CO2背壓啤酒發酵中乙酰輔酶A與釀酒酵母生長和酯類生成的相關性分析

楊東升，劉 臘，李 鵬

（海南大學 材料與化工學院，海南 海口 570228）

乙酰輔酶A（acetyl coenzyme A，acetyl-CoA）是酶法合成酯類、脂質、萜類等具有重要工業應用價值的化合物的重要合成前體，參與了微生物中100多條合成與分解代謝途徑[1]，它既是合成酵母細胞組成物質的關鍵物質，又是是酯類形成的主要限制因子[2]。乙酰輔酶A是生物合成脂肪酸的基礎，也是生物合成酯類的構成物，酯的合成與脂肪酸的合成存在著對酰基輔酶A的競爭機制，因此，有利于脂肪酸的合成，會影響酯的合成[3-4]。酯類是影響啤酒風味最大和最重要的化合物之一，盡管啤酒中的酯類含量不高，但其對啤酒風味的影響非常大。合理控制啤酒中酯類含量，將賦予啤酒協調的風味[5]。

當環境條件有利于酵母的生長繁殖時，例如麥汁中含有足量的可同化氮并在好氣條件下，酵母需要合成較多的脂肪酸來合成細胞膜進行繁殖時，酯的合成就會減少。任何影響乙酰輔酶A的生物合成或消耗乙酰輔酶A的反應都會影響酯的生物合成。相反，環境條件不利于酵母的生長繁殖時，如在缺少可同化氮或培養基營養成分不均衡的情況下，酵母較快通過糖酵解形成大量乙酰輔酶A，并以此為底物合成大量酯[6]。特別是啤酒高濃發酵，造成成品啤酒強烈的溶劑味，形成風味缺陷[7]。

CO2是啤酒發酵過程自生產物，在密封的啤酒發酵環境中，其濃度會越來越高直至發酵停止。CO2能影響酵母的代謝途徑，改變代謝產物的種類、生成速率和產量[8]。CO2可以直接抑制酵母的生長和代謝，尤其是抑制對酵母代謝起關鍵作用的脫羧反應，脫羧反應的減少進而影響酯類合成底物乙酰輔酶A的形成[9]。另外，一些酶蛋白上可能存在一個特定的陰離子敏感位點，其會受到HCO-3的抑制[10]，使代謝方向發生改變。如在一定壓力范圍內，隨著外加CO2分壓的上升，使更多的丙酮酸作為反應底物通過生成乙醛轉化成酒精[11-12]，從而減少乙酰輔酶A的形成，進而影響酯的生成。研究發現[13]，低濃度CO2可以刺激酵母的生長。合理的背壓可以控制丙酮酸到乙酰輔酶A的脫羧過程對CO2抑制的敏感度。比如，現代啤酒發酵通過密封罐調整背壓確保發酵過程的順利進行，尤其是大規模的高濃度和超高濃度啤酒發酵技術使發酵環境壓力、CO2濃度更高，對酵母生長代謝及酯類代謝的影響更是不能忽視[7]。綜上，保持合理的CO2背壓非常重要，除了可以控制酵母生長速度，又可以控制乙酰輔酶A的消耗，導致影響酯的形成。然而，現有研究CO2對啤酒生產影響僅局限于單一的因素分析，未能充分揭示在CO2背壓下，乙酰輔酶A與酵母生長、酯類形成的相關性。

本研究通過控制比較啤酒背壓發酵與常壓發酵，通過檢測主發酵過程中乙酰輔酶A、酵母生長和酯類形成的變化，分析CO2對啤酒發酵基本參數的影響，揭示乙酰輔酶A與釀酒酵母生長和酯類生成的規律，對指導生產適宜風味的啤酒具有十分重要的作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）NCYC 1108、麥汁（12°Bx）：海南大學生物工程綜合實驗室；檸檬酸合酶（100 U/m L）：美國Sigma公司；疏基乙醇、苯甲基磺酰氟（phenylmethylsulfonyl fluoride，PMSF）、甘油、Tris-HCl（pH=7.5）、蘋果酸脫氫酶（30.4 kU/m L）、L-蘋果酸、氧化型輔酶I（β-nicotinam ide adenine dinucleotide trihydrate，NAD）、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）（均為分析純）：北京索萊寶科技有限公司；乙酸乙酯、乙酸異戊酯、己酸乙酯（均為分析純）：阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 儀器與設備

