重庆第二师范学院生物与化学工程学院 重庆 400067
摘要：酿酒酵母是一种肉眼看不见的单细胞真核微生物，形态结构简单，繁殖快且周期短，富含丰富的营养物质、维生素等等，被广泛用于食品、医疗、新能源材料及生物科学研究工程方面，但是由于自然界现存的酿酒酵母菌存在不耐高温、酒精耐受性低、企业缺乏优良的酿酒酵母菌菌种等问题，导致生产成本高、产品质量差等情况。本文从酿酒酵母的发酵、繁殖方式、培养与筛选、基因组功能研究及其应用来综述酿酒酵母菌的总体情况，从而总结出方法来最大程度的利用和研发改良的酿酒酵母菌菌种。
关键词：酿酒酵母；培养；筛选；基因组功能研究
A review of Saccharomyces cerevisiae
XU Dan TANGYixinHU Dan FANG Qingxuan WANG Ling WANG YazhengGUOXichuan*12
Abstract:Saccharomyces cerevisiae is a kind of invisible to the naked eye single-celled eukaryotic microbes, morphological structure is simple, fast reproduction and cycle is short, their rich nutrient Vitamin and so on, are widely used in food and medical engineering field of new energy materials and biological sciences research, but because of the nature of the existing brewing yeast is not resistant to high temperature and low alcohol tolerance enterprises lack the fine wine yeast strains, lead to high production cost of poor quality of the product This article from the fermentation of saccharomyces cerevisiae breeding way Training and selection Genome function research and its application are reviewed to summarize the general situation of Saccharomyces cerevisiae and to summarize the methods to maximize the utilization and development of highly tolerant Saccharomyces cerevisiae strains
前言
随着全球环境问题的日趋的严峻，石油能源等资源已经在开始慢慢枯竭，人类开始注意到这一问题，并不断开发新能源来缓解压力，生物制造是人类获得新能源和新材料的途径之一。目前，酿酒酵母细胞工厂已经广泛用于大量化学品与新型高附值的生物活性物质，在环境、医疗及能源等方面都取得了重大的突破。酿酒酵母作为第一个全基因组测序的模式真核生物，也是最早被应用于酿酒、食品等方面的微生物，同时，酿酒酵母中还含有许多生物活性物质与营养物质，可以用于食品以及动物饲料中的添加剂，不仅能提高其营养价值，还能治疗一些消化不良等引起的疾病，具有医疗保健的功能。但是存在对酵母菌的纯种的分离鉴定筛选等操作不完全了解，对其特性的变化不能完全掌握等问题，导致现存的酵母菌还不能完全被人类利用与开发导致生产成本高、产品质量差等问题，所以需要在足够了解酿酒酵母菌的相关知识比如其培养条件和如何筛选需要的菌种等过程过后，得到遗传性能优良、高产、高耐受性的菌种，用于生活以及工业上，可以通过代谢工程、物理化学方法、基因组功能研究等来改善菌株的不足之处，提高目标产物的产量，因此，对于酿酒酵母菌菌种的研究与开发对于人类的经济效益及新能源的利用有着十分重要的意义。
1酿酒酵母概述
