優(yōu)良酵母菌的性能及其應(yīng)用

◎ 臧明麗，陳曉瑩，肖茹慧，張 慧，劉曉玉

（信陽學(xué)院理工學(xué)院，河南 信陽 464000）

酵母菌屬于真菌界子囊菌門酵母綱，在自然界中的分布十分廣泛，甚至在極端的環(huán)境中也會生存。不同種屬間的酵母菌細胞形狀有所差異，有卵圓形、圓形、圓柱形或檸檬形等。喜歡在偏酸性并且含糖（以糖為原料為生命活動提供能源物質(zhì)）的環(huán)境下生長，屬于兼性厭氧菌（有氧呼吸，無氧呼吸）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對酵母菌的深入研究，越來越多種酵母菌被人們應(yīng)用到各種工業(yè)生產(chǎn)中，如新產(chǎn)品的開發(fā)、釀酒產(chǎn)業(yè)、酵母菌制劑和廢水處理等。為了更大程度地發(fā)揮酵母菌優(yōu)勢，挑選出性能較好的菌株，該篇文章簡要闡述了優(yōu)良酵母菌的篩選及其發(fā)酵性能的研究。

1 酵母菌的簡介

1.1 酵母菌的發(fā)現(xiàn)歷程

早在2 500多年前，我國勞動人民已經(jīng)掌握了釀酒、制醬油、釀醋等技術(shù)，但這種技術(shù)也僅僅只是口傳身授，純屬經(jīng)驗性、偶然性，不清楚是微生物在發(fā)酵中起著至關(guān)重要的作用。直到1680年，荷蘭微生物學(xué)家列文·虎克用顯微鏡在發(fā)酵的啤酒液中首次發(fā)現(xiàn)了酵母菌細胞。從此以后人類就開始對酵母菌進行大量的研究，而且有意識地利用酵母菌改變生產(chǎn)甚至將其逐漸滲透到日常生活中。

現(xiàn)在，人們已經(jīng)把酵母菌應(yīng)用到各行各業(yè)，如食品工業(yè)中的制作饅頭、釀酒工業(yè)中的革新技術(shù)等，但還有許多未知的領(lǐng)域等著科學(xué)家們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

1.2 常見的酵母菌及其菌落形態(tài)

酵母菌在自然界中廣泛分布，到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾百種同屬于真菌界子囊菌門酵母綱但是不同屬的酵母，它們的作用原理有些差異，所以為了方便區(qū)分記憶，科學(xué)家們對這些酵母做了一個簡單的分類。1860年，丹麥酵母專家Email Christian Hansen首先對酵母菌進行分類研究[1]，他被認為是世界上最早開始系統(tǒng)性地研究酵母菌的微生物學(xué)家。常見的、與人們生活聯(lián)系比較密切的酵母菌有釀酒酵母、假絲酵母、啤酒酵母等。

1.2.1 釀酒酵母

釀酒酵母是被人們廣泛應(yīng)用的一種酵母，它不僅被應(yīng)用于釀酒、制作饅頭和面包等，還被用作微生物學(xué)中的模式生物。釀酒酵母的細胞大多數(shù)為球形或者卵圓形，直徑為5～40 μm。它的菌落顏色為奶油色，稍帶綠色；菌落的形態(tài)為球形突起，與大多數(shù)酵母菌一樣，由于細胞間隙充滿水，所以細胞表面光滑，不透明，細胞形態(tài)有點像奶油狀。釀酒酵母的繁殖方式為無性繁殖，且以芽殖為主要繁殖方式。

1.2.2 假絲酵母

假絲酵母泛指能產(chǎn)生假菌絲但是不能產(chǎn)生子囊孢子的酵母，即不能進行有性繁殖的一類酵母。大多數(shù)假絲酵母可以利用正烷烴作為碳源，可被用來石油發(fā)酵脫蠟[2]。但是，假絲酵母在為人們服務(wù)的同時也對人們的健康有一定的威脅，如假絲酵母中的白假絲酵母就是一種病原體，可以引起皮膚黏膜感染等急性病。其菌落顏色為中間奶油色，邊緣為綠色；菌落形態(tài)為扁平、光滑、不透明。

1.2.3 啤酒酵母

啤酒酵母，顧名思義指的是一類專門用來釀造啤酒的酵母。這種酵母細胞的形狀為近似于球形的橢圓體，菌落為乳白色，形態(tài)為有光澤，平坦，邊緣整齊。啤酒酵母的生長繁殖方式與釀酒酵母的繁殖方式一樣，為無性繁殖，且以芽殖為主要方式。

