酵母目(Saccharomycetales? Kudrjanzev, 1960),隸屬于子囊菌門,酵母綱。截至2023年,國際綜合分類信息系統(Integrated Taxonomic Information System)收錄的酵母目共分14科,已經發現的酵母菌(本詞條以易于理解的表述“酵母菌”指代“酵母目”)有1000多種,其中大部分為有益菌,廣泛用于多種工業產物的發酵、食品、禽畜飼料、、釀酒、制作面包和基因工程中。酵母菌具有典型的真核生物結構,有細胞壁、細胞膜、細胞核、液泡、線粒體、微粒體和細胞質等。酵母菌大小一般為1-5μm×5-30μm。
酵母菌主要分布在含糖量較多和偏酸性的環境中。酵母菌的生殖方式包括有性生殖和無性生殖(出芽生殖、分裂生殖、無性孢子),根據物種的不同存在三種不同的生活史類型。
雖然大部分酵母菌是有益菌,但是也有部分酵母菌會對人體或者是水產動物產生危害。念珠菌病(假絲酵母屬)感染會引起外陰陰道假絲酵母菌病(vulvovagina candidiasis,VVC);水產動物致病酵母菌會在患病動物各組織中大量增殖,并引起組織發生以壞死為主的變質性病變。
歷史
人類利用酵母菌的首次記載被認為是古代啤酒的釀造??脊艑W家推測,早在公元前6000年后不久,蘇美爾人和巴比倫人已經掌握了釀酒技術。在公元前3000年左右,釀酒技術逐步傳播擴展到古波斯、古巴比倫和古埃及等地。
在公元前1200左右,埃及人已經證實了發酵和不發酵面包之間存在差別,使用發酵過的面團/葡萄酒接種后次的面包材料/葡萄汁可以以生產面包/發酵葡萄酒。該技術后續先從埃及傳到希臘,然后又傳播到羅馬和羅馬帝國。
在公元前1000年左右,中國也出現了蒸餾酒。2016年,斯坦福大學的研究人員在《美國國家科學院院刊》上發文,報道了在中國米家崖遺址遺址的考古發現,該遺址距今約5000年,在出土的陶器中發現了大麥、黎米等用于釀造啤酒的作物的殘留物。
雖然古人掌握了釀酒/發酵技術,但是具體是什么物質在釀酒/發酵中發揮作用在19世紀才被肯定。1680年,安東尼·列文虎克(Leeuwenhoek)使用顯微鏡觀察酵母菌的形態,將其描述為呈淀粉粒樣的圓形小顆粒。1938年,拉脫(Latour)證明酵母菌是具有繁殖能力的圓形物體,指出葡萄酒酵母是有生命的。同年,施旺(Schwann)發表了類似觀點,并且進一步指出在任何酒精發酵中均有酵母菌存在。
分類
1952年,婁德(Lodder)將酵母菌分為3科,包括內孢霉科(Endomycetaceae)、隱球擬酵母科(Cryptococcaceae)、擲孢酵母科(Sporobolomycetaceae),分類依據主要是根據其繁殖方式。能形成子囊孢子的種被歸屬于內孢霉科,產生擲孢子的種被歸屬于擲孢酵母科,其他既不形成子囊孢子又不形成擲孢子的種被歸屬于隱球擬酵母科。
1970年,婁德重新修訂了酵母菌的分類系統,新增了許多新的酵母菌屬種,共劃分為39屬372種。
1974年,巴恩特(Barneet)和班赫斯特(Pankhurst)根據酵母菌的生物化學特性,連同1970-1973年之間新增的物種,一起歸納出434種,分屬于41屬。
截至2023年,國際綜合分類信息系統(Integrated Taxonomic Information System)收錄的酵母目共分14科,分別為:漿霉科(Ascoideaceae)、頭囊菌科(Cephaloascaceae)、德巴利酵母菌科(Debaryomycetaceae)、雙足囊菌科(Dipodascaceae)、內孢霉科(Endomycetaceae)、假囊酵母菌科(Eremotheciaceae)、油脂酵母菌科(Lipomycetaceae)、梅奇酵母科(Metschnikowiaceae)、發夫酵母菌科(Phaffomycetaceae)、畢赤酵母菌科(Pichiaceae)、酵母科(Saccharomycetaceae)、類酵母菌科(Saccharomycodaceae)、復膜孢酵母科(Saccharomycopsidaceae)、毛紅曲霉科(Trichomonascaceae);已經發現的酵母菌有1000多種。
