科学网—浅谈酵母属酵母的发酵生理学和任何提高米香型白酒的质量和风味

浅谈酵母属酵母的发酵生理学和如何提高
                   米香型白酒的质量和风味
  进来我阅读了有关白酒酿造中的微生物发酵技术的专业书籍，不断充实自已，要在理论上有一个比较清楚的认识，以便将微生物生态系统生态学的生物技术应用于传统的先培菌糖化后发酵的生产工艺（即生产小曲米香型白酒）。下面就逐一介绍。
1.酿酒酵母占优势的发酵
（1）许多物理参数有利于酵母属酵母在葡萄酒或白酒发酵中占优势，快速高水平乙醇的生成是保证酿酒酵母占优势的因素之一。耐受高浓度的乙醇是这种酵母的主要性质，它使得酵母可以在发酵培养基中存活。酵母属酵母生产地乙醇是发酵的主要终端产品。
（2）酵母属酵母能够在竞争中占优势的第二个因素是它们比许多其他酵母耐受较高温度。厌氧发酵虽然放热量较少，但也能生产一些热量。在酿酒过程中，酿酒酵母能够维持活性，并能在接近摄氏38度的温度下继续发酵，而多数野生菌在接近摄氏38度时已经抑制。在较高温度下的存活能力也是酵母能主宰发酵的因素之一。
（3）竞争有限的营养物也是酵母在混合菌群发酵中占优势的能力之一。在酿酒酵母的营养利用与吸收上人们做过大量研究，但很少有与其他菌群的比较分析。
2.酵母细胞的结构
   酵母还具有类似于植物细胞泡囊的液泡，它是水解大分子物质和储存氨基酸、某些高能化合物（如焦磷酸）和其他细胞组分的地方，液泡还能调节细胞压力和维持离子平衡。另外，酵母中还含有一些转座因子。
   这样酵母属酵母就能被那一植物内生的、顶级的、结构紧凑的微生物群落侵染，并对酵母细胞的信息进行收集、识别和分类，包括酵母细胞的基因信息、信息分子、各种代谢途径（碳的代谢、糖酵解途径、氮源代谢、以及有关的酶系）例如：在发酵过程中，杂醇油生成的实际功能还不清楚，也可能是对在氨基酸代谢过程中生成的醛类的脱毒作用。对杂醇油生成作用的另一个推测是对氨基酸代谢的调节。杂醇油的积累可能意味着氨基酸生物合成途径的阻塞或可供氮源的缺乏，这些杂醇油在一定程度上是一种饥饿的信息，其作用是调节氮源代谢，而不是单纯浪费碳源。由于乙醇发酵中存在足够的乙醛，所以杂醇油的生成对于NADH的重新氧化似乎并不重要。
  又如，糖酵解途径（转化葡萄糖为丙酮酸）实际上是真核生物界和许多原核生物界中普遍存在的葡萄糖代谢途径，这个途径在发酵和呼吸代谢模式下都存在，在发酵代谢中，一种含碳化合物作为最终的电子受体，这种化合物是在转化糖代谢物为ATP形式的能量过程中生成的。在酵母属酵母中，丙酮酸转化为乙醛，由乙醛作为最终的电子受体而生成乙醇。其他微生物，在发酵过程中利用其他电子受体而生成还原性的酸，例如乳酸菌利用丙酮酸本身作为氢的受体而还原成乳酸。
   在呼吸过程中的ATP 产生称为“氧化磷酸化”，而由糖酵解途径生成ATP 的过程称为“底物水平磷酸化”。“发酵”指的是不需要氧的代谢过程，即有机物作为被氧化的基质，另一些有机物又作为氧化剂被还原的生物学过程。在发酵过程中作为最终电子受体和受氢体而被还原的有机物往往是被氧化的有机物的分解产物，例如葡萄糖经EMP途径分解产生2分子的丙酮酸，后者在接受分解过程所产生的氢，被还原为乳酸，，这就是乳酸发酵。发酵的结果是有机物的积累，同时产生较少的能量，一般只有底物水平磷酸化作用。
     TCA循环的酶和电子传递链位于线粒体上。由于呼吸作用最终依赖于氧的存在，因此这些酶都不是组成型的，只有在代谢需要时才能合成。在酵母，对于这些酶进行编码的基因是受培养基中葡萄糖或其他可发酵糖的阻遏控制的。这些基因受高浓度葡萄糖的阻遏，这说明mRNA没有生成，也没有转译作用，这种调节作用有多种名称：葡萄糖阻遏，葡萄糖代谢物阻遏或Crabtree效应。当底物浓度没有限制时，酵母只有依赖于发酵或底物水平磷酸化生成ATP，因此发酵是更好的代谢方式，即使分子氧存在的情况下也是如此。当糖的浓度受限时，酵母必须转入呼吸代谢状态，以产生足够的ATP供生长和代谢的需要。当然，如果氧不存在，这种代谢转换是不会出现的。除葡萄糖浓度之外，氧的浓度也是基因阻遏的一个调节因子，这一点也不足为怪。
   值得注意的是，发酵和呼吸并不是相互排斥的代谢方式。酵母属酵母在发酵过程不能提供足够的ATP时，如果有氧存在和葡萄糖浓度较低，就会增加呼吸作用力度。从发酵代谢向呼吸代谢并无突然的切换，从呼吸到发酵的转换也是如此。这就是酵母需要一段时间来适应不同生长条件的原因。发酵性生长受呼吸程度的影响，具体取决于生长条件和细胞对ATP的需求。
   酿酒酵母在某一状况下，虽然净的生长是停止了，但细胞的死亡或活细胞的下降一般发生在培养基中糖开始耗尽的时候。
3.糖酵解途径代谢调节
