZDS1等基因則屬于調(diào)節(jié)亞基的編碼基因[20]。在啤酒酵母的選育過程中，我們基于啤酒酵母細(xì)胞壁組成的特點(diǎn)，通過紫外誘變篩選獲得的酵母采用壓力抗性平板復(fù)篩，最終獲得了抗壓能力明顯提高的啤酒酵母菌株。分析該啤酒酵母誘變菌株的細(xì)胞壁成分，發(fā)現(xiàn)其葡聚糖含量是出發(fā)菌株的1.5倍以上，甘露聚糖含量也有了一定量的提高，其總多糖的含量比出發(fā)菌株提高了近49%。酵母細(xì)胞壁多糖的含量的增加有效地提高了啤酒酵母對(duì)外界滲透壓的抗逆能力[21]。

酵母細(xì)胞中存在著多種信號(hào)傳遞系統(tǒng)，其中由蛋白激酶C(Pkc1p)介導(dǎo)的MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在維持細(xì)胞壁完整性方面起著重要的作用，因此被稱為酵母細(xì)胞壁完整性(CWI)信號(hào)途徑。MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的核心是由蛋白激酶C的磷酸化觸發(fā)了下游一系列的磷酸化過程，使該系統(tǒng)處于激活態(tài)，進(jìn)而介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)一系列生物學(xué)變化。CWI途徑為酵母細(xì)胞提供一種加強(qiáng)和修復(fù)細(xì)胞壁損傷以抵御環(huán)境壓力的方式。在細(xì)胞中表達(dá)的Mid2p、Wsc1p、Mtl1p等感應(yīng)因子感受到環(huán)境壓力變化后會(huì)將信號(hào)傳遞給Rom2p，然后至Rho1p，Rho1p激活Pkc1蛋白激酶，由Pkc1再激活MAPK模塊；同時(shí)，Pkc1p使Bck1p磷酸化并將信號(hào)傳導(dǎo)給Mkk1和Mkk2p，進(jìn)一步激活Slt2/Mpk1[22]。CWI途徑作為細(xì)胞中最重要的應(yīng)激反應(yīng)途徑之一，其感知因子WSC1、MID2及MTL1在啤酒酵母感受到壓力過程中表達(dá)發(fā)生下調(diào)，而其他基因如BCK1、RLM1及SKN7等則發(fā)生了不同程度的上調(diào)，進(jìn)而引起酵母細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)[15]。

適應(yīng)性抗?jié)B透能力來自于對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，尤其明顯的是細(xì)胞的大小。當(dāng)滲透壓增大時(shí)，酵母細(xì)胞迅速的變小，而當(dāng)壓力消失之后，細(xì)胞會(huì)逐漸恢復(fù)原來的大小。LEVIN等人發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象與HOG1/MAP激酶途徑相關(guān)，細(xì)胞壁上的Wsc1p感受到壓力時(shí)，HOG途徑中的相關(guān)酶被激活，調(diào)整細(xì)胞壁的流動(dòng)性以改變細(xì)胞的大小。在啤酒酵母的自溶過程中，HOG途徑中SLN1，HKR1，MSB2，YPD1，SSK1，SSK2/22，PBS2，STE50基因表達(dá)發(fā)生明顯上調(diào)，表明啤酒酵母在自溶過程中細(xì)胞抗?jié)B透壓力能力被激活[12]。在酵母細(xì)胞膜上存在一個(gè)水通道蛋白，是跨膜蛋白家族中主要內(nèi)在蛋白(MIP)中最大的一個(gè)蛋白，它還包含了質(zhì)膜內(nèi)在蛋白(PIPs)和液泡膜內(nèi)在蛋白(TIPs)。而水通道蛋白編碼基因AQY1和AQY2與酵母細(xì)胞的適應(yīng)性抗?jié)B透壓能力有著非常密切的關(guān)系[23]。近期研究發(fā)現(xiàn)在某些啤酒酵母中AQY2基因并沒有功能，而只需要有AQY1基因即可以執(zhí)行水通道蛋白功能。適應(yīng)性抗?jié)B透壓能力的獲得對(duì)啤酒酵母釀造后期適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境提供了便利。