此外,隨著脫氧核糖核酸測序技術的發展,酵母菌的分類除了形態學以及生長反應外又增加了一種可靠的依據。
形態結構
大多數酵母菌為單細胞,一般呈球形、橢圓形和圓柱形,有的形狀特殊可呈瓶形、三角形和彎曲形等。酵母菌細胞大小不同種類差別很大,一般寬約1-5微米,長約5-30微米。
酵母菌具有典型的真核生物結構,有細胞壁、細胞膜、細胞核、液泡、線粒體、微粒體和細胞質等。
細胞壁:細胞壁結構堅韌,重量約占細胞干重的30%左右,厚度約為0.1-0.4微米,細胞壁的厚度受菌種、營養、細胞老幼程度等因素影響。一般來說,幼細胞的細胞壁較薄,老細胞則較厚。細胞壁主要成分是葡聚糖和甘露聚糖,同時,還含有甲殼質和蛋白質。葡聚糖是細胞壁的主要結構成本,去除后細胞壁會完全解體;甘露聚糖主要分布在細胞壁的外層;幾丁質是N-乙酰葡萄胺多聚物,以環狀形式分布在芽痕周圍;蛋白質占細胞壁干重的10%左右,其中一部分是和細胞壁結合的酶,另外還有很多蛋白質是結構蛋白。
細胞膜:細胞膜與細胞壁的內層緊密相連,是細胞重要的保護屏障。具有半透性,是具有選擇透過性的通透屏障,控制著水和溶質的進出。細胞膜主要由大體相等的脂類和蛋白質以及少量糖類構成。
細胞核:酵母菌細胞核控制著遺傳特性。核中含有大量的脫氧核糖核酸和少量核糖核酸。細胞核被一層半透性的核膜包裹,核膜是雙層結構,膜上間隔分布有核孔。在酵母菌細胞核中,不存在高度濃縮的染色體;在細胞分裂時,核膜保持其完整性;出芽時,會有部分核進入子細胞中。在核質中含有多種酶,例如RNA合成酶和DNA合成酶。
液泡:酵母菌細胞中含有一個或多個大小不等的液泡,直徑約為0.3-3微米,在非繁殖期細胞中特別明顯。在出芽時,大的液泡會分成小液泡,隨著芽的形成分類到母細胞和子細胞中;出芽完畢后,小的液泡重新融合成大的液泡。液泡的作用:①調節滲透壓;②貯存某些化合物;③起分隔作用。
線粒體:酵母菌細胞質中含有線粒體,呈桿狀,通常分布在核膜周圍。線粒體具有雙層膜,內膜內陷折疊成嵴;內膜所包圍的空間內充滿著線粒體基質。
分布與菌落特征
分布
酵母菌主要分布在含糖量較多和偏酸性的環境中,例如漿果、蔬菜、花蜜和果園土壤中較多。在油田和煉油廠周圍的土壤中可以發現降解石油的酵母菌。在牛奶和動物排泄物中也可以發現酵母菌,空氣中也有少數存在。
菌落特征
大多數酵母菌在適宜培養基上形成的結構與細菌的相似,但是比細菌菌落更大且厚,菌落表面濕潤、粘稠、易被挑起。部分物種培養時間過長時,菌落表面會皺縮。菌落顏色大多為乳白色,少數物種呈紅色,如紅酵母(Rhodotorula)、擲孢酵母(Sporobolomyces)等。在液體培養基中,有的生長在培養基底部;有的均勻分布在培養基中;有的生長在培養基表面形成菌膜或菌,厚薄程度因種而異,有的甚至干且皺。酵母菌的菌落特征也受培養環境中氧氣含量有關。
生殖方式及生活史
生殖方式
有性生殖
酵母菌的有性生殖方式為子囊孢子。兩個性別不同的單倍體營養細胞接觸后發生質配、核配,形成一個雙倍體細胞。在一定條件下,雙倍體細胞進行減數分裂形成子核,子核與附近的原生質形成子囊孢子;原來的細胞成為子囊。子囊破裂將孢子釋放出去,在適宜的條件下,孢子可以萌發形成新的菌體。
無性生殖
出芽生殖
出芽生殖,是酵母菌最常見的一種無性生殖方式。當環境條件適宜時,酵母菌生長繁殖迅速,幾乎所有成熟的酵母菌細胞上都長有芽體。開始時,在細胞表面形成一個小的突出體;水解酶分解母細胞形成芽體部位的細胞壁多糖,使細胞壁變??;母細胞的細胞核分裂成兩個子核,一個隨母細胞的細胞質在芽體起始部位堆積,成熟后兩者分離,芽體自母細胞脫落成為新個體,如此繼續出芽。生長旺盛期的酵母菌,在老的芽體還沒有從母細胞上脫落之前,在芽體上又長出來了一個新的芽體,芽體和芽體連接成串,呈現假菌絲狀。
分裂生殖
少數酵母菌會進行和細菌的二分裂相類似的分裂生殖,分裂生殖是一種無性生殖。酵母菌的細胞先逐漸伸長,細胞核分裂成兩個,然后一個隔膜出現在細胞中央,將細胞分成兩個大小相等、各含有一個細胞核的子細胞。進行裂殖的酵母菌種類很少, 裂殖酵母屬的八孢裂殖酵母(Schizosaccharomyces octospora)就是其中一種。