  在厌氧的糖酵解途径中，主要速率控制位点是葡萄糖进入细胞的步骤或糖输送系统。酵母属酵母的糖输送系统是一个主动运输的复合系统，在这一系统中似乎有数种亲和力和表达时间都不同的葡萄糖转移因子。影响细胞膜上转移因子数量和种类的因素有多种：糖浓度，生长阶段，分子氧的存在与否，生长速率、糖酵解途径的运行速率和营养物（尤其是氮源）的供应状况。从这一点来说，葡萄糖的吸收并不是糖酵解途径的限制因素，而是一个速率控制的主要位点，途径中任何速率的变化都可以解释为补偿底物吸收速率变化。这些因素保证了葡萄糖的吸收速率等于代谢速率，并能快速地适应任何代谢速率变化。控制葡萄糖进入细胞的速率是重要的，因为在糖酵解的初期是消耗ATP的，ATP的产生只是糖酵解途径后来的事情。任何代谢的阻塞都可能导致在产生6-磷酸葡萄糖的过程中，细胞总的ATP向ADP的转化，从而导致ATP短缺，使途径中的其他反应不能完成。
    酵母属酵母的糖代谢模式在很大程度上受培养基中糖浓度的影响。在糖浓度大于2g/L时，发酵模式是占优势的代谢模式，而呼吸是在较低的糖浓度下的代谢模式。这是由酵母的两种调节现象实现的：葡萄糖阻遏和葡萄糖抑制。
   酵母细胞在呼吸代谢中消耗1分子葡萄糖可以产生较多的ATP ，但为什么酵母在有氧存在的情况下还偏向于发酵代谢呢？呼吸代谢是一个昂贵的过程，需要较多的酶反应机构和线粒体，而在发酵过程中不需要线粒体。因此，虽然呼吸能产生较多能量，但维持呼吸作用消耗的能量也较多。
4.发酵动力学
    葡萄酒发酵是解释发酵动力学的一个良好例子。它的细胞生长和发酵活力的维持阶段都是典型的过程。在许多白葡萄酒发酵过程中，当残糖量为初糖量的1/2~1/3时，酵母细胞的生长就基本上停止了，发酵的后续阶段是酵母细胞发酵活性的维持或提高，而非活细胞的生长。
   由于上述原因，任何葡萄酒发酵的动力学描述都必须包括这两个阶段的活性。遗憾的是，发酵条件的研究一般只是对影响生长的因素给予高度的重视，而对影响酵母细胞发酵活力和其他行为的研究要少得多。
   现今，当我们将那一植物内生的、顶级的、结构紧凑的微生物群落加入到白酒酿造中去，就可以探索到发酵后续阶段的酵母细胞发酵活性的维持或提高过程以及其他行为的状况。另外，白酒酿造中，一些有机酸的形成会给白酒风味带来影响。有机酸可以来源于糖代谢或氮源代谢，具体取决于生长条件和氮源的供应状况。总之，将微生物生态系统生物技术应用于白酒酿造中是很有意义的尝试。

  任何提高米香型白酒的质量和风味？
  众所周知，米香型白酒的原料是大米。根据米香型白酒酿造过程可知，大米中的淀粉经小曲中的根霉的淀粉酶作用，将淀粉转化为葡萄糖，然后再利用根霉与酵母中的酒化酶系，在适宜的条件下，使葡萄糖转化为酒精。另外，从米香型白酒的香味的前体物质来看，米香型白酒中的香味前体物质来源于原料中的糖类、氨基酸类、小曲配料中的芳香烃及其氧化物以及各种代谢产物(如，乙酸、乙醇、乳酸等）。
   米香型白酒在选定原料为大米后，按传统工艺生产时，要提高米香型白酒的质量，一般就从下面三个方面入手：小曲质量、小曲制造工艺和发酵生产工艺。而对提高小曲米香型白酒的风味，就指望小曲中根霉或酵母能否具有将上述风味前体物质转化为米香型白酒的香味物质的酶系；另外还指望米香型白酒在贮存期，有益微生物参与其中，即指望相关酶系参与，使之自然老熟，并提升米香型白酒中的主体香的乙酸乙酯、乳酸乙酯和B-苯乙醇的含量。
   由上述可知，要用现有的微生物发酵技术来进一步提高米香型白酒的代表者——桂林三花酒的质量和风味是相当困难。真正优质米香型白酒的贮存期较长，贮存环境条件要求也较严格，因此，其酒的产量有个上限，这是众所周知的事实。任何打破这样的瓶颈？只有创新，利用崭新生物技术改良原有的酿造技术，才能使其产品的质量和风味得到提升。本人认为关键就是：引入那一植物内生的、顶级的、结构紧凑的微生物群落进入发酵系统，形成新的生态系统，在新的生态系统中，在保留以酒精发酵为主要代谢模式的情况下，为了发酵系统的稳定和协调，就必须建立一系列其他辅助代谢模式，在建立辅助代谢模式的同时需要建立一系列相应的“新”酶系。其中一部分“新”酶系能够帮助发酵系统将其呈香呈味的前体物质转化为米香型白酒的香味物质；而另一小部分“新”酶系能通过蒸馏进入到白酒半成品中，在贮存期继续起酶促反应，使白酒中少量物质进行相关酯化反应或其他反应，生成多一些的呈香的酯类物质以及其他呈香物质。这样上述“新”酶系中，一些酶系是耐高温而保持活性；另一些酶系，不仅耐高温还耐高浓度的乙醇而保持活性。这就是那一生态系统所具有的非凡本领。这些酶系一部分保留在酒糟中，可重复使用，另一些酶系保留在酒尾中，也可以复蒸，而重复使用。总之，引入微生物生态系统进入到米香型白酒的酿造过程中，能够提高米香型白酒的质量和风味。