3 酵母抗酒精毒性壓力應(yīng)答

在啤酒釀造過程中，麥汁中的酒精濃度不斷升高，對(duì)酵母來說就是暴露在毒性越來越強(qiáng)的酒精溶液中。在正常的發(fā)酵情況下，發(fā)酵結(jié)束時(shí)，酒精濃度大約在3%～6%，但是在高濃釀造中，發(fā)酵結(jié)束時(shí)酒精的濃度會(huì)達(dá)到10%以上[24]?，F(xiàn)今，因高濃度釀造具有提高啤酒產(chǎn)量、減少能耗、降低成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而成為啤酒釀造中一種標(biāo)準(zhǔn)的釀造方法，。有報(bào)道稱高濃釀造生產(chǎn)的啤酒有更好的風(fēng)味和穩(wěn)定性[25]。然而高濃釀造很大程度是建立在損害啤酒酵母本身的生理狀態(tài)和后續(xù)發(fā)酵性能的基礎(chǔ)上的。在現(xiàn)代高濃釀造生產(chǎn)中，發(fā)酵結(jié)束時(shí)酒精濃度可高達(dá)16% vol，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了12 P麥汁發(fā)酵產(chǎn)生的3%～6% vol的酒精度，由此導(dǎo)致細(xì)胞活力減弱，后續(xù)發(fā)酵能力降低。

酒精對(duì)酵母細(xì)胞膜的破壞最嚴(yán)重，其中主要的影響包括限制細(xì)胞的生長(zhǎng)，限制細(xì)胞的大小，使細(xì)胞活力下降，呼吸能力下降，葡萄糖同化能力減弱，發(fā)酵性能下降，脂肪的改造，質(zhì)子穿膜能力的喪失，膜的通透性增加，膜內(nèi)pH值下降等[26]。有許多研究報(bào)道指出酵母細(xì)胞膜的變化是細(xì)胞酒精耐受的重要原因。酵母細(xì)胞通過增加膜的不飽和度以增加其流動(dòng)性來抵抗酒精濃度的提高。研究發(fā)現(xiàn)，油酸是抵制酒精最重要的脂肪酸之一。釀酒酵母質(zhì)膜中最主要的游離脂肪酸是軟脂酸(C16∶1)和油酸(C18∶1)，是由兩者各自的飽和脂肪酸分別去飽和化所形成的。該反應(yīng)由去飽和酶(OLE1基因編碼)催化進(jìn)行，在發(fā)酵過程中OLE1基因表達(dá)上調(diào)使不飽的脂肪酸含量增加，增加了細(xì)胞膜的流動(dòng)性[27]。近年來的研究進(jìn)一步證明了油酸(C18∶1)是酵母能夠抑抗酒精毒性的主要因素之一[28]。這種不飽和脂肪酸含量上升、相應(yīng)的飽和脂肪酸含量下降，同時(shí)發(fā)生在上面發(fā)酵酵母和下面發(fā)酵酵母中。但是，是否僅因?yàn)槟さ闹舅峤M成發(fā)生了變化使酒精耐受性提高而導(dǎo)致發(fā)酵性能的提高，或者僅因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)條件的改善而導(dǎo)致發(fā)酵性能提高還無從論證。另外，有研究指出海藻糖的積累與酒精耐受機(jī)制也有一定的聯(lián)系，ALEXANDRE等[29]報(bào)道將酵母細(xì)胞置于酒精濃度為7%的壓力環(huán)境下，海藻糖合成基因表達(dá)將會(huì)上調(diào)。

通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵后期，一些抗氧化相關(guān)的基因表達(dá)水平上調(diào)。JAMES等發(fā)現(xiàn)在啤酒發(fā)酵過程中，發(fā)酵3 d或8 d后，不管是否處于無氧狀態(tài)，有9個(gè)與抗氧化相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。但是，這種抗氧化基因的表達(dá)上調(diào)是由于其它的壓力存在或者是直接暴露于酒精的壓力下所造成的還不明確[27, 30]。將酵母暴露在7%的酒精中30分鐘后發(fā)現(xiàn)CTT1基因的表達(dá)量增加了12倍[29, 31]。

