釀酒酵母

酵母屬於真菌，是一類單細胞真核微生物的統稱。酵母廣泛分佈於自然界，喜在糖分高、偏酸性的環境中生長；其形態多樣，因種而異，常見的有球形、橢圓形、卵圓形、檸檬形等，細胞大小因種類差別很大，一般直徑1~5μm,長5~30μm或更長(於景芝,2005)。酵母具有繁殖快，生長周期短(一般每1.5~2h增殖一代),代謝旺盛，且菌體營養豐富等特點(周德慶,2002);酵母是兼性微生物，在有氧呼吸或無氧發酵條件下都能生長，厭氧發酵可以獲得代謝產物(如酒精、各種酒類、甘油、酶等)，耗氧發酵可以獲得酵母細胞或細胞組成成分(於景芝,2005);酵母菌生長繁殖所需的能量主要來自糖類的分解代謝，可以利用多種不同的單糖和低聚糖、非碳水化合物(如多元醇、石油裂解物)、工業生產的碳源(如糖質原料糖蜜、澱粉質原料玉米和大友等穀物、含糖廢液、亞硫酸鹽廢液)等。

目前發現超過1500種的酵母，已鑒定700多種，但只有一少部分在工業中使用。酵母菌具有優良的發酵特性和營養特性，在實際生產中可以根據對酵母細胞數量、細胞組成成分的需求，或者對酵母代謝產物的需求，按照不同日的來確定酵母發酵的生產工藝。工業上常用的酵母種類有釀酒酵母、異常漢遜氏酵母(李銳利,2011)、粟酒裂殖酵母(陳良強,2013)、黏紅酵母(施安輝,2003)、熱帶假絲酵母(趙國群,2017)、產朊假絲酵母(郭照宙,2016)、解脂假絲酵母(盧翠文,2009)、巴斯德畢赤酵母(唐元家,2002)等。日前酵母及酵母衍生物已廣泛應用於食品(釀酒、烘焙與中式發酵、調味品生產等)、醫藥和化工(即食營養酵母，酵母谷胱甘肽，核糖核酸、B族維生素、酵母多糖、麥角固醇等),農業(單細胞蛋白飼料、農業肥料、益生菌等)、生物能源(燃料乙醇)、生物工程(基因工程的受體菌)等領域。

域：真核域(Eukarya)

界：真菌界(Fungi)

門：子囊菌門(Ascomycota)

綱：半子囊菌綱(Hemiascomycetes)

目：酵母目(Saccharomycetales)

科：酵母科(Saccharomycetaceae)

屬：酵母屬(Saccharomyces)

種：釀酒酵母（S. cerevisiae)

酵母的細胞有兩種生活形態，單倍體和二倍體。單倍體的生活史較簡單，通過有絲分裂繁殖。在環境壓力較大時通常則死亡。二倍體細胞（酵母的優勢形態）也通過簡單的有絲分裂繁殖，但在外界條件不佳時能進入減數分裂，生成一系列單倍體的孢子。單倍體可以交配，重新形成二倍體。酵母有兩種交配類型，稱作a和α，是一種原始的性別分化，因此很有研究價值。

釀酒酵母(Saccha-romycescererisiae)分類地位屬於真核域、真菌界、子囊菌門、半子囊菌綱、酵母目，酵母科、酵母屬。生長在麥芽汁瓊脂培養基上的釀酒酵母菌落為乳白色，有光澤、平坦、邊緣整齊；細胞寬度2.5~10μm,長度4.5~21um,長與寬之比為1~2,多為圓形、卵圓形或卵形；釀酒酵母多以營養體狀態進行出芽繁殖，在特定的條件下進行有性繁殖。釀酒酵母與細菌相比，在細胞大小、細胞壁組成、生長溫度等方面都有很大差異。

基於釀酒酵母菌株特性，釀酒酵母活菌、非活性成分及細胞組成成分已廣泛應用於飼料工業和畜牧養殖業，其功能主要體現在兩大方面:

(1)活菌可以作為益生菌或發酵菌劑使用;