1.1酿酒酵母与发酵
酿酒酵母属于酵母菌科，又叫面包酵母，具有繁殖能力快，生长周期短(一般每1.5~2h增殖一代),代谢旺盛且菌体营养丰富等特点;除此之外，酵母菌还具有优良的发酵特性和营养特性，在实际生产中可以根据对酿酒酵母细胞数量、细胞组成成分的需求,或者对酵母代谢产物的需求，按照不同目的来确定酵母发酵的生产工艺。酿酒酵母菌形态结构虽然简单，但是生理却较复杂，种类也较多，应用也是多方面的，酿酒酵母菌在工业上常常用于酿酒，酵母菌将葡萄糖、果糖、甘露糖等单糖吸入细胞内，在无氧的条件下，经过内酶的作用，把单糖分解为二氧化碳和酒精，此作用即发酵。
1.2酿酒酵母的繁殖方式
酿酒酵母具有繁殖快、周期短的特点。主要繁殖方法有出芽繁殖、孢子繁殖和接合繁殖。①出芽繁殖，出芽时，由母细胞生出小突起，为芽体(芽孢子)，经核分裂后，一个子核移入芽体中，芽体长大后与母细胞分离，单独成为新个体。繁殖旺盛时，芽体未离开母体又生新芽，常有许多芽细胞联成一串，称为假菌丝；②孢子繁殖，在不利的环境下，细胞变成子囊，内生4个孢子，子囊破裂后，散出孢子；③接合繁殖，有时每两个子囊孢子或由它产生的两个芽体，同时结合形成受精卵,不立即形成一个子囊,但几代生成二倍体细胞,然后在适宜的条件下,经过减数分裂形成一个子囊,然后产生孢子。
2酿酒酵母的培养与筛选
2.1酿酒酵母的培养
酵母菌可以分为鲜酵母、干酵母两种，是一种营养丰富的单细胞微生物，在营养学上把它叫做取之不尽的营养源,酿酒酵母与人类在生活和工作上都有密切的联系，人们通常用酵母制作面包和馒头等食品及酿酒,在现代分子生物学和细胞生物部学中酵母菌常用作真核模式生物，其作用相当于原核的模式生物大肠杆菌。不管酵母菌是用于发酵食品还是微生态制剂,获得最大数量的菌体都是酵母菌应用前提和基础,研究和优化其菌体生产条件,对于酵母菌产品的低成本应用都非常重要。因此，就需要根据不同用途和目的来培养酿酒酵母，得到最优化的菌株和最大程度的利用培养到的酿酒酵母。酵母在琼脂或液体培养基中的理想培养温度是30℃，培养皿平板应倒置放入塑料盒中、于孵箱或培养室内进行培养。当孵育时间超过2或3天时，塑料盒可防止平板上的琼脂干裂。当使用液体培养基培养时，要使用旋转式或往复式摇床，至少每分钟200转，以保证充分通气；进行大体积液体培养时使用锥形瓶，培养基为瓶容积的1/5到1/3。可用接种环或灭菌的牙签接种平板或液体培养基，一般使用直径为2~3mm的铂或镍接种环。灭菌扁平牙签的大头也可用于酵母细胞的划线接种，以获得单菌落。牙签还可用于重复操作，如次接种或在方格网上的菌落点斑接种以便进一步的研究等。
除此之外，培养酵母菌需要营养物质、适宜的酸度、水分、温度等等。酵母菌在培养时与其他有机活体一样需要营养物质，用以将大分子物质分解成细胞新陈代谢易于被利用的小分子物质，来维持正常的生命活动，酵母菌能在PH值为3.0~7.5的范围内生长，最适PH值为4.5~5.0。像细菌一样，酵母菌必须有水才能存活，但酵母需要的水分比细菌少，某些酵母能在水分极少的环境中生长，如蜂蜜和果酱，这表明它们对渗透压有相当高的耐受性。
但是在不同的条件下酵母菌的耐受性会不同，因此，有很多关于提高酵母菌耐受性的研究，通过提高酿酒酵母菌的渗透压来获得优质的酵母菌菌株。培养酵母菌的温度也不能过高，最适生长温度一般在20~30℃，在低于水的冰点或者高于47℃的温度下， 酵母细胞一般不能生长。酵母菌发酵温度一般不超过36℃，温度过高，会导致酵母的老化或者死亡，使发酵过程不能正常的进行。[0]酵母菌的培养方法简单易行，需要适宜的温度、酸度、水分和营养物质等等，再根据不同目的添加适宜的添加物，方可培养出优良的酵母菌菌株。
2.2酿酒酵母的筛选