少數酵母菌 (如擲孢酵母) 可以產生無性孢子。擲孢酵母可在卵圓形的營養細胞上長出一個小梗,擲孢子就形成在小梗上。這種酵母菌有一種特殊的噴射機制,會在孢子成熟后將孢子噴射而出。用倒置培養器培養擲孢酵母時, 器蓋上會出現擲孢子發射形成的酵母菌菌落的模糊鏡像。有的酵母菌如白假絲酵母屬(Canidia albicans)等還能在假菌絲的頂端產生具有厚壁的厚垣孢子。
生殖特征
酵母菌的生殖方式并不是一成不變的,而是根據環境不同做出的不同選擇。如果營養條件充足, 酵母菌進行無性生殖的方式;如果營養不足, 它則傾向于采取有性生殖的方式。例如釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)可以進行出芽生殖或者是接合生殖。單倍體營養細胞可分為α和a兩種接合型,這兩種細胞都可以獨自進行出芽生殖,產生與母細胞接合型一樣或者是相反的子細胞,也可以和接合型相反的營養細胞接合,產生α/a型的雙倍體細胞。這種雙倍體細胞可以出芽生殖產生α/a型的子細胞,在一定的外界條件下,還可以進行減數分裂,形成4個單倍體細胞,也就是配子;原來的母細胞被稱作為子囊,子囊中的配子被稱作為子囊孢子。子囊可裂解而釋放子囊孢子,后者萌芽后又可開始一個新的生活周期。
生活史
單倍體型
代表物種為八孢裂殖酵母;特點:營養細胞是單倍體;雙倍體階段短,一經生成立即減數分裂,雙倍體細胞不能獨立生活;無性繁殖以分裂生殖方式進行。
雙倍體型
代表物種為路德類酵母(Saccharomycodes ludwigii);特點:營養體為雙倍體,不斷進行出芽生殖,雙倍體營養階段長,單倍體的子囊孢子在子囊內發生接合。單倍體階段僅以子囊孢子形式存在,不能獨立生活。
單雙倍體型
代表物種為釀酒酵母;特點:營養體既可以單倍體形式也可以雙倍體形式存在;單倍體營養細胞和雙倍體營養細胞均可進行出芽生殖;在特定條件下進行有性生殖。 單倍體和雙倍體兩個階段同等重要,形成世代交替。
酵母菌用途
食用
在歐美等發達國家和地區,很多人會直接食用營養酵母,食用酵母中含有豐富且均衡的營養,食用酵母有一定的保健作用。中國居民營養知識越發普及、人們對酵母菌的認識越發加深,食用酵母的營養價值將會慢慢被大眾所接受。食用酵母的營養成分主要包括蛋白質、維生素B、多種礦物質、碳水化合物還有麥角固醇、谷胱甘肽等活性物質。食用酵母的蛋白質含量達到了40%-60%,比肉類、蛋、大豆等常見的補充蛋白質的食物中蛋白質的含量要高得多。此外,酵母菌的成分中幾乎不含有脂肪和淀粉,可以在滿足食欲的條件下合理補充營養。
部分食用酵母:①富集微量元素酵母,例如鋅酵母、鐵酵母、酵母、碘酵母等;②富含維生素酵母。
工業生產
釀酒酵母廣泛用于生物醫藥、食品、輕工業和生物能源等領域,生產重組蛋白、天然活性物質、有機酸和燃料乙醇等產品。
其他部分酵母菌具有良好的耐性(例如耐鹽耐熱耐高滲透壓等)或者特殊的生理特征,可以用于生產生物乙醇和多種化學品等,例如,馬克斯克魯維酵母(Kluyveromyces marxianus)是一種具有很好高溫耐性的酵母菌,可以在較高溫度下生長繁殖,作為宿主可以用于表達生產異源蛋白,也可以用于乙醇的發酵或者是生產酶和其他一些風味物質。
德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)是一種具有較好的高滲透壓耐受性的酵母菌,它們可以在高達4 mol/L的氯化鈉環境中生長存活,除了在食品工業中的大量使用,這種酵母菌也可用于油脂的生產,并且也可以生產諸如水解酶和糖醇等精細化學品;解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)是一種可以生產多種化學品的酵母菌,它的產物包括但不限于聚酮化合物、萜類化合物和類胡蘿卜素等,同時它也是一種良好的油脂生產酵母。
飼料用
