作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/10 9:10:53
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科学家开发更好酵母酿造更美味啤酒

 

Kevin Verstrepen(中)和同事们在实验室品尝啤酒。图片来源:Justin Jin

使用传统育种方法,我们能把风味加强10倍,但使用基因改造方法,我们能加强100倍或1000倍。

Kevin Verstrepen 的实验室会议有时会让人变得醉醺醺。每周两次,他在比利时鲁汶大学和佛兰德斯生物技术研究所的几个组员都会围坐在桌边,桌上则放满了郁金香形的黑色啤酒杯以及痰盂和饼干。

Verstrepen举起一只酒杯,然后闻了闻。“我觉得这就像个乙酸乙酯炸弹。”这种化学品经常用在梨子味的甜食中,在高浓度下散发出一股指甲油味儿。

实验室里的一位研究生Brigida Gallone还闻到了另一种味道。“乙酸乙酯和4-乙烯基愈创木酚。”她说。后者闻起来像烟雾、丁香和牙医办公室的味道。“我喜欢4-乙烯基愈创木酚,但这个太浓了。”

另一位学生Stijn Mertens 闻到了湿硬板纸的味道,这种味道在陈啤酒中很常见。“我闻到了反-2-壬烯醛。”他说。

该小组结束了对这种啤酒的分析,开始品尝第九杯,也是最后一杯啤酒。时间还没到上午11点。

“在注意力涣散之前,你只能做那么多。”博士后Miguel Roncoroni 说。他主持这些品酒会已经4个多月了。他们所属的项目旨在描述市场上200多种比利时啤酒的特点。他们的评价以及对产生口味和香气的几十种化学物质的精确测量,能帮助消费者将自己喜爱的啤酒与实验室介绍进行对比,挑选出想尝试的新啤酒。

但Verstrepen的梦想不止于此。他想培养出完美的酵母。他的实验室正在把有关啤酒风味的化学和遗传知识运用到培育酵母菌株上,以培育出独特风味和受追捧的可口饮品。

该实验室里的“啤酒极客”横跨两界,既从事科学研究,也参与工业酿造。他们通过酵母研究演化、生物化学,甚至神经科学,但也与来自全世界的啤酒制造商签订合同。在一篇即将发表于《细胞》期刊的论文中,该实验室报告了150个用于酿造啤酒、清酒以及其他发酵制品的酵母菌株的基因组。

走出酿造厂

对啤酒这个价值5000亿美元且产品依赖化学与微生物学间复杂反应的行业而言,高级酵母菌株可是抢手货。“你总想知道Kevin的实验室有什么新东西。”美国New Belgium 啤酒厂的酿酒师Peter Bouckaert 说,“人们都关注他的动态。”

啤酒的味道来自寥寥几种原料。谷物(主要是大麦麦芽)提供了糖和酒体,也能影响风味,比如常见于黑啤的巧克力味。而啤酒花带来了苦味和一些手工啤酒中的热带水果调。可溶矿物质会影响来自谷物和啤酒花的风味。酿酒酵母提供了酒精、气泡和上百种香味化合物。发酵过程生成了其他一切,从乙酸异戊酯(德国维森小麦白啤香蕉味的来源)到带来丁香味的4-乙烯基愈创木酚。

啤酒制造商曾经是酵母科学的领军者。丹麦的嘉士伯酒厂在1875年建立了全世界最早的酵母生物学实验室。在那里,Emil Christian Hansen 于1883年首次分离出了酿酒酵母的纯菌株。在20世纪30~40年代,另一位就职于嘉士伯的科学家Jvind Winge 发现酵母既能有性生殖,也能无性生殖,并利用这一特点来培育具有实用酿造性状的新菌株。

Winge 的工作让酵母从酿酒厂走进了生物学实验室。现在,许多科学家使用酿酒酵母作为探索复杂细胞内部运作机制的模型。尽管酵母与生命科学的结合由来已久且成果卓著,Verstrepen 仍然认为,许多啤酒制造商在酵母使用上还停留在19世纪。“啤酒制造商,尤其是传统的啤酒制造商,使用的往往不是最理想的酵母。”

Verstrepen 想要改变这点。起初,他在南非的一家葡萄酒酵母菌实验室工作,然后于1999年进入鲁汶大学啤酒实验室攻读博士学位。但他失望地发现,研究的大部分内容都是在为酿酒商解决问题。“没人真的在做生物学研究。”他说。梦想破灭后,他来到马萨诸塞州怀特黑德生物医学研究所,跟随Gerald Fink 从事博士后研究。Gerald Fink 在上世纪70年代开创了酵母菌基因工程研究。