(2)釀酒酵母非活性形式和細胞組分，可以作為酵母有機微量元素、功能性蛋白原料、免疫增強劑、黴菌毒素吸附劑，抑菌促生長劑使用。

釀酒酵母與細菌比較基本特徵的差異

特徵 細菌 釀酒酵母

動物腸道菌群佔比 99%<1%

細胞大小/μm 0.5~13~6

細胞壁組成肽聚糖 甘露糖、葡聚糖、幾丁質

最適生長pH 6.5~7.54.5~6.5

最適生長溫度/℃ 10~80 20~30

抗生素敏感性是 否

遺傳物質傳遞性(如耐藥性等)有 無

腸道定植能力強 弱

拮抗物質產生能力 強 弱

中和毒素能力 無 有

釀酒酵母屬於兼性厭氧菌，在進入動物胃腸道后，可以消耗胃腸道的氧氣，造成厭氧環境，從而促進有益菌群的繁殖，改善動物消化道微生態平衡(潘寶海,2010;王學東,2006)。體外試驗研究表明，釀酒酵母還可以有效吸附腸道病原菌(鼠傷寒沙門氏菌)(Tiago,2012)。布拉迪酵母是屬於酵母屬、釀酒酵母亞種的一種酵母，大部分釀灑酵母最適生長和代謝溫度為30°C，而布拉迪酵母菌株具有天然耐熱性，在37C生長良好。月前布拉迪酵母已作為一。種非毒性酵母菌，在歐洲、南美、非洲等地區廣泛應用於腹瀉治療(McCullough,1998)。研究表明，布拉迪酵母菌株耐酸性能良好,pH2條件下1h存活率達75%(Edwardsingram,2007)。布拉迪酵母可以分泌多胺物質(腐胺、精胺和亞精胺),促進動物腸道成熟，增強腸細胞對營養物質的吸收能力(To-var-Ramaez,2004)。在妊娠和泌乳日糧中添加布拉迪酵母，降低了母豬后腸微生物菌群大腸桿菌和產氣莢膜梭菌總數(龍廣,2015)。

釀酒酵母可以作為發酵菌劑使用，或與其他益生菌配伍，用於飼用原料的發酵處理，提升原料價值。如利用釀酒酵母固態發酵白酒糟生產蛋白飼料(張軒,2012);利用釀酒酵母菌和植物乳桿菌混合發酵玉米加工副產物(史俊祥,2016);通過釀灑酵母對玉米漿中亞硫酸鹽進行無機硫的轉化，降低其亞硫酸鹽含量(王楠,2015)。採用釀酒酵母(4%)和米麴黴(0.5%)複合菌種發酵豆粕，發酵豆粕中的粗蛋白質和酸溶蛋白分別提高21.27%、695.97%(史玉寧,2017)。

釀酒酵母通過對金屬元素的細胞外富集、細胞表而吸附或絡合、細胞內富集和轉化，可以將金屬無機形式轉化為有機形式，已實現酵母鉻、酵母硒、酵母鐵、酵母錳、酵母銅的開發。作為有機微量元素，目前在畜牧養殖中應用最為廣泛的是酵母硒。研究表明，與亞硒酸鈉相比酵母硒能提高奶牛對養分的消化率以及受胎率，增強機體抗氧化能力，改善泌乳性能(張麗娟,2007)。與亞硒酸鈉相比，在母豬飼料中添加酵母硒能顯著提高仔豬初生窩重和個體重、斷奶窩重和個體重，提高母豬乳汁、仔豬血液、腎臟、肝臟和肌肉中硒的存留量(岳增華,2012)。攝食含酵母硒的飼料，明顯降低了豬肉貯藏期間的硫代巴比妥酸值(TBARS)、肌肉的滴水損失(Calvo,2017)。

釀酒酵母富含蛋白質、核酸、維生素、多糖等營養物質，且可以通過菌株篩選方式獲得高營養成分的菌株，如高蛋白、高核酸酵母菌株的篩選(陳文明,2015)。將酵母細胞自溶、酶解，可以獲得酵母水解物。大量研究表明，酵母水解物作為一種功能性蛋白原料在飼料中使用，在誘食、促生長效果方而作用明顯，具有替代血漿蛋白粉、魚粉的潛力(文超越,2016;郭小雲,2015;陳中平,2014;應琳琳.2014).

