人类是如何驯化啤酒“酵母君”的?

核心提示: 近日,遗传学家们追踪了啤酒中最重要的成分——酵母的历史。通过对将近200个近代啤酒酵母菌株进行基因组测序,揭示了数百年来人类是如何将野生酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)转化为酿造各种各样酒类的菌株的

近日,遗传学家们追踪了啤酒中最重要的成分——酵母的历史。通过对将近200个近代啤酒酵母菌株进行基因组测序,揭示了数百年来人类是如何将野生酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)转化为酿造各种各样酒类的菌株的。该研究结果发表在Cell杂志上。

啤酒酵母的故事

一般来说,用于酿造啤酒的酵母菌,根据发酵类型的不同,主要分为两大类:爱尔酵母与拉格酵母(窖藏酵母)。爱尔酵母发酵期间会慢慢上升至啤酒表层,因此又称顶层发酵酵母。最常用的爱尔酵母为啤酒酵母。由爱尔酵母发酵的啤酒有:爱尔啤酒、麦啤、司陶特等。

拉格酵母(窖藏酵母)用于底层发酵。与顶层发酵方法相比,底层发酵往往采用较低的发酵温度,发酵时间较长。到发酵末期,酵母菌下沉于酒桶底部,由此啤酒酒色也较为透明。卡尔斯博酵母是一种典型与比较常用的拉格酵母(窖藏酵母)之一。

此外,还有许多种类的酵母菌应用在酒精酿制中,以适应不同工艺与口感风味上的需要。目前。各种各样的育种技术被引进到优良菌种的选育中;基因工程菌技术的加入,赋予了酵母菌自然菌种所不具备的新特性。有研究称,转入黑曲霉菌葡萄糖淀粉酶基因的酵母工程菌,能够更高效的分解利用原来中的淀粉。

通过把糖类发酵成酒精和二氧化碳,酵母给予了啤酒酒精和气泡,同时还能产生类似香蕉味和丁香味等在内的数百种化学物质。酿酒酵母在这些代谢产物的产量和其他特性(例如对酒精的耐受度)上存在差异。

为了理解引起这些差异的机制,比利时鲁汶大学和法兰德斯生物技术研究所的Kevin Verstrepen带领团队对157个S. cerevisiae菌株进行了基因组测序,这些菌株常用于制造啤酒和其他发酵产品,包括葡萄酒、清酒和面包。

酵母菌株的进化树显示,用来制造葡萄酒、清酒和面包的酵母家系不同,来自比利时、德国、英国和美国的啤酒酵母属于两个远亲。

威斯康星大学麦迪逊分校的进化遗传学家Chris Hittinger说,“这项研究是啤酒酵母的基因组百科全书,将在未来几年内为研究人员服务。”例如,Verstrepen的研究小组目前在利用基因组学制造新型啤酒酵母菌。

古代的啤酒

啤酒是人类文明中最古老的酒类之一。五千年前的苏美尔石板上描绘了一种古老的酒桶,同时在伊朗西部和中国北方也发现盛放啤酒原料残留如大麦和发酵副产物的壶。结合这些历史发现,Verstrepen预计现代酿酒酵母的祖先可以追溯到几千年前。

然而Verstrepen的研究小组推测,人类驯化啤酒酵母开始于16世纪晚期和17世纪早期。这个时期正好与欧洲的啤酒制造从家庭转移到酒馆和修道院时间一致。他猜想,早期的专业酿酒商携带着酵母在欧洲迁移,甚至抵达新大陆,例如美国的啤酒菌株与英国菌株密切相关。

Verstrepen说,酿酒商直到19世纪晚期才分离了第一个酵母菌株。但是由于他们在酿造新一批啤酒时使用的是上一批啤酒的上部酒糟,可能已经在不经意间改造了酵母的基因组。通过这种方法,酿酒商们慢慢地选择了酿酒效果好而且风味佳的酵母菌。

关于人类是如何改造啤酒酵母的,里斯本新大学的进化遗传学家José Paulo Sampaio的团队对28种啤酒酵母菌进行基因组测序后,得出的很多结论与Verstrepen的小组相同。其研究结果将在下个月发表在Current Biology上。

Hittinger表示,他并不确定啤酒酵母是在17世纪被驯化的。该时间是根据酵母菌的DNA突变率推测出的,而这篇研究中的突变率比其他研究中估测的快50倍,突变率较慢则意味着啤酒酵母驯化发生的时间会比该研究预测的更早。但是Verstrepen坚持其计算结果,他指出,酵母在酒精中会快速突变。

基因改造的啤酒

虽然所有的工业用酵母都受到了人类影响,但啤酒酵母的基因组改变是最大的。制造啤酒的酵母菌通常在麦芽糖和麦芽三糖相关的基因中出现变异和重复,这两种糖是啤酒中的主要糖类。

大多数啤酒酵母都具有限制4-乙烯基愈创木酚(4-VG)生成的变异,4-VG的丁香味和烟味是很多啤酒消费者所讨厌的。唯一例外的是德国小麦啤酒Hefeweizens所用的酵母,这种啤酒具有丁香味。这些菌株基因组中的一些DNA片段(包括4-VG基因)起源于葡萄酒酵母。Verstrepen认为,啤酒酵母菌和葡萄酒酵母菌的杂交产生了这些菌株,重新恢复了其产生丁香味化学物质的能力。

新改造的基因组可能会改变啤酒的酿造。Verstrepen的实验室正在繁殖不同的酵母菌株,选择含有特定基因变异的杂交菌株。在这篇Cell文章中,他们展示了一种杂交菌株,具有高度酒精耐受性并且不产生4-VG。

Verstrepen的实验室从基因上改造酵母,来生产具有明显香蕉味化学物的啤酒,但是他给酿酒厂的酵母只通过传统方法培育。为该研究提供部分测序菌株的圣地亚哥家庭啤酒制造商Loren Miraglia曾考虑过使用基因编辑过的改造菌株,但最终因怀疑消费者不接受而打消了这个念头。

Hittinger希望啤酒瓶上标注上关于4-VG产物等的信息,4-VG的产生取决于PAD1和FDC1基因的变异。Hittinger说,“4-VG是啤酒中我讨厌的主要口味之一。我会在选择一种啤酒前先查看它的PAD1和FDC1基因情况。”

(本文来自测序中国、维基百科等)

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