100L啤酒自釀系統：哈爾濱漢德啤酒有限公司；JY92IIN超聲波細胞破碎儀：上海滬析實業有限公司；5424高速冷凍離心機：德國Eppendorf公司；6890N氣相色譜（gaschromatography，GC）儀：美國Agilent公司；TU-1810紫外可見光分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；MLS3780高壓蒸汽滅菌鍋：三洋電機株式會社；ATY224島津電子天平：日本島津公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 啤酒常壓發酵和CO2背壓發酵工藝流程及操作要點

CO2背壓發酵：關閉排空閥，高泡期形成后，使壓強自動上升至0.05MPa，保持，如果壓力繼續升高，則通過排氣保持壓力，發酵溫度10℃。

常壓發酵：排空閥保持常開，發酵溫度10℃。

1.3.2 分析檢測

（1）酵母計數[14]

酵母計數采用血球計數板法。

（2）乙酰輔酶A含量測定[15]

乙酰輔酶A提取試劑：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）2.5 g、100mmol/L的巰基乙醇37μL、100mmol/L的苯甲基磺酰氟（PMSF）500μL和甘油5m L溶于50mmol/L，pH值為7.5，100m L的Tris-HCl緩沖溶液后組成，置于試劑瓶中，4℃保存[15]。

乙酰輔酶A檢測試劑：蘋果酸脫氫酶0.3mg，檸檬酸合酶10 μL，蘋果酸30mg和氧化型輔酶I（NAD）7.5mg溶于50mmol/L，pH值為7.5，23m L的Tris-HCl緩沖溶液中[15]。

樣品制備：取20 m L發酵液于50 m L無菌離心管中，5 000 r/min離心15min，收集離心沉淀，用生理鹽水洗滌酵母菌體兩次。棄上清，沉淀按照每400萬細菌或培養細胞加入1m L的乙酰輔酶A提取試劑，并且采用功率為20W的超聲波，對離心管內的細菌或培養細胞超聲3 s，間隔10 s，重復30次，破碎細胞，然后采用13 000×g離心條件，4℃離心10m in，取上清，置冰上，用于測定乙酰輔酶A[15]。

乙酰輔酶A含量測定[15]：分光光度計預熱30min，用蒸餾水于波長340 nm處調零；取230μL的乙酰輔酶A檢測試劑和25μL樣本至微量石英比色皿，混勻；立即記錄波長340 nm處20 s時的吸光度值A1和80 s時的吸光度值A2；計算吸光度值ΔA=A2-A1；以吸光度值ΔA（x）為橫坐標，以標準品濃度（y，nmol/mg）為縱坐標，繪制乙酰輔酶A標準曲線，采用乙酰輔酶A標準曲線回歸方程y=1 640x+0.012計算樣品中乙酰輔酶A含量。

（3）總酯含量測定

采用頂空氣相色譜法測定乙酸乙酯、乙酸異戊酯、己酸乙酯。氣相色譜條件如下：采用毛細管HP-NIONAX柱（30m×0.32mm×0.25μm），頂空采樣器HP7694E，注入溫度225℃；柱溫程序：在40℃條件下保持3min，然后在5℃/min增加到90℃；檢測器溫度300℃；載氣為氮氣（N2）；載氣流量30m L/m in；氫氣（H2）流量40m L/m in；空氣流量400m L/m in；分流比6∶1；樣品瓶平衡溫度50℃；平衡時間30m in；循環溫度60℃；傳輸線溫度65℃，進樣量0.5μL。工作站軟件PG2070AA[16-17]。根據保留值進行定性分析，利用外標法（標準曲線法）進行定量計算。

1.3.3 統計方法

所有數據均為3次平行實驗結果的平均值。相關性分析采用SAS9.0統計軟件。其中P＜0.01表示兩因素極顯著相關；P＜0.05表示兩因素顯著相關[18]。

2 結果與分析

2.1 CO2背壓與常壓啤酒發酵中乙酰輔酶A、酵母細胞數量及總酯含量及減少率的變化

研究常壓和CO2背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A、酵母細胞數量及總酯含量變化，結果見圖1。

圖1 常壓與CO2背壓啤酒發酵中乙酰輔酶A、酵母細胞數量及總酯含量變化Fig.1 Changes of acetylcoenzyme A,yeast cellnumber and total ester content in beer fermentation under atmospheric pressure and CO2 top pressure conditions