在仔豬的生產中應用啤酒酵母,具有一定的保健作用,同時還可以提高豬的平均日采食量,提升生長性能;在日糧添加適量的啤酒酵母,可以提高肉雞的生產性能,同時肉雞對腸道病原體感染的抗性也有增加;在日糧中添加釀酒酵母可以提高兔子的平均體重以及日采食量。啤酒酵母具有較高的營養價值,在畜禽日糧中適當添加啤酒酵母可以提高畜禽的消化率,改善畜禽的腸道健康,進而提高生產性能,擴大經濟效益。
發酵功能
工業釀酒就是利用酵母菌的無氧呼吸原理,在無氧條件下通過酵母菌的無氧發酵過程,把果汁或麥芽汁發酵成為各種的酒類。另外, 酵母菌還能使面粉中游離的糖類發酵,進而產生二氧化碳氣體。在蒸煮的過程中,隨著溫度上升,二氧化碳受熱體積變大,在饅頭中撐開許多孔洞,使饅頭就變得松軟。
生態凈化
通過酵母菌降解廢水中的有機化合物,減少污染物的含量,例如使用發酵性絲孢酵母處理精煉大豆油廢水,可以大幅減少該廢水的化學需氧量和含油量;在水產養殖水體中使用酵母菌處理可以大幅去除水體中的COD、N、P等,使其達到可以排放的標準,例如利用酵母菌-微藻共培養系統處理水禽養殖廢水,使用諾卡氏菌與假絲酵母屬融合細胞處理養殖水體可以改善養殖生態環境 ,促進養殖生產。
相關研究
在基因工程中,可以將酵母菌的染色體改造后作為運載體,攜帶目的基因進入受體細胞。但是與其他環狀質粒載體不同的是,酵母人工染色體(Yeast Artificial Chromosomes,YAC)是一種線狀載體,可用于克隆大片段脫氧核糖核酸(>100kb),它高度穩定,已在制作生物體的基因組DNA的物理圖譜、大轉錄單位的分析、構建生物體的單個染色體的特殊文庫等方面普遍應用。
釀酒酵母可以通過農桿菌介導的DNA轉化,將目的基因通過同源重組或者是非同源末端連接整合到真核生物染色體中。
酵母雙雜交系統(yeast two hybrid system)是在酵母菌體內分析蛋白質-蛋白質相互作用的基因系統,是一個基于基因轉錄因子模塊結構的遺傳學方法。該系統是研究蛋白互作最常用、最有效的工具之一,不但可以檢測已知蛋白間的相互作用,還能結合cDNA文庫發現新的與已知蛋白有相互作用的未知蛋白。
四分體分析也是酵母菌研究中常用的科研手段,例如,西班牙科學家Fernández-González Mónica等人通過一系列測試(如孢子形成能力、孢子活力和四分體分析)來確定釀酒酵母對幾種脅迫條件的耐受性。
危害
對人類
念珠菌病(假絲酵母屬)感染會引起外陰陰道假絲酵母菌病(vulvovagina candidiasis,VVC),VVC是世界第二大陰道感染性疾病,75%-80%的女性一生中至少會感染一次。VVC的臨床表現通常為外陰的瘙癢和灼熱、排尿時帶有疼痛和陰道出現豆腐渣樣分泌物。30%以上的健康人的口腔、消化道以及泌尿生殖道等潮濕部位均寄生有假絲酵母菌,一般情況下并不會發生感染;只有當假絲酵母菌和機體局部的黏膜免疫系統間發生了相互作用,進而引發了假絲酵母菌的異常增殖,才會產生病理狀態。
對水產動物
水產動物致病酵母菌有梅奇酵母屬(Metschnikowia)、隱球酵母屬(Cryptococcus)、假絲酵母屬(Candida)、畢赤酵母屬(Pichia)、內孢酵母屬(Endomyces)、德巴酵母屬(Debaryomyces)和球擬酵母屬(Torulopsis)等。這些酵母菌可獨自或與其他病原菌共侵染羅氏沼蝦(Macrobrachium rosenbergii)、中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)、三疣梭子蟹科(Portunus trituberculatus)、帝王鮭(Oncorhynchus tshawytscha)、天鵝絨蟹(Necora puber)及歐洲食用蟹 (Cancer pagurus)等多種水產經濟動物。致病酵母菌侵染水產動物后,酵母菌會在患病動物各組織中大量增殖,并引起組織發生以壞死為主的變質性病變,其病理特征主要表現為細胞變性、壞死,細胞核碎裂、崩解,嚴重時會導致機體死亡。
參考資料 >
Saccharomycetales Kudrjanzev, 1960.ITIS.2023-07-29