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酵母产品研究进展

2010-11-27

一、酵母概述

本稿来源:中国发酵工业协会2010年酵母生产及应用技术研讨会作者:天津科技大学肖冬光

  1. 酵母发展简史:
    • 酵母是一种单细胞微生物,至少包括100多个属,700多个种,10,000多个独立菌株。人们利用酵母的历史已有约9000年(酿酒)。酵母工业的发展史已有200多年(啤酒沉淀物,1781年,荷兰)。人类认识酵母菌的历史为100多年(巴斯德1860~1870)。
  2. 常规酵母与非常规酵母:
    •  常规酵母(Conventional Yeast)——即生理和遗传特性完全清楚的酵母:
      • Saccharomyces cerevisiae; Schizosacharomyces(裂殖酵母)

        酵母菌

        厌氧发酵

        胞外产品:

        酒精

        (燃料乙醇)

        各种洒类

        甘油等

        好氧发酵

        细胞产品:

        面包酵母

        营养酵母

        酿酒酵母

        药用酵母

        饲料酵母

        好氧/厌氧发酵

        胞内产品:

        蛋白质

        核酸类产品

        生理活性物质

        多糖等

    • 非常规酵母(Nonconventional Yeast)——即生理和遗传特性还末完全清楚的酵母:
      • Candida; Hansenula; Kluyveromyces; Pichia; Schwanniomyces(许旺酵母); Trichosporon(丝孢酵母)
      • 工业上应用广泛的酵母:Saccharomyces cerevisiae, Candida Berkhout,Pichia.
  3. 酿酒酵母基因工程表达系统的不足有:
    • 其质粒表达载体常不稳定,易丢失;
    • 表达载体缺乏高效可调控的启动子;
    • 较难实现高密度培养等。
  4. 非常规酵母表达系统的研究:
    • 已开始建立基因表达系统的非常规酵母有:Pichia、Hansenula、Kluyveromyces等。
    • 其中,巴斯德毕赤氏酵母的基因表达系统发展最为迅速,已有数百种外源蛋白质在巴斯德毕赤氏酵母中表达,其产量比酿酒酵母系统高10~100倍(如植酸酶)。预示着非常规酵母在基因工程表达系统中有着良好的应用前景。
  5. 酵母是重要的工业微生物:
    ★ 到目前为止,酵母生物产品的产值占整个生物工业产值的50%左右,产量占90%左右。


二、酵母定向育种技术

酵母定向育种技术包括:

Ø        自然筛选

Ø        诱变育种

Ø        杂交育种

Ø        原生质体

Ø        融合育种

Ø        分子育种(即基因工程技术育种)

自然筛选

  • 从自然界中分离筛选;
  • 从收集到的不同来源的工业用酵母菌筛选符合厂家生产需要的酵母菌种;
  • 从生产中分离符合需要的酵母菌种等。

诱变育种

  • 物理因子——UV 、X、g、快中子、高温等
  • 化学因子——亚硝酸、NTG、硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯、5-氨基尿嘧啶等
  • 特点:方法简单,收效显著,因此在科研和生产上得到广泛应用,但缺少育种的定向性,存在副作用,易恢复突变。

杂交育种

细胞 X 细胞
细胞 X 孢子
孢子 X 孢子
       ¯

获得具有优良特性的酵母菌种

原生质体融合育种

原生质体+原生质体

原生质体+灭活原生质体

细胞器+原生质体融合

异源细胞+酵母原生质体

                  ↓

获得具有优良特性的酵母菌种。

分子育种

☆酵母菌分子育种技术主要包括如下几方面:

  • 异源基因在工业酵母中的克隆和表达;
  • 同源基因在工业酵母中的克隆和表达(自克隆技术);
  • 基因敲出;
  • 增加有用基因的考贝数;
  • 依据代谢控制理论进行基因重组。

三、     酵母产品研究进展

3.1酿酒酵母

(1)高耐性酒精活性干酵母

发明专利——一种高耐性酿酒酵母工程菌及其构建方法

☆耐乙醇(18~22%)—高浓发酵、节约能耗、降低成本。

☆耐高温(40~45℃)—提高生产速率、节约水耗。

☆耐高渗(耐糖35%以上)—是实现高浓发酵的前提。

(2)白酒专用活性干酵母

酒的组成:

水+乙醇98%

风味物质0.1~1.0%

其他杂质1.0~1.9%

酒的品质——取决于0.1~1.0%的风味物质,价格相差达万倍以上。

风味物质主要组成——酯类物质、酸类物质、高级醇、羰基化合物等。

酒的生理作用——各酒种基本相同。

白酒专用活性干酵母(工程菌)

酵母种类

酒度

%(V/V)

总酯

(mg/L)

高级醇

(mg/L)

酒精ADY

11.2

35

245

生香ADY

4.6

968

237

白酒专用ADY

10.4

1050

156

注:小曲酒,半固态发酵,发酵周期7天。

(3)有关酿酒酵母育种研究课题

  • 耐高温、耐高酒、耐高渗酒精酵母菌种的构建(酒精、白酒)
  • 木糖酒精发酵高产菌株的选育(燃料乙醇)
  • 白酒专用活性干酵母(高产酯)
  • 低高级醇酵母菌的选育(黄酒、啤酒)
  • 低双乙酰啤酒酵母的选育(啤酒)
  • 产适量SO2啤酒酵母菌的构建(啤酒)
  • 低产H2S啤酒酵母的选育(啤酒)
  • 啤酒酵母的凝聚性的研究(啤酒)
  • 高产乙酸乙酯菌种的选育(黄酒、啤酒)
  • 高产谷胱甘肽菌株的选育(啤酒)
  • 高产乙酸异戊酯菌株的选育(黄酒、啤酒)
  • 专用葡萄酒酵母菌种的选育(玫瑰香葡萄酒等)