由圖1可知，乙酰輔酶A含量在發酵初期（0～20 h）急速增長，并在20 h時達到峰值（常壓和CO2背壓條件下分別為17 nmol/mg和12 nmol/mg），乙酰輔酶A含量受壓力影響明顯；發酵時間為20～60 h時乙酰輔酶A含量急劇減少，常壓和CO2背壓分別減少至8.6 nmol/mg和7.7 nmol/mg；發酵時間為60～100 h，乙酰輔酶A含量緩慢降低，常壓和CO2背壓分別降低至7.8 nmol/mg和7.5 nmol/mg；發酵時間＞100 h之后，常壓和CO2背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量均趨于穩定一致。

由圖1可知，在常壓發酵條件下，酵母細胞數量在0～100 h逐漸增加，并在100 h時達到峰值，為3×107個/m L，發酵時間＞100 h之后，酵母細胞數量逐漸下降；在CO2背壓發酵條件下，酵母細胞數量在0～140 h逐漸增加，并在140 h時達到峰值，為3.5×107個/m L，發酵時間＞140 h之后，酵母細胞數量逐漸下降。兩種發酵條件下酵母細胞數量在180 h之后趨于一致。

由圖1可知，在常壓發酵條件下，總酯的含量在0～100h逐漸增加，并在100 h時達到峰值，為35mg/L，發酵時間＞100 h之后，總酯的含量趨于穩定；在CO2背壓發酵條件下，總酯含量在0～180 h逐漸增加，并在180 h時達到峰值，為28mg/L，發酵時間＞180 h之后，總酯含量趨于穩定。常壓發酵條件下總酯含量始終高于CO2背壓發酵。

由圖1可得初步結論，CO2背壓令乙酰輔酶A減少，同時抑制酵母細胞生長及總酯的生成，使酵母細胞生長及總酯含量生成峰值滯后。CO2背壓啤酒發酵中乙酰輔酶A、酵母細胞數量及總酯含量減少率結果見圖2。

圖2 CO2背壓引起啤酒發酵中乙酰輔酶A、酵母細胞數量及總酯含量減少率Fig.2 Reduction rate of acetyl coenzyme A,cellnum ber and totalester content in beer fermentation under CO2 top pressure conditions

由圖2可知，乙酰輔酶A主要活躍在啤酒發酵0～120h，其中在0～20 h乙酰輔酶減少率上升，并在20 h時乙酰輔酶減少率達到最大，在20～120 h減少率下降，120 h之后減少率穩定。120 h之后對乙酰輔酶A含量影響不大；酵母酵母細胞減少率在0～60 h范圍逐漸增大，并在60 h時達到最大，酵母酵母細胞減少率在60～180 h范圍急劇減少，酵母酵母細胞減少率在發酵時間＞180h之后變化不大；總酯含量減少率在0～20 h范圍逐漸增大，并在20 h時達到最大，總酯含量減少率在20～180 h范圍逐漸減少，在發酵時間＞180 h之后變化不大。CO2背壓對酯生成的影響從其他研究中可以得到相似的結果，10 d的啤酒壓力發酵抑制了酵母的繁殖和一些風味物質的生成。CO2背壓對乙酰輔酶A的主要影響時段為0～120h，120h后未見影響；對酵母數量和總酯含量影響的主要時段為0～180 h，180 h后未見影響。

2.2 常壓與CO2背壓啤酒發酵乙酰輔酶A與酵母數量的相關性

常壓與CO2背壓啤酒發酵乙酰輔酶A與酵母數量的相關性見圖3。

圖3 常壓（A）和CO2背壓（B）啤酒發酵乙酰輔酶A與酵母數量的相關性Fig.3 Correlation between acetyl coenzyme A and yeast cellnumber in beer ferm entation under atm ospheric pressure(A)and CO2 top pressure(B)conditions

由圖3A可知，常壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與酵母數量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數R=0.93717。由圖3B可知，背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與酵母數量同樣呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數R=0.905 66。

在酵母生長過程中，有很大一部分的碳代謝流通過乙酰輔酶A合成酶途徑形成乙酰輔酶A，并參與到其他的細胞器的重要化合物的合成反應中去。因此，乙酰輔酶A的減少將直接影響到酵母數量的減少[5]。

施加CO2背壓啤酒發酵后，乙酰輔酶A減少率與酵母數量減少率的相關性見圖4。由圖4可知，乙酰輔酶A減少率與酵母數量減少率呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數R=0.803 48。說明在CO2背壓影響下，酵母數量減少極有可能是乙酰輔酶A減少引起的。釀酒酵母中最豐富的酰基輔酶A是乙酰輔酶A，它可以通過丙酮酸的氧化脫羧或用三磷酸腺苷直接激活乙酸而形成[4]。這是發生在酵母細胞內的反應，在壓力的作用下，丙酮酸的氧化脫羧作用受阻[9]，減少乙酰輔酶A的生成，同時乙酸受壓力影響滲出胞外增加，使得可用于激活的乙酸隨之減少[19-20]。酵母生長可利用的乙酰輔酶A減少，細胞數量相應減少。

