一边酿酒一边喝，这样的工作你羡慕吗？

作者：颜飞（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）

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啤酒是最古老的酒精饮料之一，早在6000多年前，居住在美索不达米亚地区的苏美尔人，就用大麦芽酿制成了原始的啤酒。

啤酒伴随着人类一路走来，为我们带来健康和快乐。

然而人类食用大麦的历史更加久远，早在新石器时代，大麦就发挥了其重要作用，促使人类社会从狩猎采集向农耕聚落转变。直到有一天，一种叫“啤酒酵母”的微生物驯化成功，人类才走上“喝大麦”的时代。

酵母菌——生产酒精的小能手

酒精对大多数微生物都有害，而酵母菌为何可以在酒坛里畅游无阻？人类究竟使用了何种手段，竟可以让真菌为我们任劳任怨生产酒精？

原来酵母菌是一种典型的兼性厌氧微生物:

1

在有氧条件下

酵母菌进行有氧呼吸，分解葡萄糖产生二氧化碳和水。

2

在无氧条件下

酵母菌进行无氧呼吸，分解葡萄糖产生二氧化碳和酒精。

厌氧发酵是酵母菌面对不利环境下的韬光养晦，同时酒精的分泌抑制了环境中其它微生物的生长，酵母菌却因拥有对酒精较强的耐受能力，从而在极端的环境中存活下来。

啤酒酵母的驯化史

自然界从诞生起就没有停下进化的脚步，智人进化的步伐越来越快，把其他生物远远地甩在后面。

但智人不愧是智人，懂得“先富带动后富”的道理。他们驯化了狗来看家护院，驯化了猫来捉小老鼠，驯化了家禽家畜来提供鸡肉蛋奶。

也许有些人觉得养猫养狗没啥意思，于是乎养起了酵母菌。得到贵人提携的酵母菌，很快进化出各种不同的分支，其中的一支就是今天的主人公——啤酒酵母。

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华盛顿大学从世界各地收集了81种野生或驯化的酵母菌，建立起酵母菌的演化图谱。

从演化图谱上可以看出，最古老的酵母菌来自非洲的棕榈酒，由油棕榈的树液酿制而成。因为树液中本身就存在野生酵母菌，而目前学术界认为人类也是起源于非洲。

啤酒酵母菌（图片来源；https://www.wikipedia.org/）

人类的一个世代时间平均在20至25年，而酵母菌则大约只有3个小时。由此科学家推算出，东西方酵母的分离点大约在12000年前。虽然还不能准确地计算出人类驯化酵母菌的时间，但可以确定的是至少在新石器时代晚期，酵母菌就已经开始为人类酿制酒精了。

翻开驯化的史册，啤酒酵母书写着一曲真菌的离骚。

自远古时代，人类就已经掌握了利用酵母制作面食，酱油的工艺，而酵母用于酿制啤酒才不过是几千年的历史。

公元前3000多年，居住在美索不达米亚地区的苏美尔人，用大麦芽酿制成了原始的啤酒。并为此而创造了一个新的名词“Kas”，意为“嘴巴渴望的东西”。这是啤酒酵母在史册上首次留下的掠影。

随着文明的碰撞与融合，啤酒酵母跟随酿酒师踏遍了世界的每一个角落。人们对啤酒爱的死去活来，而对其生产者——啤酒酵母菌却一无所知。人类所掌握的酿酒技术，实际上是利用已发酵材料对未发酵的原料接种，从而得到发酵产物。在漫长的岁月里，啤酒酵母菌默默地接受着人类有意和无意的驯化。

艾尔酵母，在中世纪时就得到驯化，并沿用至今。因为在发酵时，酵母会浮在麦芽汁的表面，形成一个又浓又厚的泡沫层，又被称作桶上发酵酵母。艾尔酵母的发酵温度较高，多数的艾尔酵母在12℃以下就会休眠。

15世纪，哥伦布远航美洲，无意间带回了一种野生酵母——“贝型酵母”。野生酵母与艾尔酵母杂交后产生了新的品种，经驯化后成长为至今享誉全球的“拉格酵母”。

拉格酵母，与艾尔酵母的不同之处在于，它不像艾尔酵母那样浮在麦芽汁的表面，而是会沉到发酵桶的桶底，且沉淀性较好。除此之外它所适宜的发酵温度为7-15℃。由于这些优点更适合工业化生产，拉格酵母取代艾尔成为啤酒生产的主力军。