釀酒酵母的細胞壁呈三明治結構，內層為β-1,3/1,6-葡聚糖，形成細胞壁的剛性結構，中間層為蛋白質，與甘露聚糖共價結合形成複合物，外層為磷酸甘露聚糖，決定了酵母細胞壁的多孔性。釀酒酵母β-葡聚糖可以活化巨噬細胞、嗜中性粒細胞、白然殺傷細胞以及B、T淋巴細胞，增加細胞因子數量從而發揮免疫調節功能(Cross,2001)。釀酒酵母甘露聚糖具有一定的免疫原性，能夠刺激機體產生免疫應答(Halas,2012)。另一方面，酵母細胞壁的特殊空間結構可以通過氫鍵、離子鍵和疏水作用力等對黴菌毒素(如黃麴黴毒素和玉米赤霉烯酮)有效進行吸附(錢潘攀,2017;榮迪，2012)。目前，酵母細胞壁廣泛應用於飼用黴菌毒素吸附劑產品開發。其他研究也表明，通過釀酒酵母菌株篩選、製備及提取工藝的優化，可以獲得酵母葡聚糖及其衍生物，對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等均有抑制作用(胡駿鵬,2017;Khan，2016;蘇業平，2012)。

釀酒酵母是第一個完成基因組測序的真核生物，測序工作於1996年完成。

釀酒酵母的基因組包含大約1200萬鹼基對，分成16組染色體，共有6275個基因，其中可能約有5800個真正具有功能。據估計其基因約有23%與人類同源。酵母基因組資料庫包含有酵母基因組的詳細註釋（annotation），是研究真核細胞遺傳學和生理學的重要工具。另一個重要的釀酒酵母資料庫由慕尼黑蛋白質序列信息中心維護。

在釀酒酵母測序計劃開始之前，人們通過傳統的遺傳學方法已確定了酵母中編碼RNA或蛋白質的大約2600個基因。通過對釀酒酵母的完整基因組測序，發現在12068kb的全基因組序列中有5885個編碼專一性蛋白質的開放閱讀框。這意味著在酵母基因組中平均每隔2kb就存在一個編碼蛋白質的基因，即整個基因組有72%的核苷酸順序由開放閱讀框組成。這說明酵母基因比其它高等真核生物基因排列緊密。如在線蟲基因組中，平均每隔6kb存在一個編碼蛋白質的基因；在人類基因組中，平均每隔30kb或更多的鹼基才能發現一個編碼蛋白質的基因。酵母基因組的緊密性是因為基因間隔區較短與基因中內含子稀少。酵母基因組的開放閱讀框平均長度為1450bp即483個密碼子，最長的是位於Ⅻ號染色體上的一個功能未知的開放閱讀框（4910個密碼子），還有極少數的開放閱讀框長度超過1500個密碼子。在酵母基因組中，也有編碼短蛋白的基因，例如，編碼由40個氨基酸組成的細胞質膜蛋白脂質的PMP1基因。此外，酵母基因組中還包含：約140個編碼RNA的基因，排列在Ⅻ號染色體的長末端；40個編碼SnRNA的基因，散佈於16條染色體；屬於43個家族的275個tRNA基因也廣泛分佈於基因組中。表1提供了酵母基因在各染色體上分佈的大致情況。

表1酵母染色體簡況

染色體編號長度（bp）基因數tRNA基因數

I 23×103894

Ⅱ 807 188 410 13

Ⅲ315×10318210

Ⅳ 153 197479627

V 569 202 27113

Ⅵ 270×10312910

Ⅶ 109 093 657233

Ⅷ561×10326911

Ⅸ 439 8862 2110

X 745 44237924

Ⅺ66 64 483 3116

Ⅻ 1078 1715 3422

ⅫI 924 430 45921

ⅪV 7843 284 1915

XV 109 2283 56020

XⅥ 94 806 148717

序列測定揭示了酵母基因組中大範圍的鹼基組成變化。多數酵母染色體由不同程度的、大範圍的GC豐富DNA序列和GC缺乏DNA序列鑲嵌組成。這種GC含量的變化與染色體的結構、基因的密度以及重組頻率有關。GC含量高的區域一般位於染色體臂的中部，這些區域的基因密度較高；GC含量低的區域一般靠近端粒和著絲粒，這些區域內基因數目較為貧乏。Simchen等證實，酵母的遺傳重組即雙鏈斷裂的相對發生率與染色體的GC豐富區相耦合，而且不同染色體的重組頻率有所差別，較小的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅸ號染色體的重組頻率比整個基因組的平均重組頻率高。

