FSHW | POX1對啤酒花異α酸誘導(dǎo)的活的不可培養(yǎng)啤酒酵母形成的調(diào)控機制

本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

近年來，隨著消費意識和水平的提高，消費者對啤酒的需求正朝著多樣化和個性化方向發(fā)展。啤酒花作為啤酒釀造中必不可少的原料之一，賦予了啤酒優(yōu)美的芳香和爽口的苦味。目前，使用更為豐富的啤酒花品種以及更大的添加量已成為啤酒新品研發(fā)的趨勢，市場上出現(xiàn)了如IPA（印度淡色艾爾）等苦味型啤酒，其是以往主流的淡爽型黃啤酒中啤酒花的添加量的數(shù)倍以上。然而，高苦味啤酒發(fā)酵過程中后期的酵母活力減弱問題已引起了國內(nèi)外啤酒科技工作者的關(guān)注。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧陽教授課題組研究證實，當(dāng)高濃度苦味酸存在條件下，啤酒酵母可逐漸形成活的不可培養(yǎng)（Viable but non-culturable，VBNC）狀態(tài)，此時細(xì)菌仍具有細(xì)胞的完整性，但只保持低水平的代謝活性，這在一定程度上制約了高苦味啤酒的正常發(fā)酵。而且，目前對VBNC狀態(tài)形成的研究仍主要集中于原核生物，關(guān)于酵母等真核生物的研究報道還非常少。此外，酵母與細(xì)菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生命活動等諸多方面存在差異，所以兩者的VBNC狀態(tài)形成機制可能略有不同。因此，針對高苦味啤酒釀造過程中酵母的活性變換及其機理的深入解析則顯得尤為重要。

研究結(jié)果

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，酵母經(jīng)300 mg/L異α-酸處理2 h后，可培養(yǎng)菌數(shù)降到零，此時活菌數(shù)約占總菌數(shù)的90.2%；2 500 U/mL過氧化氫酶培養(yǎng)48 h可使VBNC酵母復(fù)蘇至可培養(yǎng)狀態(tài)。采用比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生物信息學(xué)手段，比較正常、短期脅迫和VBNC酵母的基因表達量，調(diào)控VBNC狀態(tài)形成的關(guān)鍵功能基因；再結(jié)合GO和KEGG富集分析，推測出過氧化物酶體通路是啤酒酵母VBNC狀態(tài)形成過程中的關(guān)鍵通路，而此通路上的POX1基因的表達差異倍數(shù)較高，可能對于VBNC狀態(tài)啤酒酵母的形成起到關(guān)鍵調(diào)控作用（LWT-Food Science and Technology, 2022, 155:112974）。為了驗證這個猜測，作者通過基因敲除和過表達技術(shù)構(gòu)建啤酒酵母POX1基因缺失菌株和過表達菌株以闡明POX1基因在啤酒酵母VBNC狀態(tài)的形成過程中的作用機制，同時分析了VBNC狀態(tài)的形成與氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)系。

圖1不同信號肽對枯草芽孢桿菌分泌α-LA的影響

作者首先證實，隨著酵母所處脅迫程度的增加，ROS含量、CAT酶活、SOD酶活、GR酶活逐漸提高，酶調(diào)控關(guān)鍵基因SYM1、CTA1、SOD1、GLR1的mRNA相對表達量也呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)酵母處于VBNC狀態(tài)時，達到最高值。由此可以推測，酵母VBNC狀態(tài)的形成與氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。其次，以質(zhì)粒pUG6為模板，構(gòu)建出POX1基因缺失菌株，在300 mg/L異α酸處理2 h后，細(xì)胞死亡，說明POX1基因在啤酒酵母VBNC狀態(tài)形成過程中非常重要。隨后，分別測定了正常狀態(tài)、VBNC狀態(tài)和POX1基因敲除菌株細(xì)胞內(nèi)ROS含量變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)POX1基因敲除菌株細(xì)胞內(nèi)ROS熒光強度約為181.5，顯著低于正常狀態(tài)酵母，進一步證實POX1基因的缺失會影響酵母的ROS代謝，說明POX1基因與酵母的氧化應(yīng)激反應(yīng)有密切關(guān)系。另外，構(gòu)建出POX1基因過表達菌株，發(fā)現(xiàn)POX1基因過表達菌株比原始菌株更容易進入VBNC狀態(tài)，說明POX1基因在酵母VBNC狀態(tài)的形成過程中起到關(guān)鍵作用；通過分析酵母細(xì)胞內(nèi)ROS含量的變化可知，經(jīng)異α酸誘導(dǎo)后，VBNC狀態(tài)的POX1基因過表達菌株中ROS含量顯著高于正常狀態(tài)的原始菌株和POX1基因過表達菌株以及處于VBNC狀態(tài)的原始菌株，說明POX1基因與酵母的氧化脅迫反應(yīng)存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)。本研究為解決苦味型啤酒發(fā)酵過程中酵母活力減弱的問題提供新思路和方法，也為進一步完善真核生物VBNC狀態(tài)形成機制奠定理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價值及生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