在工业和生活上，我们可以根据生产的目的来筛选出特性不同的酿酒酵母菌，使用特定的方法来提高酿酒酵母菌的特性，有研究表明，可用紫外诱变等等方法来筛选出耐高温、产酒量高的菌株，采用单一诱变剂（紫外线）照射酿酒酵母，设定紫外线功率为10W,照射距离为30cm，改造照射的时间，通过这一方法可以得到耐高温、产酒量高的酵母菌菌株，[0]除此之外，还可以根据个人的需求来研究方法筛选出需要的优良菌株。比如，可根据人类基因库构建一个筛选抑制酿酒酵母生长的人类基因的方法，并运用此方法筛选含有生长抑制性人源蛋白质的酿酒酵母，用于分析人类基因的生理功能及其抑制剂的寻找。[0]从不同的应用角度来使用相应的方法筛选酵母菌，其筛选途径有以下三种：①在自然界中直接筛选，此途径筛选出的菌种特异性不强，效率慢且利用率低，但是筛选范围广，能增强筛选分离的选择范围；②通过物理或者化学对酵母菌进行诱导遗传改良，[0]此方法能够方便快捷的改良菌株，得到理想状态的酵母菌菌种，但其分子机制在很大程度上是未知的；③通过原生质体融合技术获得基因重组的菌株，能够显著增加菌株的进化概率，大幅度缩短菌株的选育周期。[0]基因重组技术应用十分广泛，同时也可用于酿酒酵母菌的筛选。
3酿酒酵母的基因组功能研究
自20世纪70年代起，酿酒酵母的生物学研究便受到研究者的重视，并为探讨酿酒酵母的基因组积累了大量基础知识。酿酒酵母逐渐成为研究真核生物遗传机理及蛋白质相互作用的重要模式生物及应用工具。[0]酵母与哺乳动物细胞同为真核生物，二者具有很多相似的结构，将酵母作为研究人类基因的工具具有巨大的优势。酵母细胞遗传背景清晰、培养简单、基因操作技术成熟完备，极大降低了哺乳动物细胞各种复杂的生理过程对蛋白质研究的干扰。[0]功能基因组学是一门旨在基因组和系统水平上研究基因功能的科学,酿酒酵母全基因组数据库及共享平台的建立,不仅为科研人员提供了丰富的遗传数据信息，也为酿酒酵母的功能基因组学研究打下了良好基础。[0]基因组测序表明，酵母有大量的基因与人类同源，尤其是基本细胞代谢及分裂有关的基因存在着高度的基因保守性。人体中重要的蛋白质很多都是在酵母中先被发现其同源物，其中包括有关细胞周期的蛋白质、信号蛋白质和蛋白质加工酶等。[0]随着酵母功能基因组的发展与基因功能鉴定信息的更新，越来越多有利于工业化生产的基因通过基因工程技术被应用于工业生产中。同时，将不利于工业应用生产的基因进行敲除处理，打破传统的酵母菌株筛选技术，降低工业生产成本，从而提升发酵食品的感官风味。此外，酿酒酵母是公认安全的模式生物，遗传操作简单，并且对恶劣的工业条件表现出很高的耐受性，适合大规模生产，因此在生物技术领域得到了广泛应用[3]。
4酿酒酵母的应用
酿酒酵母是乙醇生产的最常用的发酵菌株, 具有发酵速度快、产乙醇浓度高的优良特性。[0]酿酒酵母菌不仅在酿酒方面有很大的作用，也在其他领域有突出的优势。作为一种低等的单细胞真核生物，酿酒酵母因具有生命周期短、易于培养、基因组小(5885个编码蛋白质的基因)、遗传背景简单、遗传操作手段丰富等优点，而被广泛用作研究人类疾病的模型(赵刚, 2013;赵运英和蒋伶活, 2013)。[0]如研究酿酒酵母中synphilin-1 蛋白聚集物的形成特点从而了解 synphilin-1 蛋白聚集的分子机理及其在帕金森氏症中发挥的功能和相关的病理。通过对酿酒酵母中与端粒相关基因 EST1、EST2、EST3、TLC1、RAD9、RAP1、CDC13、 TEL1、MEC1、MRC1 的研究，探索端粒的缺失或破坏及缺失端粒酶之后引起的细胞生长变化，从而研究人类端粒相关的衰老。除此之外，酿酒酵母在在酿造、医药保健、饲料、能源化工以及生命科学研究等领域中广泛应用。[0]
5研究展望
综上所述，我们可以通过改变培养条件、微生物选育及利用已知的酿酒酵母乙醇耐受性的机理使酿酒酵母耐受乙醇能力、耐高温能力大大提高，结合酿酒酵母繁殖快、周期短等的优点，使用代谢工程和基因组工程技术等技术研究来提高目标产物的质量与产量，从而来降低企业的成本。改善酿酒酵母制作成的产品质量差、发酵成本高等缺点。从自然界中获取菌种并改良为高耐性的优良菌株对于人类的个发展以及环境的保护方面都有着至关重要的作用，酿酒酵母是新能源开发的重要组成之一，开发和利用酿酒酵母菌对目前资源紧张的情况而言刻不容缓，个人和企业都可以通过对酿酒酵母的培养、筛选、基因组功能研究等来改良得到优良的酿酒酵母菌。相信在不久，就会有更多遗传现状优良、高产量、高耐受性的酿酒酵母菌菌种在食品、医疗、生命科学研究等领域广泛被应用。
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通讯作者简介：郭熙川
基金项目：1.重庆第二师范学院“启智”众创空间大学生创新创业孵化项目编号ZC202016；重庆第二师范学院大学生科研项目编号KY20200143