酵母基因組另一個明顯的特徵是含有許多DNA重複序列，其中一部分為完全相同的DNA序列，如rDNA與CUP1基因、Ty因子及其衍生的單一LTR序列等。在開放閱讀框或者基因的間隔區包含大量的三核苷酸重複，引起了人們的高度重視。因為一部分人類遺傳疾病是由三核苷酸重複數目的變化所引起的。還有更多的DNA序列彼此間具有較高的同源性，這些DNA序列被稱為遺傳豐余（genetic redundancy）。酵母多條染色體末端具有長度超過幾十個kb的高度同源區，它們是遺傳豐余的主要區域，這些區域至今仍然在發生著頻繁的DNA重組過程。遺傳豐余的另一種形式是單個基因重複，其中以分散類型最為典型，另外還有一種較為少見的類型是成簇分佈的基因家族。成簇同源區（cluster homology region，簡稱CHR）是酵母基因組測序揭示的一些位於多條染色體的同源大片段，各片段含有相互對應的多個同源基因，它們的排列順序與轉錄方向十分保守，同時還可能存在小片段的插入或缺失。這些特徵表明，成簇同源區是介於染色體大片段重複與完全分化之間的中間產物，因此是研究基因組進化的良好材料，被稱為基因重複的化石。染色體末端重複、單個基因重複與成簇同源區組成了酵母基因組遺傳豐余的大致結構。研究表明，遺傳豐余中的一組基因往往具有相同或相似的生理功能，因而它們中單個或少數幾個基因的突變並不能表現出可以辨別的表型，這對酵母基因的功能研究是很不利的。所以許多酵母遺傳學家認為，弄清遺傳豐余的真正本質和功能意義，以及發展與此有關的實驗方法，是揭示酵母基因組全部基因功能的主要困難和中心問題。

酒用酵母是指含有大量能將糖類轉化為酒精的酵母等人工培養液，它與酵母的概念有所區別，酵母是指個體的微生物酵母菌。

用於釀造酒用的酵母。多為釀酒酵母（Sac-charomyces cerevisiae）的不同品種。

酒類生產之所以使用酵母，特別是人工培養的酵母，其目的是為了調高出酒率。E．C．Hansen(1883）開始分離培養酵母並將它用於釀造啤酒。丹麥Carlsberg釀造研究所的下面酵母是有名的。其它著名的啤酒酵母有德國的Saaz型下面酵母，英、日等國的上面酵母。細胞形態與其它培養酵母相同，為近球形的橢圓體，與野生酵母不同，啤酒酵母是啤酒生產上常用的典型的上面發酵酵母。

啤酒酵母在麥芽汁瓊脂培養基上菌落為乳白色，有光澤，平坦，邊緣整齊。無性繁殖以芽殖為主。能發酵葡萄糖、麥芽糖、半乳糖和蔗糖，不能發酵乳糖和蜜二糖。

按細胞長與寬的比例，可將啤酒酵母分為三組：

（1）、細胞多為圓形、卵圓形或卵形（細胞長/寬<2），主要用於酒精發酵、釀造飲料酒和麵包生產。

（2）、細胞形狀以卵形和長卵形為主，也有圓或短卵形細胞（細胞長/寬≈2）。這類酵母主要用於釀造葡萄酒和果酒，也可用於啤酒、蒸餾酒和酵母生產。

（3）、細胞為長圓形（細胞長/寬>2）。這類酵母比較耐高滲透壓和高濃度鹽，適合於用甘蔗糖蜜為原料生產酒精。

除用於釀造啤酒、酒精及其他的飲料酒外，還可發酵麵包。菌體維生素、蛋白質含量高，可作食用、藥用和飼料酵母，還可以從其中提取細胞色素C、核酸、谷胱甘肽、凝血質、輔酶A和三磷酸腺苷等。在維生素的微生物測定中，常用啤酒酵母測定生物素、泛酸、硫胺素、吡哆醇和肌醇等。