然而,尽管那里的科学家喜欢酵母,但没人对啤酒有兴趣。他的研究重点是致病性酵母菌黏连在人体组织上所使用的蛋白质。他发现,酵母菌的“黏性”取决于某个特定基因上的DNA序列重复次数。“这就好比尼龙搭扣越长,就越容易黏住东西。”他解释道。这种蛋白质还与酵母菌的絮凝有关,即酵母菌细胞在啤酒中凝聚成团、从溶液中析出的过程。不同菌株的絮凝特性不同,会影响啤酒的风味、澄清度和酒精含量。

啤酒实验室

2005年,Verstrepen在哈佛大学设立了自己的实验室,着重研究不同DNA序列重复在产生多样性方面的作用。他也在哈佛大学给本科生教授生物学,并在这门课程中融入了酿酒学。“那门课挺难的。”他说。但在2009年回到鲁汶大学前,啤酒一直没有成为他的研究课题。

Verstrepen一直希望能将研究与对啤酒和葡萄酒的兴趣结合起来。他与业界的合作始于一家瑞士巧克力公司打来的电话。百乐嘉利宝公司是全世界最大的可可生产商之一,其需要把苦味的可可豆转化成可可粉(这在传统上是由环境中的酵母菌完成的)。“而我回答他们,巧克力也是发酵的吗?”Verstrepen 说。

尽管如此,该公司还是成为了Verstrepen 实验室的第一位咨询客户。现在,其实验室的25位科学家中,有一半人从事有关啤酒、生物燃料和其他发酵产品的应用研究,其他人则从事表观遗传学、分子演化和其他基础研究。

乍一看,Verstrepen 的实验室和其他实验室没什么两样,实验桌上摆放着离心机、培养皿和移液器,还有一个装满了小玻璃瓶的培养箱。如果瓶子里装着的不是浓浓的大麦麦芽、糖和啤酒花的话,这个孵化器在任何微生物学实验室都不会显得突兀。

但该实验室的冰箱里存放了约3万种酵母菌,包括在全世界范围内用于酿酒、烘培和其他用途的1000种菌株,以及从水果、花卉、昆虫,甚至人类身上分离出来的1000种野生菌株。其中许多品种都已经根据影响口味以及啤酒制造商关注的其他性状的基因进行了归类。实验室正与加州怀特纯酵母发酵实验室和合成基因组公司合作,构建工业用酵母菌的系谱。

冰箱里的其他菌种则是实验室的发明创造:拥有独特性状组合的全新菌株。团队通过让不同的菌株配种并筛选后代的香气制造新菌种。最近,实验室也开始筛选这些性状背后的基因。Verstrepen 认为,它将改变酿造业。

该实验室还使用了一种一天能完成上百次酵母配种的机器人,生产出的菌株根本来不及分析品尝。为了解决生产过剩问题,研究者正在研发一种同时能产生2000多种不同酵母菌、每种20皮升的微流控芯片,每种酵母都只含有一个酵母单细胞。它们可以自动检验这些微量酿造产物的酒精含量,并希望最终能测量产生的香味化合物。

寻找新味道

Verstrepen 的酵母存档让他的实验室成为了啤酒制造商寻找特定风味的一站式商店。 “Kevin 的研究有点超过啤酒制造商的应用范畴。”Bouckaert 说,“但这并不意味着它们不能在未来转化为巨大的商机。”

Verstrepen 表示,酿酒酵母的自然变异为风味和其他性状的调整提供了空间,但这种方法也有局限。基因改造工具可以在此基础上改进。“使用传统育种方法,我们能把风味加强10倍,但使用基因改造方法,我们能加强100倍或1000倍。”Verstrepen 说。啤酒制造商对他们的成果很激动,但转基因食品的“污名”意味着实验室在生产供给业界的菌株时使用的一直都是更为传统的技术,比如传统育种和定向演化。

诸如CRISPR之类的基因编辑技术也能将自然发生、会带来风味的变异型引入生长良好、但没有什么味的酵母菌株,更快完成与传统育种方法相同的目标。

虽然一些手工啤酒厂曾向实验室索要过转基因酵母,但Bouckaert 表示酿造业中的大多数企业对此并无兴趣。“美国的手工啤酒厂正在挑战极限,但基因改造是个禁区。”他说。

不过,Mertens 很乐意看到自己的发明被制成商业啤酒,但也希望能为他发明的其他菌株的基因组测序,以理解不同物种如何杂交——或许甚至能找出最初的拉格啤酒酵母产生的条件。“我们研制出了新的酵母,啤酒制造商很喜欢它。”他说,“但我们研究的是杂交的运作基础,比啤酒科学更进一步。”

在上午的啤酒品尝结束之际,桌上的痰盂已经吐满了。Verstrepen 与一家DNA测序公司有个会议,Mertens 和其他学生都有研究工作要做。实验室或许吸引了许多啤酒极客,但并不是狂饮派对。

“没错,你研究的产品很有趣,但这归根结底还是遗传学工作,”Mertens 说,“我们喝酒不是为了取乐。”至少下班前不是。(张章)

《中国科学报》 (2016-08-10 第3版 国际)
 
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