糖类选择在面包酵母中通过碳源依赖性代谢与转录重编程调节面包风味

《Food Chemistry》：Sugar selection modulates bread flavor through carbon source-dependent metabolism and transcriptional reprogramming in baker's yeast

　　# 摘要面包风味根本上由面团发酵过程中酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）的代谢所塑造，但碳源种类如何驱动不同挥发性物质谱的机制仍知之甚少。本研究综合运用转录组学、非挥发性代谢组学和挥发性代谢组学，系统表征了工业 baker's yeast SPC–SNU 70–1 在发酵葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖时的碳源依赖性代谢程序。果糖诱导了高通量糖酵解溢流状态，伴随更高相对含量的乙酸酯类（赋予果香和花香），这似乎是由底物可用性而非醇乙酰转移酶的转录诱导所驱动的。麦芽糖建立了平衡的、水解受限的状态，无溢流代谢物积累。蔗糖尽管转录重编程程度极小，却表现出独特的挥发性物质谱，部分反映了酵母对面粉来源脂质氧化产物的周转降低。这些数据整合分析表明，果糖和麦芽糖在呼吸途径和Ehrlich途径基因表达变化上相似，但产生了不同的代谢物和挥发性物质谱，表明挥发性物质合成主要受底物可用性而非转录调控主导，为通过策略性选择碳源来调节面包风味提供了理论基础。# 引言面包独特的感官特征源于发酵过程中酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）的复杂生化转化，酵母利用面粉来源的碳水化合物——主要为葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖——产生用于蓬松的二氧化碳和定义面包品质的多样化代谢物（Chavan & Chavan, 2011; Struyf et al., 2017）。这些糖类的利用效率因受不同调控机制支配而异。葡萄糖通过分解代谢物阻遏和Crabtree效应驱动发酵代谢（Cortassa & Aon, 1998），而麦芽糖和蔗糖需要特异性转运蛋白和水解酶，且受分解代谢物阻遏调控（Carlson & Botstein, 1982; Charron et al., 1986; Hazelwood et al., 2008）。值得注意的是，果糖以果糖-6-磷酸的形式进入糖酵解途径，绕过了葡萄糖-6-磷酸的调控检查点，从而在削弱分解代谢物阻遏信号的情况下实现更高的糖酵解通量（Lagunas, 1986; Maitra, 1970）。尽管这些利用模式影响发酵动力学，但它们在面团发酵过程中对面包的全局代谢和转录图谱的系统性影响尚未被探索。除发酵外，酵母是面包风味的主要塑造者，通过酒精发酵、脂质氧化和Maillard反应产生数百种挥发性化合物——酯类、高级醇、醛类和有机酸——其中酵母来源的代谢物作为烘焙过程中热风味发展的必需前体（Martínez-Anaya, 1996; Pico et al., 2015）。在这些途径中，Ehrlich途径发挥着核心作用，通过转氨基作用、脱羧作用和还原或氧化将氨基酸转化为杂醇油类醇和酸（Hazelwood et al., 2008）。例如，亮氨酸分解代谢产生异戊酸酯（香蕉味），苯丙氨酸代谢产生2-苯乙醇（玫瑰香味）（Aslankoohi et al., 2016）。该途径需要氨基酸分解代谢、为酯化提供乙酰辅酶A的中心碳代谢以及通过脂肪酸氧化提供额外乙酰辅酶A的脂质代谢之间的紧密协调。不同碳源是通过转录调控还是代谢通量水平控制来调节这些相互关联的途径仍无定论，但回答这一问题对于优化发酵条件和调节面包面团发酵中的风味至关重要。尽管酿酒酵母（*S. cerevisiae*）在数千年间已被经验性地优化用于面包制作，但碳源种类与风味结果之间的分子机制仍未被完全理解。此前研究分别考察了面包面团发酵过程中的转录组谱（Aslankoohi et al., 2013）、发酵面团中的代谢组变化（Koistinen et al., 2018; Wang et al., 2020）以及液体培养中四种主要糖类动态 feast/famine 条件下的代谢通量和糖酵解蛋白质组（Verhagen et al., 2025）。