更高級的應用主要有以下幾個方面：

因釀酒酵母與同為真核生物的動物和植物細胞具有很多相同的結構，又容易培養，酵母被用作研究真核生物的模式生物，也是目前被人們了解最多的生物之一。在人體中重要的蛋白質很多都是在酵母中先被發現其同源物的，其中包括有關細胞周期的蛋白、信號蛋白和蛋白質加工酶。釀酒酵母也是製作培養基中常用成分酵母提取物的主要原料。

酵母作為高等真核生物特別是人類基因組研究的模式生物，其最直接的作用體現在生物信息學領域。當人們發現了一個功能未知的人類新基因時，可以迅速地到任何一個酵母基因組資料庫中檢索與之同源的功能已知的酵母基因，並獲得其功能方面的相關信息，從而加快對該人類基因的功能研究。研究發現，有許多涉及遺傳性疾病的基因均與酵母基因具有很高的同源性，研究這些基因編碼的蛋白質的生理功能及它們與其它蛋白質之間的相互作用將有助於加深對這些遺傳性疾病的了解。此外，人類許多重要的疾病，如早期糖尿病、小腸癌和心臟疾病，均是多基因遺傳性疾病，揭示涉及這些疾病的所有相關基因是一個困難而漫長的過程，酵母基因與人類多基因遺傳性疾病相關基因之間的相似性將為人類提高診斷和治療水平提供重要的幫助。

酵母作為模式生物的最好例子體現在那些通過連鎖分析、定位克隆然後測序驗證而獲得的人類遺傳性疾病相關基因的研究中，後者的核苷酸序列與酵母基因的同源性為其功能研究提供了極好的線索。例如，人類遺傳性非息肉性小腸癌相關基因與酵母的MLH1、MSH2基因，運動失調性毛細血管擴張症相關基因與酵母的TEL1基因，布盧姆氏綜合征相關基因與酵母的SGS1基因，都有很高的同源性。遺傳性非息肉性小腸癌基因在腫瘤細胞中表現出核苷酸短重複順序不穩定的細胞表型，而在該人類基因被克隆以前，研究工作者在酵母中分離到具有相同表型的基因突變（msh2和mlh1突變）。受這個結果啟發，人們推測小腸癌基因是MSH2和MLH1的同源基因，而它們在核苷酸序列上的同源性則進一步證實了這一推測。布盧姆氏綜合征是一種臨床表現為性早熟的遺傳性疾病，病人的細胞在體外培養時表現出生命周期縮短的表型，而其相關基因則與酵母中編碼蝸牛酶的SGS1基因具有很高的同源性。與來自布盧姆氏綜合征個體的培養細胞相似，SGS1基因突變的酵母細胞表現出顯著縮短的生命周期。Francoise等研究了170多個通過功能克隆得到的人類基因，發現它們中有42%與酵母基因具有明顯的同源性，這些人類基因的編碼產物大部分與信號轉導途徑、膜運輸或者DNA合成與修復有關，而那些與酵母基因沒有明顯同源性的人類基因主要編碼一些膜受體、血液或免疫系統組分，或人類特殊代謝途徑中某些重要的酶和蛋白質。隨著獲得高等真核生物更多的遺傳信息，人們將會發現有更多的酵母基因與高等真核生物基因具有同源性，因此酵母基因組在生物信息學領域的作用會顯得更加重要，這同時也會反過來促進酵母基因組的研究。與酵母相比，高等真核生物具有更豐富的表型，從而彌補了酵母中某些基因突變沒有明顯表型改變的不足。下面將要提到的例子正說明了酵母和人類基因組研究相互促進的關係。人類著色性干皮病是一種常染色體隱性遺傳的皮膚疾病，極易發展成為皮膚癌。早在1970年Cleaver等就曾報道，著色性干皮病和紫外線敏感的酵母突變體都與缺乏核苷酸切除修復途徑（nucleotide excision repair，NER）有關。1985年，第一個NER途徑相關基因被測序並證實是酵母的RAD3基因。1987年，Sung首次報道酵母Rad3p能修復真核細胞中DNA解旋酶活力的缺陷。1990年，人們克隆了著色性干皮病相關基因xPD，發現它與酵母NER途徑的RAD3基因有極高的同源性。隨後發現所有人類NER的基因都能在酵母中找到對應的同源基因。重大突破來源於1993年，發現人類xPBp和xPDp都是轉錄機制中RNA聚合酶Ⅱ的TFⅡH複合物的基本組分。於是人們猜測xPBp和xPDp在酵母中的同源基因（RAD3和RAD25）也應該具有相似的功能，依此線索很快獲得了滿意的結果並證實了當初的猜測。

