酿酒酵母在食品科学和其他领域的强大功能

酿酒酵母在食品科学和其他领域的强大功能

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是最早被驯化和广泛研究的真菌之一，在食品发酵、合成生物学、环境保护等多个领域展现出强大的功能。本文将为您详细介绍酿酒酵母在这些领域的应用现状及未来发展方向。

酿酒酵母在食品科学中的应用

酿酒酵母用于食品发酵时，对产品的质量、风味和香气都有重要影响。未来的发展将集中于提高风味多样性，提高生产效率、可持续性和产品一致性，以及利用先进的技术改善发酵特性。

在饮食中，酿酒酵母经常用于酿造和烘焙，如葡萄酒、烈酒、啤酒和酒精饮料的生产、面包和馒头的生产等。酿酒酵母负责发酵将原料中的糖转化为酒精和其他化合物。酿酒酵母产生的风味物质主要包括醇类、醛类、酮类、挥发性酸类、高级醇类、酯类、脂肪酸类等。精确控制酿酒酵母的发酵参数是生产优质发酵食品的关键。

图1 酿酒酵母的细胞形态、菌落形态和繁殖模式。酿酒酵母的细胞形态 (a)；酿酒酵母的菌落形态 (b)；酿酒酵母的繁殖模式 (c)

图2 酿酒酵母在发酵食品、微量元素补充剂、合成生物学研究、饲料、环境保护和生命科学研究等领域的应用

图3 利用酿酒酵母的乙醇发酵 (a)；总结酿酒酵母代谢途径产生的发酵产物(b)

酿酒酵母在工业生产中的应用

在工业上，使用酿酒酵母生产的产品可分为两类：一种产品是由酿酒酵母通过厌氧发酵生产的，这是酿酒酵母的代谢物，如酒精、各种醇和甘油。所开发的酵母菌菌株可以在较高的酒精浓度下存活和发酵，从而减少发酵过程中可能造成的中断，并提高酒精饮料（如威士忌、伏特加和其他烈酒）生产的连续性和效率。从木质纤维素中生产第二代乙醇需要开发强大的酿酒酵母菌株，它能够至少从葡萄糖和木糖中生长和生产乙醇，并表现出对酚、呋喃和弱酸等抑制剂的耐热性和耐受性。另一种类型的产品是酵母通过有氧发酵，这是酿酒酵母的细胞或细胞成分，如酿酒酵母，通常被添加到饲料中作为一种细胞蛋白质。酿酒酵母体积大，营养丰富，蛋白质含量高达60%。

酿酒酵母在合成生物学中的应用

近年来，随着研究的不断，开发了一系列适合酿酒酵母途径的组装工具，使酿酒酵母成为合成生物学研究的理想底盘生物，如青蒿素阿片类药物的生物合成；生产乙型肝炎疫苗和人乳头瘤病毒疫苗。酿酒酵母是真核生物研究的模式生物，具有基因操作简单、基因表达调控机制明确、高密度发酵技术成熟的优点，也是公认的生物安全菌株。它被用于各种生物药物的生产，如乙肝表面抗原、水蛭素、胰岛素、胰高血糖素、尿酸氧化酶、巨噬细胞集落刺激因子等，也成功修改生产青蒿酸、黄酮、白藜芦醇、人参皂苷和其他天然产物。然而，酿酒酵母的表达系统存在其不足之处，主要是因为真核生物基因产物的翻译后加工不同于高等真核生物，而表达的重组蛋白经常发生高糖基化，这导致产品分离困难。

图4 酿酒酵母对发酵面粉特性的贡献

图5 酿酒酵母中的硒代谢。APS、硫酸腺嘌呤；APSe、硒酸腺嘌呤；GluSec、γ-谷氨酰胺硒半胱氨酸；GSeH、硒谷胱甘肽；OAH、O-乙酰高丝氨酸；PAPS、3‘-磷酸硫酸腺苷；PAPSe、3’-硒酸磷酸腺苷；SeCtt、硒囊硫氨酸

酿酒酵母在环境保护中的应用

生物燃料乙醇是一种有前途和流行的、具有能源和环境安全潜力的燃料之一。然而，对于使用木质纤维素生物质作为原料来生产生物燃料乙醇的酿酒酵母，面临着重大挑战。天然酿酒酵母很难利用木糖，因此利用木质纤维素生物质作为原料生产生物燃料产品是酿酒酵母面临的主要挑战，这也是一个潜在的研究难点和热点。

图6 酿酒酵母合成生物学的流程图

图7 表面显示技术在酿酒酵母中的应用

总结与展望

本文综述了酿酒酵母在食品发酵微量元素补充剂富集、合成生物学、环保等领域的应用和研究进展。酿酒酵母对发酵产物的质量、风味和香气都有重要的影响。精确控制发酵参数和提高酿酒酵母对各种工业胁迫的耐受性是提高发酵质量的关键。未来的研究将集中于利用先进的技术来改善酿酒酵母的发酵特性，提高风味多样性，利用生物反应器和计算机控制系统自动化发酵过程，以提高生产效率、可持续性和产品一致性。同时，酿酒酵母也是合成生物学研究的理想底盘生物，可以降低生产成本，缩短生产周期，提高生产能力，具有非常广阔的应用前景。然而，在转化酿酒酵母合成目标物质的过程中，需要同时不断优化和适应底盘细胞和异质途径，使两者完全兼容，以实现目标物质的高效生产，为进一步发展酿酒酵母生物目标物质实现工业化提供依据。此外，随着环境保护水平的提高，生物燃料乙醇是一种很有前途的和最受欢迎的化石燃料替代品之一，具有在能源和环境安全方面的潜力。然而，天然酿酒酵母很难利用木糖，因此利用木质纤维素生物质作为原料生产生物燃料产品是酿酒酵母面临的主要挑战，这也是一个潜在的研究难点和热点。