1.3 酵母菌的作用機制

酵母菌是一種兼性厭氧菌，當(dāng)生長環(huán)境含有大量氧氣時，它可以通過有氧呼吸獲取生長所需的能量；在氧氣不足或者是無氧條件下，它可以進行無氧呼吸，產(chǎn)生乙醇和生長能源，即乙醇發(fā)酵。乙醇發(fā)酵是指在無氧條件下，酵母菌將葡萄糖經(jīng)糖酵解（EMP）途徑先分解為丙酮酸，在丙酮酸脫羧酶的作用下脫羧成乙醛，再經(jīng)過細胞內(nèi)酶的作用轉(zhuǎn)變成乙醇的過程[3]。簡而言之就是酵母菌以葡萄糖為原料，進行一系列的反應(yīng)，最終產(chǎn)生CO2、乙醇和能量的過程。

1.4 酵母菌的篩選方法

常用的篩選酵母菌的方法有兩種，即稀釋涂布平板法和平板劃線分離法。例如翁鴻珍等[4]把新鮮奶酒當(dāng)作分離源，利用滅菌麥芽汁培養(yǎng)基進行酵母菌的富集培養(yǎng)，采用稀釋平板法對奶酒中的酵母菌進行了分離。為了提高實驗結(jié)果的嚴謹性，進行更細致的篩選，科學(xué)家們把篩選程序分成了3步：①高溫測驗（高于酵母菌的適宜溫度，但不宜過高），在顯微鏡下觀察，挑選出還未失去活性、生長良好的菌株。②TTC（2,3,5-三苯基氯化四氮唑）平板染色以及呼吸強度（CO2的生成量作為參考依據(jù)）篩選。③在10%的乙醇環(huán)境下進行耐酒精測驗。通過這3步的測驗可以篩選出耐高溫、耐酒精、生長性能優(yōu)良的菌株[5]。

2 酵母菌發(fā)酵性能的應(yīng)用

2.1 在新產(chǎn)品開發(fā)方面的應(yīng)用

通過用酵母菌或細菌等一些微生物的菌體發(fā)酵獲得的單細胞蛋白（SCP），含有大量的蛋白質(zhì)、碳水化合物、礦物質(zhì)和維生素等，因而營養(yǎng)價值也大幅度提高了。而富硒酵母的生產(chǎn)更是開辟了一片新天地，創(chuàng)造出將發(fā)酵工藝作用于微量元素的生產(chǎn)上的新途徑，將微量元素與酵母菌結(jié)合起來可以滿足人們對微量元素的需求。例如大量的研究數(shù)據(jù)表明酵母細胞對硒（一種微量元素）具有富集作用（吸收率高約75%），于是科學(xué)家們根據(jù)酵母菌的這一特點開始了富硒酵母菌細胞的研究。他們在特定的培養(yǎng)環(huán)境下或者是不同階段在培養(yǎng)基中加入適量的硒，并使它被酵母菌充分吸收、利用并且轉(zhuǎn)化為酵母細胞內(nèi)可被利用的有機硒，然后通過酵母菌細胞自溶最終獲得目的產(chǎn)物。此外還可以利用現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)不同用途、豐富多樣的食品添加劑，改變食品的風(fēng)味，相對于化學(xué)添加劑，這已經(jīng)成為一種新的趨勢，大大降低了添加劑對人體的傷害。例如現(xiàn)在風(fēng)味添加劑中的多種核苷酸、琥珀酸鈉、異丁醇、雙乙酰等就是通過發(fā)酵工程生產(chǎn)的[6]。

2.2 在釀酒技術(shù)方面的應(yīng)用

啤酒是世界上銷量最大的酒種，是以發(fā)芽的小麥為主要原料，酒花、玉米、水等輔料，通過長時間的發(fā)酵產(chǎn)生。如果按照傳統(tǒng)的方式進行啤酒釀造，發(fā)酵的過程比較麻煩，這是因為啤酒酵母中缺少了一種重要的酶——α-淀粉酶，所以需要借助麥芽產(chǎn)生的α-淀粉酶使谷物淀粉液化成糊精。為了解決這個問題，科學(xué)家們經(jīng)過多次研究決定采用基因工程技術(shù)，將大麥中α-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入到啤酒酵母中構(gòu)建一種能夠產(chǎn)生α-淀粉酶的啤酒酵母[7]。優(yōu)點是這種技術(shù)可以讓酵母直接利用淀粉發(fā)酵，實現(xiàn)了啤酒技術(shù)的革新。