4 啤酒酵母抗饑餓壓力應(yīng)答

麥汁是一個(gè)復(fù)雜的生長(zhǎng)環(huán)境，主要包含碳水化合物(90%麥汁固形物)和含氮物質(zhì)(5%麥汁固形物)，還有一部分磷酸鹽、無機(jī)離子、脂類、有機(jī)酸、多酚和核酸衍生物。啤酒酵母對(duì)可發(fā)酵糖和可利用氮源耗盡的反應(yīng)就是進(jìn)入穩(wěn)定期。進(jìn)入穩(wěn)定期后，酵母不再經(jīng)歷復(fù)制而停留在G0期，進(jìn)入沉默期。沉默是細(xì)胞對(duì)抗?fàn)I養(yǎng)消耗的一種普遍的現(xiàn)象。

細(xì)胞的沉默機(jī)制可以在營(yíng)養(yǎng)缺乏的狀態(tài)下保護(hù)細(xì)胞。這種脅迫應(yīng)答途徑通常包括細(xì)胞分裂停止，細(xì)胞壁增厚，細(xì)胞的孔洞減少，細(xì)胞壁甘露聚糖蛋白結(jié)構(gòu)變化以增加對(duì)抗裂解酶的能力，胞內(nèi)蛋白酶積累，液泡中多磷酸鹽積累，貯存性碳水化合物增加，以及抗壓力性能加強(qiáng)[31-32]。這些改變使沉默期的細(xì)胞對(duì)外界的環(huán)境變化敏感性降低，以保證細(xì)胞能夠在營(yíng)養(yǎng)不足的情況下抵御某些特定的壓力。隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，細(xì)胞進(jìn)入到穩(wěn)定期時(shí)，胞內(nèi)糖元和海藻糖的含量也發(fā)生了相應(yīng)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵后期，控制糖元以及海藻糖合成的基因表達(dá)水平明顯上調(diào)[33-34]。由于氮缺乏會(huì)誘導(dǎo)酵母細(xì)胞的全局應(yīng)答即GSR現(xiàn)象，因此推測(cè)海藻糖的積累和降解是一個(gè)壓力應(yīng)答單元(STRE)介導(dǎo)的氮源缺乏應(yīng)答途徑。另外，海藻糖也有調(diào)節(jié)糖酵解的作用。研究證實(shí)海藻糖-6-磷酸抑制己糖激酶的活性，限制了糖酵解途徑中糖的同化作用，在發(fā)酵起始調(diào)控中具有重要的用，而這個(gè)途徑具體的調(diào)控機(jī)制至今也沒有研究。

5 酵母的全局壓力應(yīng)答系統(tǒng)

現(xiàn)代啤酒發(fā)酵過程中，酵母是通過壓力泵送到發(fā)酵罐中的，在發(fā)酵過程中需要經(jīng)歷一系列的環(huán)境壓力變化。面對(duì)這一系列不同的壓力，酵母具有一套完整的壓力應(yīng)答系統(tǒng)，各個(gè)代謝途徑相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并具有相對(duì)的穩(wěn)定性，無論是分解代謝還是合成代謝，均能做到既不過量，也不缺少。當(dāng)外界條件發(fā)生變化并足以對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生影響時(shí)，這套靈敏、可塑性強(qiáng)和精確性高的自我代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)就會(huì)適時(shí)作出調(diào)控，從而保證細(xì)胞極其復(fù)雜的生化反應(yīng)能準(zhǔn)確無誤、有條不紊地進(jìn)行。這種調(diào)控常表現(xiàn)為多水平的協(xié)同作用，即稱為全局應(yīng)答系統(tǒng)(GSR)。