3.2面包酵母

  • 耐高糖面包酵母
  • 快速发酵面包酵母
  • 耐冷冻酵母菌株
  • 低温敏感型面包酵母
  • 利用蜜二糖菌株的选育
  • 低聚果糖非分解性面包酵母
  • 乳糖利用菌株的选育

(1)耐高糖酵母

  • 普通面包酵母:含糖量高于5%时,发酵力即有所下降。
  • 高糖面团含糖量:面粉的20%~25%,对水而言,其含糖量高达35%~45%。因而普通面包酵母在高糖面团中的发酵力很低。
  • 耐高糖面包酵母:
    (1)能在胞内快速积累大量甘油以平衡高渗透压环境;
    (2)蔗糖酶活性较低,其活性与葡萄糖的利用速度相适应,使之能在高糖面团中维持较高的发酵力。

 

(2)快速发酵酵母

  • 面粉中含有少量的α-淀粉酶和β-淀粉酶,和成面团后水解淀粉产生一定的麦芽糖和少量的葡萄糖。
  • 普通面包酵母都存在葡萄糖效应,即只有当葡萄糖被几乎耗尽时才利用其他可发酵性糖(如麦芽糖等)。
  • 使用普通面包酵母发酵无糖面团生产主食面包或馒头时,由于葡萄糖效应的存在,发酵开始时只利用面团中少量的葡萄糖,因而发酵力较低,面团起发慢。
  • 无葡萄糖阻遏效应,在不加糖面团中,可优先利用浓度相对较高的麦芽糖或葡萄糖和麦芽糖一起被利用,由于低物浓度相对较高,因而发酵速度较快,被称为快速酵母。
  • 在通常情况下,不加糖面团的发面时间可缩短至30~40min。

 

快速发酵面包酵母的育种

面包酵母出发菌株

诱变育种

麦芽糖渗透酶和麦芽糖酶基因变异

(基因mal1,mal2,mal3,mal4, mal6中任何一个发生变异即可)

麦芽糖适应性的突变株筛选

(解除葡萄糖阻遏效应,麦芽糖酶活性高)

快速发酵面包酵母菌种

 

(3)耐冷冻面包酵母

  • 普通面包酵母冻存3周后,其活力下降达50%以上。如维持酵母用量不变,将会导致解冻后的面团膨胀不足,醒发时间延长,产品质量明显下降。
  • 酵母的耐冻性与胞内海藻糖的含量密切相关,较高的海藻糖含量可阻碍细胞内冰晶体的形成,从而保护细胞。
  • 普通面包酵母在面团发酵时海藻糖含量迅速下降,这就是发酵后面团中的酵母更容易受到冷冻伤害的原因。

 

低海藻糖分解酶活性菌株的选育

普通面包酵母菌株

物理、化学诱变、基因敲出

低海藻糖分解酶活性菌株筛选

(基因ath1,最适pH4.5;基因nth1,最适pH7.0)

耐冷冻酵母生产菌株

(-20℃,冷冻三周,存活率≥90%)

 

(4)低温敏感型酵母

  • 冷藏面团持术是继冷冻面团技术后近年来发展起来的又一项面包生产新工艺。
  • 该技术工艺中将生面团进行暂时冷藏(4℃左右)保存,在使用时取出再发酵和焙烤。在我国该技术也非常适合用来制作孢子和馒头,在食品加工厂将成型的孢子和馒头可不蒸制直接冷藏,待消费者食用时再蒸制,这样可节约能耗和生产成本。
  • 与冷冻面团相反,冷藏面团观注的不是酵母的死亡,而是要求酵母在冷藏过程中不发酵。
低温敏感型酵母的特性
  • 普通面包酵母在4℃左右的冷藏过程中细胞仍进行缓慢的代谢作用,面团中的糖和营养物质被逐渐消耗,冷藏结束后菌体的发酵代谢不能正常进行,面团膨胀率小,导致产品品质下降。
  • 低温敏感型(CSF1基因缺失)面包酵母在冷藏条件下(0℃-4℃)不发酵或发酵极其缓慢,而在30℃时的发酵性能与普通面包酵母相同,故适用于冷藏面团技术。

低温敏感型菌株的育种思路

优良面包酵母菌株

诱变育种或基因工程法

CSF1基因缺失

筛选低温敏感型

低温敏感型面包酵母菌株


(5)其他面包酵母

  • 利用蜜二糖菌株:
  • 糖蜜中含有一定的棉子糖(0.5%~2.0%),普通面包酵母只能利用棉子糖的1/3。选育出能利用蜜二糖的面包酵母,不仅可提高糖蜜的利用率和酵母产量,而且能降低发酵废液中的BOD含量。

低聚果糖非分解性面包酵母:

  • 低聚糖是一种重要的功能性保健食品,具有许多生理活性,同时可作为肠内双歧杆菌的增殖因子。普通面包酵母中的蔗糖转化酶很快分解低聚果糖,限制了低聚果糖作为添加剂在面包中的应用。选育出没有转化酶活性的菌株,即可使低聚果糖在面包中的应用成为可能。

乳糖利用菌株:

  • 奶粉是面包生产中常用的添加物质,乳糖是奶粉中含有的主要糖类,而普通面包酵母并不能同化乳糖。选育出能利用乳糖的面包酵母菌株,不仅可增加面团的产气能力,还有利于改善面包风味,同时使乳糖不适用者也可享受高奶粉含量的面包。

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