A laboratory yeast strain suitable for spirit production
- 作者
- Beatus Schehl, Christine Müller, Thomas Senn, Jürgen J. Heinisch
- 单位
- Universität Hohenheim, Institut für Lebensmitteltechnologie, Fachgebiet Gärungstechnologie (150f), Garbenstrasse 25, D-70593 Stuttgart, Germany; Universität Osnabrück, Fachbereich Biologie/Chemie, Fachgebiet Genetik, Barbarastrasse 11, D-49076 Osnabrück, Germany
- 杂志
- Yeast（2004）
- DOI
- 10.1002/yea.1189
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业酵母菌株遗传背景不明确，缺乏营养标记，难以进行经典遗传操作和分子育种；需要构建遗传背景清晰、发酵性能优良的生产菌株以应用于烈酒生产。
研究策略
通过杂交两个带有常用营养缺陷标记的单倍体实验室菌株（CEN.PK113-5D 与 CEN.PK113-16B），构建原养型二倍体菌株 HHD1，并在 90 kg 规模下对樱桃、李子、梨三种水果 mash 进行发酵、蒸馏，与商业酵母 Siha Aktiv6 和 Uvaferm CGC62 进行生长、糖利用、乙醇产量、挥发性化合物和感官品质的系统比较。
核心内容
本研究通过杂交两个携带常用营养缺陷标记的单倍体实验室菌株CEN.PK113-5D与CEN.PK113-16B，构建了遗传背景清晰的原养型二倍体菌株HHD1，并在90 kg规模下对樱桃、李子、梨三种水果 mash 进行发酵和蒸馏，与商业酵母Siha Aktiv6和Uvaferm CGC62系统比较了生长、糖利用、乙醇产量、挥发性副产物及感官品质。结果显示，HHD1在三种 mash 中均表现出与商业菌株相当的发酵能力，樱桃mash中实测酒精产量达7.84%（理论7.33%），高于两种商业菌株；梨mash中甘油产量为3.94 g/l，比商业菌株低约14%；甲醇和有机酸含量均在可接受范围。感官三角形检验表明，梨spirits中HHD1与商业菌株存在显著差异且被偏好，樱桃spirits有差异但无偏好，李子spirits无显著差异。该工作证明遗传背景清晰的实验室二倍体菌株在烈酒生产中发酵性能不逊于商业酵母，为后续利用经典遗传操作和分子育种手段定向改良工业菌株（如低温发酵、风味调控）奠定了可靠基础。
创新点
['构建了遗传背景完全清晰、可进行经典杂交和四分体分析的原养型二倍体实验室菌株 HHD1，并首次将其用于烈酒生产评估。', '系统证明了实验室菌株在水果 mash 发酵中的乙醇产量、副产物谱和感官性能均不劣于商业酵母。', '为利用现代分子遗传技术定向改良生产菌株（如低温发酵、风味调控）奠定了遗传基础。']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-5D | 嘧啶生物合成 | URA3 | 乳清苷-5'-磷酸脱羧酶 | 催化 | 单倍体亲本菌株，携带 ura3-52 突变（营养缺陷标记），与 CEN.PK113-16B 杂交构建 HHD1 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-16B | 亮氨酸生物合成 | LEU2 | β-异丙基苹果酸脱氢酶 | 催化 | 单倍体亲本菌株，携带 leu2-3,112 突变（营养缺陷标记） |
| Saccharomyces cerevisiae HHD1 | 蔗糖代谢 | SUC2 | 蔗糖酶（转化酶） | 催化 | 二倍体实验室菌株，基因型 SUC2/SUC2，可发酵蔗糖和棉子糖 |
| Saccharomyces cerevisiae HHD1 | 麦芽糖代谢 | MAL2 | MAL2 转录激活因子 | 调控 | 基因型 MAL2-8/C/MAL2-8，调控麦芽糖利用基因的表达 |
| Saccharomyces cerevisiae 商业菌株 Siha Aktiv6 | 酒精发酵 | — | — | 催化 | 商业干酵母对照菌株，用于发酵性能比较 |
| Saccharomyces cerevisiae 商业菌株 Uvaferm CGC62 | 酒精发酵 | — | — | 催化 | 商业干酵母对照菌株，用于发酵性能比较 |
关键发现
- 构建的二倍体实验室菌株 HHD1（MATa/α ura3-52/URA3 leu2-3,112/LEU2 MAL2-8/C/MAL2-8/SUC2/SUC2）在 90 kg 规模樱桃、李子、梨 mash 发酵中表现出与商业酵母 Siha、Uvaferm 相当的发酵能力。樱桃 mash 中实测酒精产量分别为 Siha
- 45%、Uvaferm
- 69%、HHD1
- 84%（理论
- 33%）；李子 mash 为
- 62%、4.92%、5.28%（理论
- 26%）；梨 mash 为
- 67%、4.70%、4.47%（理论
- 13%）。所有菌株在约 10 天内达到稳态，最终 spirits 乙醇含量均为 40% (v/v)。HHD1 在樱桃 mash 中延滞期较长，但约 90 h 后细胞密度与商业菌株一致。甘油产量方面，梨 mash 中 HHD1 为
- 94 ±
- 75 g/l，比 Siha（4.28 ±
- 19 g/l）和 Uvaferm（4.46 ±
- 12 g/l）低约 14%；李子 mash 中 HHD1 为
- 71 ±
- 17 g/l，低于 Siha（4.57 ±
- 15 g/l）和 Uvaferm（4.85 ±
- 32 g/l）。有机酸和甲醇含量均在可接受范围，樱桃 mash 中甲醇浓度 HHD1 为 355 ± 10 mg/l， spirits 中为 717 ± 8 mg/100 ml alcohol。感官三角形检验显示，梨 spirits 中 HHD1 与商业菌株存在显著差异且被偏好（χ² =
- 13 和
- 53 >
- 84），樱桃 spirits 有差异但无偏好，李子 spirits 无显著差异。
研究结论
实验室二倍体菌株 HHD1 在水果 mash 发酵和烈酒生产中的发酵能力、副产物谱及感官品质均与商业酵母相当，且其遗传背景清晰，可进一步通过经典育种和分子生物学手段进行定向改良，是一种具有工业应用潜力的烈酒生产菌株。