GSR可被一系列環(huán)境因素激活，包括氧化、pH、熱力、滲透壓以及氮饑餓。GSR被認(rèn)為是一種抗逆機(jī)制，從進(jìn)化角度來看，這種應(yīng)答機(jī)制允許酵母適應(yīng)不良環(huán)境，以保持繁殖能力。受到壓力脅迫時(shí)，GSR機(jī)制被激活，大約200個(gè)基因的表達(dá)上調(diào)，同時(shí)相應(yīng)的蛋白表達(dá)量也增加，參與到相應(yīng)的細(xì)胞應(yīng)答途徑中[1]。這些基因的表達(dá)是依賴于被誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)區(qū)中CCCCT基因序列來啟動(dòng)的，這些序列被稱為是壓力應(yīng)答單元(STRE)，它首先是在壓力誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)過氧化氫酶編碼基因CTT1的表達(dá)及其伴侶蛋白編碼基因DDR2的表達(dá)中被發(fā)現(xiàn)的[35]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)與STRE單元的激活、相關(guān)的基因誘導(dǎo)與兩個(gè)鋅指轉(zhuǎn)運(yùn)激活因子(Msn2p和Msn4p)相關(guān)[36-37]，在一系列壓力條件下會(huì)被激活。GSR是一個(gè)短暫的過程，在壓力消失后，Msn2p會(huì)被快速降解，所表達(dá)的蛋白也會(huì)逐漸被降解對(duì)細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄水平變化的研究近年來被廣泛應(yīng)用于酵母應(yīng)對(duì)各種環(huán)境壓力的耐受性機(jī)制研究中。同時(shí)，自2009年NAKAO等人完成了第一株啤酒酵母(S.pastorianus)的全基因組測(cè)序工作[38]之后，明確了工業(yè)啤酒酵母的來源，為進(jìn)一步研究啤酒酵母分子機(jī)制提供了方便。基于基因組序列的microarray研究發(fā)現(xiàn)了許多工業(yè)啤酒酵母存在獨(dú)特的抗逆機(jī)制。通過傳統(tǒng)育種方式，SANCHEZ等人將上面發(fā)酵酵母的基因與下面發(fā)酵酵母的基因進(jìn)行了融合，獲得了1株耐高溫、高滲透壓等壓力因素的新型工業(yè)啤酒酵母菌株[32]。

6 結(jié)語

我國(guó)作為啤酒生產(chǎn)大國(guó)，2014年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示中國(guó)的啤酒產(chǎn)量首次出現(xiàn)了下劃趨勢(shì)，并且這一趨勢(shì)在這一兩年內(nèi)持續(xù)發(fā)生，在這個(gè)產(chǎn)量已無法主導(dǎo)市場(chǎng)利潤(rùn)的特殊時(shí)代，啤酒的質(zhì)量成為制約企業(yè)行業(yè)發(fā)展的重要因素，而啤酒酵母的質(zhì)量直接影響著啤酒的質(zhì)量。了解啤酒酵母壓力應(yīng)答機(jī)制，從源頭控制酵母質(zhì)量，提高酵母抗壓能力，有效解決國(guó)內(nèi)啤酒行業(yè)酵母使用代數(shù)少，生產(chǎn)成本高的問題。

[1] GIBSON B R,LAWRENCE S J,LECLAIRE J P, et al. Yeast responses to stresses associated with industrial brewery handling [J]. FEMS Microbiol Rev, 2007, 31(5):535-569.

[2] 王敏. 構(gòu)建fks1缺陷型啤酒酵母基因工程菌改良自溶性能 [D]. 無錫:江南大學(xué)， 2009.

[3] CAMERON-CLARKE A,HULSE G A,CLIFTON L, et al. The use of adenylate kinase measurement to determine causes of lysis in lager yeast [J]. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 2003, 61(3):152-156.

[4] 李崎. 啤酒風(fēng)味及風(fēng)味穩(wěn)定性的研究 [D]. 無錫:無錫輕工業(yè)大學(xué), 1998.

[5] BAMFORTH C W. Cambridge prize lecture: Biochemical approaches to beer quality [J]. Journal of the Institute of Brewing, 1985, 91(3):357-381.

[6] CLARKSON S P,LARGE P J,BOULTON C A, et al. Synthesis of superoxide-dismutase, catalase and other enzymes and oxygen and superoxide toxicity during changes in oxygen concentration in cultures of brewing yeast [J]. Yeast, 1991, 7(2):91-103.

[7] WALKER G. The 4th Brewing Yeast Fermentation Performance Congress, Oxford, England, 9-12 September, 2003 [J]. FEMS Yeast Res, 2004, 4(4-5):567-570.