然而，每项研究仅涉及单一层面的分辨率——转录组学、代谢组学或通量组学——而未同时表征其他层面，且均未考察挥发性风味输出。将转录调控与面团发酵性能和最终风味结果联系起来的整合多组学分析尚未经报道。因此，碳源依赖性的转录应答是否转化为面团代谢物、面包挥发性物质和感官属性的相应差异仍属未知，相似的转录变化是否必然导致相似的风味结果也尚不清楚。本研究综合运用转录组学（RNA测序）、非挥发性代谢组学（气相色谱/飞行时间质谱；GC/TOF–MS）和挥发性代谢组学（固相微萃取?气相色谱/质谱；SPME?GC/MS），系统表征了工业 baker's yeast *S. cerevisiae* SPC–SNU 70–1 的碳源依赖性代谢。通过比较四种主要可发酵糖——葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖，我们的目标是：(1) 识别氨基酸、有机酸和脂质代谢中的代谢特征；(2) 定义碳源特异性转录程序；(3) 将基因表达与挥发性物质产生联系起来；(4) 确定挥发性物质合成是由转录调控还是由底物可用性主导；(5) 评估这些差异是否可通过感官评价被感知。这种整合方法为在面包制作条件下将酵母碳代谢与面包风味结果联系起来提供了框架，对烘焙行业的碳源选择具有实际应用意义。# 章节节选## 白面包的制备采用直接面团法制备白面包，使用韩国SPC集团（首尔）提供的酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）SPC–SNU 70–1（以下简称70–1）。将表S1中列出的配料混合，使用立式搅拌机（SK MIXER，日本埼玉）搅拌18分钟。表S1中的糖组分（4%，面粉基准）被替换为葡萄糖、果糖、蔗糖或麦芽糖。面团在27°C、相对湿度85%（±5%）的条件下进行主发酵1小时，然后分成265克一份。## 糖消耗速率和产气动力学的比较使用四种可发酵糖作为唯一碳源，研究了70–1菌株的糖利用概况和产气动力学（图1）。葡萄糖、果糖和蔗糖被快速消耗，在2小时时几乎或完全耗尽（图1A），而麦芽糖的消耗明显延迟，第一小时内利用极少。这一延滞期可能反映了*???*基因表达诱导所需的时间，这是合成麦芽糖通透酶所必需的。## 结论据我们所知，本研究首次整合转录组学、代谢组学、挥发性物质组学和感官分析来比较工业 baker's yeast 在面包发酵中发酵的四种可发酵糖，表明碳源种类是风味化合物形成的关键决定因素，每种糖类在酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）SPC–SNU 70–1中驱动特征性代谢状态。果糖通过削弱分解代谢物阻遏，诱导了高通量溢流状态，伴随更高相对含量的……## CRediT作者贡献声明**Na Ree Han：** 撰写—初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式化分析，数据管理。**Nayoung Lim：** 撰写—初稿，方法论，调查。**Eun Ju Yun：** 监督，方法论，调查。**Seongbong Song：** 监督，项目管理，资金获取。**Sangmin Shim：** 撰写—审稿与编辑，监督，资源，项目管理，调查，资金获取，概念化。**Kyoung Heon Kim：** 撰写—审稿与……## 利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本论文所述工作的结果。## 致谢本工作由SPC集团提供的资助支持。仪器分析得到了生物与医学技术发展计划（RS-2024-00452695）和个体基础研究计划（RS-2026-25485154）的支持，由韩国国家研究基金会（NRF）资助，资金来源为韩国政府（MSIT）。韩国大学食品安全馆（生物医学与食品安全研究所）和韩国大学资助提供了额外支持。Na Ree Han | Nayoung Lim | Eun Ju Yun | Seongbong Song | Sangmin Shim | Kyoung Heon Kim