圖4 乙酰輔酶A減少率與酵母數量減少率的相關性Fig.4 Correlation between acetyl coenzyme A reduction rate and yeast cellnumber reduction rate

2.3 常壓與CO2背壓啤酒發酵乙酰輔酶A與總酯含量的相關性

常壓與CO2背壓啤酒發酵乙酰輔酶A與總酯含量的相關性見圖5。由圖5可知，常壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與總酯含量呈顯著負相關（P＜0.01），相關系數r=-0.83396。CO2背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與總酯含量呈負相關，相關系數r=-0.750 42。乙酰輔酶A是生物合成脂肪酸的基礎，也是生物合成酯類的構成物，酯的合成與脂肪酸的合成存在著對酰基CoA的競爭機制，因此，有利于脂肪酸的合成，會影響酯的合成[3]。換言之，乙酰輔酶A含量的增加有利于酵母生長，會影響酯的合成。

圖5 常壓（A）和CO2背壓（B）啤酒發酵乙酰輔酶A與總酯含量的相關性Fig.5 Correlation between acetyl coenzyme A and totalester content in beer fermentation under atmospheric pressure(A)and CO2 top pressure(B)conditions

乙酰輔酶A的量的分配決定了生化途徑的走向和強度，乙酰輔酶A也因此成為一個衡量碳流向的蓄水池，其“水位”的高位決定了酯合成的強度、脂質和氨基酸合成量的大小[4]。結合圖1，乙酰輔酶A是酵母細胞生長的先決條件，不管施壓與否，乙酰輔酶A的生成總是先于酯的合成。乙酰輔酶A的消耗用于酯的合成，因此兩者呈負相關的關系。

施加CO2背壓后，乙酰輔酶A減少率與總酯含量減少率的相關性見圖6。由圖6可知，在CO2背壓影響下，乙酰輔酶A減少率與總酯含量減少率呈顯著正相關（P＜0.01），相關系數r=0.800 29。乙酰輔酶A除了參與細胞內的許多其他反應，包括脂質和氨基酸的生物合成，以及三羧酸循環以外，還參與酯的合成[4]。在乙酰輔酶A的總量控制方面，如果在發酵系統中添加脂質（如長鏈飽和脂肪酸）就可以減少酵母細胞合成對乙酰輔酶A的需求，增加酯的合成，然而施加CO2背壓結果完全相反，乙酰輔酶A的總量因此減少，不單細胞合成受到抑制，酯的合成也受到影響。乙酰輔酶A減少率與總酯含量減少率遵循的這種相關關系，反映了在CO2背壓下，乙酰輔酶A對總酯生成的重要性。

圖6 乙酰輔酶A減少率與總酯含量減少率的相關性Fig.6 Correlation between acetyl coenzyme A reduction rate and totalester content reduction rate

在正常情況下，酵母需要合成較多的脂肪酸來合成細胞膜進行繁殖時，酯的合成就會減少。任何影響乙酰輔酶A的生物合成或消耗乙酰輔酶A的反應都會影響酯的生物合成。環境條件不利于酵母的生長繁殖時，如在CO2背壓的情況下，乙酰輔酶A生成受阻，優先供酵母生長所需，并不會合成大量酯。

3 結論

乙酰輔酶A主要活躍在啤酒發酵0～120 h，乙酰輔酶A含量在發酵初期（0～20h）急速增長，并在20h時達到峰值，常壓和CO2背壓條件下分別為17 nmol/mg和12 nmol/mg，發酵時間＞100 h之后，常壓和CO2背壓發酵條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量均趨于穩定一致。常壓和CO2背壓條件下酵母細胞數量分別在100 h、140 h時達到峰值，兩種發酵條件下酵母細胞數量在180 h之后趨于一致。在常壓和CO2背壓發酵條件下，總酯的含量分別在100 h、180 h時達到峰值，發酵時間＞180 h之后，總酯含量趨于穩定。常壓發酵條件下總酯含量始終高于CO2背壓發酵。常壓與CO2背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與酵母數量均呈極顯著正相關（P＜0.01）。常壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與總酯含量呈顯著負相關（P＜0.01），CO2背壓條件下啤酒發酵中乙酰輔酶A含量與總酯含量呈負相關。