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·570·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                  第 36 卷

                                                               在会造成细胞膜脂质氧化、核酸损伤以及蛋白质氧
                                                               化毒性，而酒精发酵过程中发酵温度的升高、高渗
                                                               的底物浓度及产物积累等胁迫都会加速酵母体内活
                                                               性氧自由基的大量积累，从而导致氧化胁迫，进而
                                                               引起细胞结构和功能损伤，细胞活力及发酵性能显
                                                               著下降。

                                                               2    酿酒酵母耐受性的分子机制


                     图 2    酿酒酵母抑制因子“警戒水平”                         不论是传统的普通发酵，还是未来从工艺角度
            Fig. 2    The "alert levels" of inhibiting factors on Saccharomyces   提高资源利用率和节省成本的“浓醪发酵（提高发
                  cerevisiae
                                                               酵浓度和发酵温度）”或“生料发酵（直接将生淀粉
            遭受到的环境胁迫如下：（1）野生酵母菌的最适生                            进行糖化和发酵）”，酿酒酵母都是淀粉质燃料乙醇
            长和发酵温度通常在 30  ℃左右，而一般燃料乙醇                          发酵的“核心”，针对发酵微环境的多种胁迫，提高
            生产过程中因受到外部环境温度、换热设备和酵母                             酿酒酵母的耐受能力是保证高效发酵生产性能的先
            细胞自身代谢反应热量堆积的影响，发酵罐内温度                             决条件，而近年来由于发酵工业对工业微生物耐受
            的变化情况为 32  ℃→37  ℃→35  ℃→32  ℃（不加                  性的实际需求，国内外有不少研究者针对微生物在
            冷冻水控温条件下工厂实测温度），由于地域及季节                            不同胁迫下的耐受性从多角度进行了探索和研究。
            的影响，有时温度会高达 40  ℃，出现生长的最适                              微生物细胞在胁迫环境下，其基因、蛋白质和
            宜温度和真实发酵温度不相吻合，温度的变化会影                             代谢物等水平会发生一系列的动态变化。如 HOG-
            响酵母生长，改变生物酶活，进而影响乙醇产量，                             MAPK（High  osmolarity  glycerol  mitogen-activated
            夏季尤为严重，国内淀粉质燃料乙醇厂夏季均会因                             protein  kinase）途径促进甘油积累及其他相关的生
                                                                                              [6]
            高温而停产 5~30 d；（2）用于酒精发酵的酵母细胞                        理调节，暂停细胞生长以抵抗胁迫 。而细胞内针
            必须在其适宜的渗透压环境下生长，然而目前的发                             对胁迫环境主要存在以下 3 种防御系统：首先是以
            酵工艺前期高浓度糖液（表 1）造成发酵环境渗透                            热激转录因子 HSF 调控的热休克应答系统，可调控
            压升高，一定条件下致使细胞脱水，细胞结构变形；                            几百个靶标基因，涉及蛋白质折叠、抗氧化、能量
            （3）除了高渗透压对酵母生长与生产的影响，当底                            生成、糖类代谢、细胞壁构成等，其最主要的一类
            物浓度（糖浓度）达一定值时，酵母细胞的生长和                             是具有分子伴侣功能的热激蛋白，维持蛋白质天然
                                                                                                         [7]
            代谢受到明显抑制，致使发酵速度下降，当葡萄糖                             构象，同时参与多种生理过程促进细胞抗损伤 ；
            质量分数>5%时，即使有足够的氧存在，也会使酵                            其次是抗氧化防御系统，针对胁迫环境下的大量活
            母细胞的生长速率明显下降（Crabtree 效应）；（4）                      性氧自由基积累，启动酶促防御体系，如过氧化氢
            发酵后期高浓度乙醇对酵母可能造成有机溶剂胁                              酶、超氧化物歧化酶等，通过清除机体内活性氧自
                                                                                          [8]
            迫，随着发酵过程的推进，乙醇浓度不断提高，当                             由基和过氧化氢从而保护细胞 ，以及非酶防御体
            乙醇体积分数超过 10.0%~12.0%后，酵母生长和发                       系，如谷胱甘肽、硫氧还蛋白、维生素 C 等还原剂
            酵停止甚至迅速死亡；（5）目前乙醇发酵生产过程，                           清除自由基的小分子；最后是蛋白质质量控制系统，
            为了避免染菌，发酵初始 pH 即糖化酶作用最佳酶                           对变性蛋白及新合成蛋白的正确折叠及组装，并对
            活条件下 pH≈4.3，发酵过程中 pH 会更低，清液中                       错误折叠或聚集蛋白的降解，该系统主要包括 26S
            的不挥发酸，物料和管路中的乳酸菌和醋酸菌产生                             泛素蛋白酶体与细胞自噬系统清除变性蛋白质，为
                                                                                                          [9]
            的杂酸处于 pK a 以下，会直接对酵母产生胁迫，促                         新合成蛋白提供原料，帮助细胞维持蛋白质平衡 。
            使酵母过早死亡，导致生产指标不达标，残糖过高；                            除以上主要的耐受分子机制外，还发现细胞内糖蛋
            （6）高浓度的底物及产物使得合成乙醇的关键酶的                            白的表达、海藻糖、6-磷酸海藻糖合成酶与细胞的
            酶活受到影响，同时催化合成副产物的酶系被诱导，                            耐受性密切相关       [10] ，也有研究者认为钙稳态是环境胁
            加速了副产物的生成，严重影响了乙醇的合成速率，                            迫下真核细胞存活的关键            [11] 。然而，体内的防御系
            最终导致糖醇转化率过低，乙醇生产效率低下；（7）                           统大多是胁迫环境下的应答系统，无法使微生物获
            酵母发酵过程在进行有氧代谢时会不断产生活性氧                             得相应稳定的耐受性，并且大部分防御系统都是在
            自由基 ROS（Reactive oxygen species），如过氧化氢             牺牲微生物作为细胞工厂的生产性能求生存，这也
            （H 2 O 2 ）、羟自由基（•OH）等，活性氧自由基的存                     是微生物在发酵微环境多重胁迫下和提高微生物单
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