[8] WANG Z Y,WANG J J,LIU X F, et al. Recombinant industrial brewing yeast strains with ADH2 interruption using self-cloning GSH1+CUP1 cassette [J]. FEMS Yeast Res, 2009, 9(4):574-581.

[9] WANG Z Y,HE X P, ZHANG B R. Over-expression of GSH1 gene and disruption of PEP4 gene in self-cloning industrial brewer′s yeast [J]. Int J Food Microbiol, 2007, 119(3):192-199.

[10] GIBSON B R,LAWRENCE SJ,BOULTON C A, et al. The oxidative stress response of a lager brewing yeast strain during industrial propagation and fermentation [J]. FEMS Yeast Research, 2008, 8(4):574-585.

[11] XU WN,WANG J J, LI Q. Microarray studies on lager brewer′s yeasts reveal cell status in the process of autolysis [J]. FEMS yeast research, 2014, 14(5):714-728.

[12] XU W,WANG J J, LI Q. Comparative proteome and transcriptome analysis of lager brewer′s yeast in the autolysis process [J]. FEMS Yeast Res, 2014, 14(8):1 273-1 285.

[13] FRANCOIS J, PARROU J L. Reserve carbohydrates metabolism in the yeastSaccharomycescerevisiae[J]. Fems Microbiology Reviews, 2001, 25(1):125-145.

[14] HERDEIRO R S,PEREIRA MD,PANEK A D, et al. Trehalose protectsSaccharomycescerevisiaefrom lipid peroxidation. during oxidative stress [J]. Biochimica Et Biophysica Acta-General Subjects, 2006, 1760(3):340-346.

[15] 許維娜. 啤酒酵母自溶評(píng)價(jià)及機(jī)理研究[D]. 無錫:江南大學(xué), 2014.

[16] EKBERG J,RAUTIO J,MATTINEN L, et al. Adaptive evolution of the lager brewing yeastSaccharomycespastorianusfor improved growth under hyperosmotic conditions and its influence on fermentation performance [J]. FEMS Yeast Res, 2013, 13(3):335-349.

[17] LI XE,WANG J,PHORNSANTHIA S, et al. Strengthening of cell wall structure enhances stress resistance and fermentation performance in lager yeast [J]. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 2014,72:88-94.

[18] CAVAGNA M,DELL′ANNA R,MONTI F, et al. Use of ATR-FTIR microspectroscopy to monitor autolysis ofSaccharomycescerevisiaecells in a base wine [J]. J Agric Food Chem, 2010, 58(1):39-45.

[19] BURATTINI E,CAVAGNA M,DELL′ANNA R, et al. A FTIR microspectroscopy study of autolysis in cells of the wine yeastSaccharomycescerevisiae[J]. Vibrational Spectroscopy, 2008, 47(2):139-147.

[20] MIYAMOTO M,FURUICHI Y, KOMIYAMA T. The high-osmolarity glycerol- and cell wall integrity-MAP kinase pathways ofSaccharomycescerevisiaeare involved in adaptation to the action of killer toxin HM-1 [J]. Yeast, 2012, 29(11):475-485.

[21] 李欣兒. 基于細(xì)胞壁多糖組成的壓力耐受啤酒酵母的選育[D]. 無錫:江南大學(xué), 2014

[22] RODICIO R, HEINISCH JJ. Together we are strong—cell wall integrity sensors in yeasts [J]. Yeast, 2010, 27(8):531-540.

[23] LAIZE V,TACNET F,RIPOCHE P, et al. Polymorphism ofSaccharomycescerevisiaeaquaporins [J]. Yeast, 2000, 16(10):897-903.

[24] BRIGGS DE,BOULTON CA,BROOKES PA, et al.Brewing: science and practice: CRC, 2004.

[25] YU ZM,ZHAO MM,LI HP, et al. A comparative study on physiological activities of lager and ale brewing yeasts under different gravity conditions [J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2012, 17(4):818-826.

[26] CANETTA E,ADYA AK, WALKER GM. Atomic force microscopic study of the effects of ethanol on yeast cell surface morphology [J]. FEMS microbiology letters, 2006, 255(2):308-315.

