科学家开发更好酵母酿造更美味啤酒
时间:2017-12-07

  科学家开发更好的酵母来制造美味的啤酒 - 新闻 - 科学网

  我们可以用传统的育种方法将风味提高10倍,但是用转基因方法可以提高100倍或1000倍。

  Kevin Verstrepen的实验室课程有时候会喝醉,每周两次,他们在比利时鲁汶大学和法兰德斯生物技术研究所的几个成员坐在桌子周围,桌子上摆满了郁金香形的黑色啤酒杯和痰盂和饼干。

  Verstrepen举起一杯,嗅它。我认为它就像一个乙酸乙酯炸弹,这种化学物经常用在梨形糖果中,高浓度时会散发指甲油的气味。

  实验室研究生Brigida Gallone也获得了另一个口味。乙酸乙酯和4-乙烯基愈创木酚。她说。后者闻起来像烟,丁香和牙医的办公室,我喜欢4-乙烯基愈创木,但这太强了。

  另一名学生Stijn Mertens闻到了陈酿啤酒中常见的湿硬纸的味道,闻到了trans-2-nonenal的味道。

  小组对啤酒进行了总结分析,并开始品尝第九和最后的啤酒。时间不到11点。

  分心之前,你只能做很多事情。博士后米格尔Roncoroni说。他一直主持这些品酒超过四个月。他们的项目旨在描绘市场上200多种比利时啤酒。他们的评估以及数十种能够产生口感和香气的化学物质的精确测量可以帮助消费者将他们最喜爱的啤酒与实验室演示进行比较,并挑选他们想尝试的新啤酒。

  但是Verstrepen的梦想超越了这个梦想,他希望开发一种完美的酵母,他的实验室正在将啤酒风味的化学和基因知识应用于培养的酵母菌株,以培育独特的风味和受欢迎的美味饮料。

  实验室的啤酒工人横跨两国边界,从事科学研究和工业酿造。他们通过酵母研究进化,生物化学,甚至神经科学,还与世界各地的酿酒商签订了合同。在Cell的一篇即将发表的论文中,实验室报道了用于酿造啤酒,清酒和其他发酵产品的150个酵母菌株的基因组。

  走出酿酒厂

  对于价值5000亿美元的啤酒来说,产品依赖于化学和微生物之间的复杂反应,需要先进的酵母菌株。你总是想知道凯文实验室里有什么新东西。美国新比利时酿酒厂的酿酒师Peter Bouckaert说,人们正在关注他的发展。

  啤酒的味道来自少数成分。谷物(主要是大麦麦芽)提供糖和酒,而且还有风味,如在粗壮中发现的巧克力风味。啤酒花带来一些手工啤酒的辛辣和热带水果的味道。可溶性矿物质影响谷物和啤酒花的风味。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)提供酒精,气泡和数百种风味化合物。发酵过程产生了一切,从乙酸异戊酯(来自德国的Wiesen麦白啤酒的香蕉源)到4-乙烯基愈创木酚,从而产生丁香香味。

  啤酒制造商曾经是酵母科学的领导者。 1875年丹麦的嘉士伯啤酒厂建立了世界上第一个酵母生物实验室。在那里,酿酒酵母的纯菌株首先由Emil Christian Hansen于1883年分离出来。20世纪30年代和40年代,Carlsberg的另一位科学家Jvind Winge发现酵母可以通过性和生殖方式融合并用于开发新的实际菌株酿造特质。

  威廉的工作把酵母从啤酒厂带到了生物实验室,现在许多科学家用酿酒酵母作为探索复杂细胞内部工作的模型,尽管酵母和生命科学的长期而成功的结合,但Verstrepen认为很多酿酒商在19世纪还在使用酵母,啤酒生产者,特别是传统的酿酒商,通常不使用最理想的酵母。

  Verstrepen想改变这一点。最初,他在南非的一个葡萄酒酵母实验室工作,然后在1999年在鲁汶酿酒厂实验室进入博士学位。但他很失望地发现,大部分的研究都是为了解决酿酒师的问题。没有人真的在做生物学研究。他说。梦想破灭之后,他来到马萨诸塞州怀特黑德生物医学研究所,在那里与杰拉尔德·芬克一起从事博士后研究。 Gerald Fink在20世纪70年代开创了酵母基因工程。

  然而,没有人对啤酒感兴趣,尽管科学家们喜欢酵母。他的研究集中于病原性酵母粘附于人体组织的蛋白质。他发现酵母的粘度取决于特定基因上DNA序列重复的数量。这就像魔术贴越长,粘的东西越容易。他解释说。这种蛋白质也与酵母的絮凝有关,也就是啤酒中的酵母细胞从溶液沉淀过程聚集成团簇。不同菌株的不同絮凝特性,会影响啤酒的风味,澄清度和酒精度。

