FSHW | POX1對啤酒花異α酸誘導的活的不可培養啤酒酵母形成的調控機制

本文系Food Science and Human Wellness原創編譯，歡迎分享，轉載請授權。

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的趨勢，市場上出現了如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倍以上。然而，高苦味啤酒發酵過程中后期的酵母活力減弱問題已引起了國內外啤酒科技工作者的關注。青島農業大學鄧陽教授課題組研究證實，當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（Viable but non-culturable，VBNC）狀態，此時細菌仍具有細胞的完整性，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酵。而且，目前對VBNC狀態形成的研究仍主要集中于原核生物，關于酵母等真核生物的研究報道還非常少。此外，酵母與細菌在細胞結構和生命活動等諸多方面存在差異，所以兩者的VBNC狀態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。

研究結果

本課題組前期研究發現，酵母經300 mg/L異α-酸處理2 h后，可培養菌數降到零，此時活菌數約占總菌數的90.2%；2 500 U/mL過氧化氫酶培養48 h可使VBNC酵母復蘇至可培養狀態。采用比較轉錄組學和生物信息學手段，比較正常、短期脅迫和VBNC酵母的基因表達量，調控VBNC狀態形成的關鍵功能基因；再結合GO和KEGG富集分析，推測出過氧化物酶體通路是啤酒酵母VBNC狀態形成過程中的關鍵通路，而此通路上的POX1基因的表達差異倍數較高，可能對于VBNC狀態啤酒酵母的形成起到關鍵調控作用（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構建啤酒酵母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狀態的形成過程中的作用機制，同時分析了VBNC狀態的形成與氧化應激反應的關系。

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，酶調控關鍵基因SYM1、CTA1、SOD1、GLR1的mRNA相對表達量也呈現上升趨勢，當酵母處于VBNC狀態時，達到最高值。由此可以推測，酵母VBNC狀態的形成與氧化應激反應有關。其次，以質粒pUG6為模板，構建出POX1基因缺失菌株，在300 mg/L異α酸處理2 h后，細胞死亡，說明POX1基因在啤酒酵母VBNC狀態形成過程中非常重要。隨后，分別測定了正常狀態、VBNC狀態和POX1基因敲除菌株細胞內ROS含量變化，結果發現POX1基因敲除菌株細胞內ROS熒光強度約為181.5，顯著低于正常狀態酵母，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激反應有密切關系。另外，構建出POX1基因過表達菌株，發現POX1基因過表達菌株比原始菌株更容易進入VBNC狀態，說明POX1基因在酵母VBNC狀態的形成過程中起到關鍵作用；通過分析酵母細胞內ROS含量的變化可知，經異α酸誘導后，VBNC狀態的POX1基因過表達菌株中ROS含量顯著高于正常狀態的原始菌株和POX1基因過表達菌株以及處于VBNC狀態的原始菌株，說明POX1基因與酵母的氧化脅迫反應存在內在關聯。本研究為解決苦味型啤酒發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狀態形成機制奠定理論基礎和科學依據，具有重要的學術價值及生產指導意義。

第一作者簡介

王增艷，女，碩士，畢業于青島農業大學食品加工與安全專業，主要研究方向為食品微生物與生物技術。參與國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年科學基金等科研項目，在國內外期刊公開發表學術論文5 篇，其中以第一作者發表SCI收錄論文2 篇，申請國家發明專利1 件。

通信作者簡介

鄧陽，男，博士，青島農業大學食品科學與工程學院教授、碩士生導師，獲青島市城陽區創新創業領軍人才稱號，入選青島農業大學第一批優秀人才“特支計劃”骨干人才。兼任特種食品營養與創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、全國釀酒標準化技術委員會委員、國家自然科學基金評審專家。長期從事微生物新資源食品制造及質量調控的應用基礎研究。近年來，主持國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年科學基金、科技部“一帶一路”創新人才交流外國專家項目、中國博士后科學基金特別資助等12 項科研立項；以第一或通信作者發表SCI收錄論文26 篇，獲授權國家發明專利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.

本文編譯內容由作者提供

編輯：王佳紅；責任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創意

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