[27] JAMES T,CAMPBELL S,DONNELLY D, et al. Transcription profile of brewery yeast under fermentation conditions [J]. Journal of Applied Microbiology, 2003, 94(3):432-448.

[28] YOU KM,ROSENFIELD CL, KNIPPLE DC. Ethanol tolerance in the yeastSaccharomycescerevisiaeis dependent on cellular oleic acid content [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(3):1 499-1 503.

[29] ALEXANDRE H,ANSANAY-GALEOTE V,DEQUIN S, et al. Global gene expression during short term ethanol stress inSaccharomycescerevisiae[J]. Yeast, 2001, 18:S177-S177.

[30] TRABALZINI L,PAFFETTI A,SCALONI A, et al. Proteomic response to physiological fermentation stresses in a wild-type wine strain ofSaccharomycescerevisiae[J]. Biochemical Journal, 2003, 370(1):35-46.

[31] DING MZ,WANG X,LIU W, et al. Proteomic research reveals the stress response and detoxification of yeast to combined inhibitors [J]. Plos One, 2012, 7(8):e43474.

[32] SANCHEZ R G,SOLODOVNIKOVA N, WENDLAND J. Breeding of lager yeast withSaccharomycescerevisiaeimproves stress resistance and fermentation performance [J]. Yeast, 2012, 29(8):343-355.

[33] WALKEY C J,LUO ZL,BORCHERS CH, et al. TheSaccharomycescerevisiaefermentation stress response protein Igd1p/Yfr017p regulates glycogen levels by inhibiting the glycogen debranching enzyme [J]. FEMS Yeast Research, 2011, 11(6):499-508.

[34] RAUTIO JJ,HUUSKONEN A,VUOKKO H, et al. Monitoring yeast physiology during very high gravity wort fermentations by frequent analysis of gene expression [J]. Yeast, 2007, 24(9):741-760.

[35] KOBAYASHI N, MCENTEE K. Identification ofcisandtranscomponents of a novel heat shock stress regulatory pathway inSaccharomycescerevisiae[J]. Molecular and Cellular Biology, 1993, 13(1):248-256.

[36] TREGER J M,SCHMITT A P,SIMON J R, et al. Transcriptional factor mutations reveal regulatory complexities of heat shock and newly identified stress genes inSaccharomycescerevisiae[J]. The Journal of Biological Chemistry, 1998, 273(41):26 875-26 879.

[37] VERGHESE J,ABRAMS J,WANG Y Y, et al. Biology of the heat shock response and protein chaperones: budding yeast (Saccharomycescerevisiae) as a model system [J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2012, 76(2):115-158.

[38] NAKAO Y,KANAMORI T,ITOH T, et al. Genome sequence of the lager brewing yeast, an interspecies hybrid [J]. DNA Research, 2009, 16(2):115-129.

Research progress in yeast global stress response during beer brewing

WANG Jin-jing1,2, YANG Jing-jing1,2, DING Hua-jian1,2,ZHENG Mei-ying1,2,LI Qi1,2*

1 (The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education School of Biotechnology,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)2 (Lab of Brewing Science and Technology, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In beer brewing, production of beer with high quality requires relative producing techniques to ensure the quality of beer and the yeast. Most of the flavor compounds are produced during post fermentation process, wherein brewer’s yeasts are exposed to various kinds of stress such as osmotic pressure, pH, alcohol, nutrition and temperature. In the process of long term domestication, brewer’s yeasts have developed different stress response mechanisms to adapt the beer brewing process. The different stresses experienced by brewer’s yeast during beer brewing especially the post fermentation process are reviewed in this paper, and the stress response mechanisms of brewer’s yeast are discussed. Meantime, the methods for improving the stress response ability of brewer’s yeast are discussed.

beer brewing; brewer’s yeast; global stress; global stress response

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701044

博士，副教授(李崎教授為通訊作者,E-mail：liqi@jiangnan.edu.cn)。

國(guó)家自然科學(xué)基金(31301539)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31271919)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31571942)

2016-07-08，改回日期：2016-08-04