17世纪显微镜的发明与使用，为人类打开了微生物世界的大门，人类也开始重新认识了啤酒酵母，这个一直陪伴在我们身边的朋友。

根据现代基因组测序和表型鉴定，啤酒酵母经历了强烈的驯化，这一点远远超过其他类型的工业酵母菌。

驯化的成果是菌株对麦芽糖利用能力的提高，而付出的代价是自然条件下存活能力下降、有性繁殖能力下降和基因组的衰退，简称“三低一高”。

从这一点上来看，啤酒酵母是牺牲了自己，造福了人类。

现代的遗传改造技术，正以史无前例的速度，推进着啤酒酵母的驯化。与其说是驯化，不如说是共同进化。啤酒已经成为我们生活中不可或缺的成分，对啤酒酵母的驯化也是人类历史上浓墨重彩的一笔。

酵母中的 “酒鬼”

啤酒酵母还是一只贪杯的真菌。

与众多酵母菌不同，啤酒酵母菌不仅可以制造酒精，而且还能以酒精作为能量来源。秘密就在于ADHⅠ和ADHⅡ这两个基因之间。

乙醇脱氢酶，广泛存在于人类肝脏和微生物细胞中，是生物体内主要短链醇代谢的关键酶。

在人体中，乙醇脱氢酶催化了乙醇乙醛氧化反应，使人体能以较快的速度降解酒精，最终代谢为无毒的乙酸。

乙醇在人体中的代谢途径（图片来源; www.zjyance.com/）

而在酵母中，葡萄糖的发酵产物是“乙醇+二氧化碳”，由ADHⅠ编码的乙醇脱氢酶Ⅰ在发酵过程中起到重要作用。

从葡萄糖被酵母吃掉开始，前后经历了“葡萄糖→丙酮酸→乙醛→乙醇”四次大变身。其中乙醇脱氢酶Ⅰ催化了乙醛转化为乙醇的关键步骤。利用这一代谢途径，人类驯化酵母来为其高效地生产酒精。

然而啤酒酵母菌与众不同，它在酿酒的过程中很可能偷偷喝上一口。这是为什么呢？

原来啤酒酵母中除了ADHⅠ，还具有ADHⅡ。在糖浓度较低的发酵液中，由ADHⅡ编码的乙醇脱氢酶Ⅱ可以将乙醇再转化回乙醛。在此过程中啤酒酵母利用乙醇作为能源，这在酵母中是独一无二的。

分子演化学研究表明，ADHⅡ基因可追溯至八千万年前的白垩纪，此时也正值显花植物崛起的时代，饱满的果实成为孕育酵母的摇篮。

现代分子技术的发展，使得人类对啤酒酵母的驯化迈入随心所欲的时代。

乙醛是啤酒中的重要风味物质,较低含量的乙醛(2-5mg/L)使啤酒具有芳香味,而含量高于10mg/L(乙醛的风味阈值)后容易产生腐烂青草味。通过遗传改造得到的抗乙醛酿酒酵母，合理调节了ADHⅠ和ADHⅡ这两个基因的表达，可以在保持啤酒特有风味的基础上为人类生产出低乙醛啤酒。

吃水不忘挖井人，喝酒也别忘了咱们这位朋友“啤酒酵母”啊。

参考资料：

[1] Fay J C, Benavides J A. Evidence for domesticated and wild populations of Sa ccharomyces cerevisiae[J]. Plos Genetics, 2005, 1(1):66-71.

[2]Janzen D H. Why Fruits Rot, Seeds Mold, and Meat Spoils[J]. American Naturalist, 1977, 111(980):691-713.

[3]Mcgovern P E, Zhang J, Tang J, et al. Fermented Beverages of Pre- and Proto-Historic China[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, 101(51):17593.

[4]Thomson J M, Gaucher E A, Burgan M F, et al. Resurrecting ancestral alcohol dehydrogenases from yeast[J]. Nature Genetics, 2005, 37(6):630.