2.3 在改變發(fā)酵類型方面的應(yīng)用

因為化學(xué)合成產(chǎn)率比較低、反應(yīng)時間長，并且合成的產(chǎn)品中含有誘變劑（或許對人體有害），無法得到完全對人類有益的純的目的產(chǎn)物，所以，人們逐漸轉(zhuǎn)向于利用這種新型發(fā)酵方法來合成各種食品添加劑以及生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)往往具有化學(xué)合成不可比擬的優(yōu)越性。如用黏紅酵母GLR513生產(chǎn)油脂，油脂含量高，不飽和脂肪酸含量也高[8]。

2.4 在制作動物飼料方面的應(yīng)用

酵母菌不僅可以制作食品，還可以作為一種有價值的動物飼料，因為酵母菌是一種重要的蛋白質(zhì)和氨基酸來源，同時酵母菌中富含多種維生素，尤其是B類維生素和維生素E及一些動物必需礦物質(zhì)。目前常見的用于動物飼養(yǎng)的酵母菌制劑產(chǎn)品有兩大類，各有各的用途。①保證高數(shù)量的活酵母菌，作為活酵母菌制劑銷售，如活干酵母菌，這類產(chǎn)品的特點是有高濃度的活性細胞（＞10 CFU/g）[9]。因為這類酵母菌有一定的代謝能力，被動物食用之后，進入腸道，與原腸道中的微生物相互作用，發(fā)揮“益生素”的功能。②不含或者僅含少量的活酵母菌培養(yǎng)物成分，被稱為酵母菌培養(yǎng)物制劑，它主要以含有酵母菌和用于酵母菌生長的培養(yǎng)基的方式銷售。這類產(chǎn)品主要是作為營養(yǎng)活性成分和營養(yǎng)底物，在反芻動物的瘤胃中發(fā)揮“益生素”作用。

2.5 在廢水處理技術(shù)方面的應(yīng)用

酵母菌廢水處理技術(shù)的原理是去除水中的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），最終達到廢水的凈化[10]。它的作用原理與微生物工藝中的活性污泥法的作用原理大致相同，不同之處是活性污泥主要是靠活性污泥的吸附作用，吸附廢水中的有毒物質(zhì)或者其他有機質(zhì)：而酵母菌的作用原理是酵母菌的降解作用。科學(xué)家們首先從自然環(huán)境中篩選出一種或多種能夠在廢水中生長并且能夠有效分解有機物質(zhì)的酵母菌菌種，然后再把篩選到的菌種混合，通入適量的氧氣（以好氧的方式），讓混合酵母菌充分分解利用廢水中的有機質(zhì)，從而降低水中的COD，實現(xiàn)水質(zhì)的凈化。

3 展望

本文簡單介紹了酵母菌的發(fā)酵性能在生活中的應(yīng)用，在滿足社會需求的同時，也在擔(dān)憂由酵母菌產(chǎn)生的威脅，例如假絲酵母可以引起肺炎或腦膜炎等急性病。為了完善酵母菌的價值，對此有以下幾個研究方向。

（1）開發(fā)利用新型酵母菌。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量資源被掠奪，甚至部分不可再生資源已經(jīng)發(fā)出了紅色警告，石油就是其中較為典型的例子。為了保證人類的生存不被影響，科學(xué)家們正在試圖找一種可以代替石油的物質(zhì)或者是其他生產(chǎn)石油的途徑。大量的研究表明，微生物發(fā)酵可以產(chǎn)生乙醇等可利用物質(zhì)，但產(chǎn)量極低，所以科學(xué)家在未來研究中要進一步完善生物技術(shù)，以便滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。

（2）篩選特異功能的酵母菌。人們越來越多的把重心放在工業(yè)上，導(dǎo)致出現(xiàn)越來越多的工廠，污水大量排放、廢氣隨意排放，環(huán)境污染越來越嚴重，可以利用混合菌種處理生活廢水，但是處理效果不太好，效率不太高。針對這個問題，在未來發(fā)展中，科學(xué)家們可以研究出一種快速高效的酵母菌種去治理被污染的環(huán)境。

（3）改良不良酵母菌。酵母菌也是把雙刃劍，有利有弊。少數(shù)的酵母菌可能會引起人或動物的疾病，例如白假絲酵母和新型隱球菌等一些條件致病菌可引起鵝口瘡、肺炎或腦膜炎等疾病。在未來的研究中，要深入了解、探索、研究，盡量把酵母菌對人們的危害降到最低，在最大程度上保證人們的利益。