第一作者簡介

王增艷，女，碩士，畢業(yè)于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品加工與安全專業(yè)，主要研究方向為食品微生物與生物技術(shù)。參與國家自然科學(xué)基金面上項目、國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金等科研項目，在國內(nèi)外期刊公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文5 篇，其中以第一作者發(fā)表SCI收錄論文2 篇，申請國家發(fā)明專利1 件。

通信作者簡介

鄧陽，男，博士，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，獲青島市城陽區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才稱號，入選青島農(nóng)業(yè)大學(xué)第一批優(yōu)秀人才“特支計劃”骨干人才。兼任特種食品營養(yǎng)與創(chuàng)制山東省工程研究中心副主任、青島特種食品研究院科研處處長、Frontiers in Microbiology客座副主編、全國釀酒標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、國家自然科學(xué)基金評審專家。長期從事微生物新資源食品制造及質(zhì)量調(diào)控的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。近年來，主持國家重點研發(fā)計劃子課題、國家自然科學(xué)基金面上項目、國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、科技部“一帶一路”創(chuàng)新人才交流外國專家項目、中國博士后科學(xué)基金特別資助等12 項科研立項；以第一或通信作者發(fā)表SCI收錄論文26 篇，獲授權(quán)國家發(fā)明專利5 件。

POX1 regulates the formation of viable but non-culturable brewer’s yeast induced by iso-α acid from hops

Zengyan Wanga,b,c,d,1, Yang Xiaoa,e,1, Xuchen Lia,b,c,d,1, Zhenqing Lia,b,c,d, Yan Wangf, Wei Hef, Jiayang Wanga,b,c,d, Li Liua,b,c,d, Ting Dinga,b,c,d, Pengdong Suna,b,c,d, Jingyuan Lia,b,c,d, Yang Denga,b,c,d,*

a College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

b Key Laboratory of Special Food Processing (Co-construction by Ministry and Province), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

c Shandong Technology Innovation Center of Special Food, Qingdao 266109, China

d Qingdao Special Food Research Institute, Qingdao 266109, China

e School of Food Engineering, Qingdao Institute of Technology, Qingdao 266300, China

f Shandong Huifa Foodstuff Co., Ltd., Zhucheng 262200, China

1 Zengyan Wang, Yang Xiao, and Xuchen Li contributed equally to this manuscript.

*Corresponding author.

Abstract

In this study, we utilized gene knockout and overexpression techniques to generate brewer’s yeast strains with either a deletion or overexpression of the fatty acyl-CoA oxidase (POX1) gene. The strains studied included the parental strain, the POX1 deletion strain, and the POX1 overexpression strain. These strains were exposed to iso-α acid from hops at a concentration of 300 mg/L, leading to the induction of a viable but non-culturable (VBNC) state. Our results indicated that the silencing of the POX1 gene rendered brewer’s yeast cells unable to withstand the high concentration of iso-α acid stress, ultimately leading to cell death. Conversely, the overexpression of POX1 accelerated the transition of yeast cells into the VBNC state compared to the parental strain. Furthermore, we evaluated the levels of reactive oxygen species (ROS), catalase (CAT) activity, superoxide dismutase (SOD) activity, glutathione reductase (GR) activity, and the mRNA expression of genes that regulate these enzymes (the stress-inducible yeast Mpv17 (SYM1) gene, CTA1, SOD1, and glutathione reductase (GLR1) gene) in brewer’s yeast cells at three distinct stages: normal, short-term stress, and VBNC states. Based on these findings, it can be inferred that the formation of the VBNC state in brewer’s yeast is associated with the response to oxidative stress.

Reference:

WANG Z Y, XIAO Y, LI X C, et al. POX1 regulates the formation of viable but non-culturable brewer’s yeast induced by iso-α acid from hops[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250150. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250150.

本文編譯內(nèi)容由作者提供

編輯：王佳紅；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

為系統(tǒng)提升我國食品營養(yǎng)與安全的科技創(chuàng)新策源能力，加速科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，推動食品產(chǎn)業(yè)向綠色化、智能化、高端化轉(zhuǎn)型升級，由北京食品科學(xué)研究院、中國食品雜志社《食品科學(xué)》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業(yè)大學(xué)、安徽省食品行業(yè)協(xié)會、安徽大學(xué)、合肥大學(xué)、合肥師范學(xué)院、北京工商大學(xué)、中國科技大學(xué)附屬第一醫(yī)院臨床營養(yǎng)科、安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院、皖西學(xué)院、滁州學(xué)院、蚌埠學(xué)院共同主辦的“ 第六屆食品科學(xué)與人類健康國際研討會 ”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到） 在 中國 安徽 合肥 召開。

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