酵母作為模式生物的作用不僅是在生物信息學方面的作用，酵母也為高等真核生物提供了一個可以檢測的實驗系統。例如，可利用異源基因與酵母基因的功能互補以確證基因的功能。據Bassett的不完全統計，到1996年7月15日，至少已發現了71對人類與酵母的互補基因，這些酵母基因可分為六個類型：⑴20個基因與生物代謝包括生物大分子的合成、呼吸鏈能量代謝以及藥物代謝等有關；⑵16個基因與基因表達調控相關，包括轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工和蛋白質運輸等；⑶1個基因是編碼膜運輸蛋白的；⑷7個基因與DNA合成、修復有關；⑸7個基因與信號轉導有關；⑹17個基因與細胞周期有關。人們發現有越來越多的人類基因可以補償酵母的突變基因，因而人類與酵母的互補基因的數量已遠遠超過過去的統計。

在酵母中進行功能互補實驗無疑是一種研究人類基因功能的捷徑。如果一個功能未知的人類基因可以補償酵母中某個具有已知功能的突變基因，則表明兩者具有相似的功能。而對於一些功能已知的人類基因，進行功能互補實驗也有重要意義。例如與半乳糖血症相關的三個人類基因GALK2（半乳糖激酶）、GALT(UDP-半乳糖轉移酶）和GALE(UDP-半乳糖異構酶）能分別補償酵母中相應的GAL1、GAL7、GAL10基因突變。在進行互補實驗以前，人類和酵母的乳糖代謝途徑都已十分清楚，對有關幾種酶的活性檢測法也十分健全，並已獲得其純品，可以進行一系列生化分析。隨著人類三個半乳糖血症相關基因的克隆分離成功，功能互補實驗成為可能，從而在遺傳學水平進一步確證了人類半乳糖血症相關基因與酵母基因的保守性。人們又將這一成果予以推廣，利用酵母系統進行半乳糖血症的檢測和基因治療，如區別真正的突變型和遺傳多態性，在酵母中模擬多種突變型的組合表型，或篩選基因內或基因間的抑制突變等。這些方法也同樣適用於其它遺傳病的研究。

利用異源基因與酵母基因的功能，還能使酵母成為其它生物新基因的篩查工具。通過使用特定的酵母基因突變株，對人類cDNA表達文庫進行篩選，從而獲得互補的克隆。如Tagendreich等利用酵母的細胞分裂突變型（cdcmutant）分離到多個在人類細胞有絲分裂過程中起作用的同源基因。利用此方法，人們還克隆分離到了農作物、家畜和家禽等的多個新基因。

為了充分發揮酵母作為模式生物的作用，除了發展酵母生物信息學和健全異源基因在酵母中進行功能互補的研究方法外，通過建立酵母最小的基因組也是一個可行的途徑。酵母最小的基因組是指所有明顯豐余的基因減少到允許酵母在實驗條件下的合成培養基中生長的最小數目。人類cDNA克隆與酵母中功能已知基因缺陷型進行遺傳互補可以確定人類新基因的功能，但是這種互補實驗會受到酵母基因組中其它豐余基因的影響。如果構建的酵母最小基因組中所保留的基因可以被人類或者病毒的DNA序列完全替換，那麼替換后的表型將完全取決於外源基因，這將成為一種篩選抗癌和抗病毒藥物的分析系統。