  啤酒实验室

  2005年,Verstrepen在哈佛大学设立了自己的实验室,专注于不同DNA序列重复在创造多样性中的作用。他还在哈佛大学为本科生教授生物学,并参与了这门课的神学。那个班很难。他说。但在2009年回到鲁汶大学之前,啤酒从未成为他的研究课题。

  Verstrepen一直希望将研究与对啤酒和葡萄酒的兴趣相结合。他与业界的合作始于一家瑞士巧克力公司的电话。巴雷特·加利波斯(Barrett Galibos)是世界上最大的可可豆生产商之一,他们需要将苦涩的可可豆转化为可可粉(传统上由环境中的酵母来完成)。我回答他们,巧克力也发酵了吗? Verstrepen说。

  尽管如此,该公司成为Verstrepen实验室的第一个顾问。今天,在其实验室中的25位科学家中,有一半是从事啤酒,生物燃料和其他发酵产品的应用研究工作,而另一些则从事表观遗传学,分子进化和其他基础研究。

  乍看之下,Verstrepen的实验室与放置离心机,培养皿和移液管的其他实验室以及充满小玻璃瓶的培养箱没有什么不同,如果培养皿不是微生物实验室充满浓厚的大麦麦芽,糖和啤酒花。

  然而,在实验室的冷藏室中储存了大约3万个酵母菌,其中包括全世界用于酿造,烘焙和其他目的的1000个菌株,以及从水果,花卉,昆虫甚至人类中分离出来的1000种野生菌株,其中许多根据影响啤酒酿造者的口味和其他特征的基因进行分组,实验室正在与加利福尼亚的白色纯酵母发酵实验室和合成的基因组公司合作建立工业酵母的谱系。

  冰箱中的其他菌株是实验室的发明:具有独特性状的新菌株,通过播种不同的菌株和筛选后代的香味,创造了新的菌株。最近,实验室也开始筛选这些特征背后的基因。 Verstrepen认为这将改变酿造行业。

  实验室还使用一台机器人,每天可以处理数百个酵母型育种者,产生分析时间太晚的菌株。为了解决生产过剩的问题,研究人员正在开发一种微流控芯片,可以同时生产超过2000种不同的酵母,每种酵母都有20微微升。每个酵母只含有一个酵母细胞。他们可以自动测试这些微生物的酒精含量,并希望最终测量产生的风味化合物。

  寻找新的味道

  Verstrepen的酵母档案使他的实验室成为寻找特定味道的酿酒商的一站式商店,凯文的研究比啤酒制造商的应用程序要多一点,Bouckaert说,但这并不意味着他们不能转化为巨大的商机。

  Verstrepen说,酿酒酵母的自然变异为风味和其他性状提供了调整的空间,但这种方法存在局限性。基因改造工具可以在此基础上进行改进。我们可以用传统的育种方法将风味提高10倍,但是用转基因方法可以提高100倍或1000倍。 Verstrepen说。酿酒商对他们的结果感到兴奋,但转基因食品的污名意味着实验室一直在使用更传统的技术来生产传统的育种和定向进化等产业品种。

  像CRISPR这样的基因编辑技术也可以将天然产生的诱导风味的变体引入生长良好但无味的酵母菌株中,以更快地实现与传统育种方法相同的目标。

  尽管一些手工啤酒厂已经向实验室要求转基因酵母,Bouckaert说大多数酿酒商对此并不感兴趣。美国手工啤酒厂正在挑战极限,但基因改造是一个禁区。他说。

  然而,Mertens很高兴看到他的发明成为商业啤酒,但也希望通过基因组测序来发现他发明的其他菌株,以了解不同物种如何杂交,甚至可能发现最初啤酒酵母产生的条件。已经开发出一种新的酵母,啤酒制造商喜欢它,但他说,但是我们研究了杂交的基础知识,比啤酒科学更进一步。

  早上喝完啤酒,桌子上的痰盂已满。 Verstrepen与DNA测序公司会面,Mertens和其他学生正在进行研究工作。这个实验室可能会吸引很多啤酒爱好者,但不是一个饮酒派对。

  那是对的,你研究的产品是有趣的,但它最终是遗传学的,而Mertens说我们不是为了娱乐而喝酒,至少在下班之前不要这样做(Zhang Zhang)

  “中国科学”(2016-08-10第3版国际)