筛选具有不同耐温性的本土酿酒酵母菌株作为降低酒厂能源需求的潜在工具

《Food Bioscience》：Selection of Indigenous Saccharomyces cerevisiae Strains with Different Temperature tolerance as a potential tool to Mitigate Winery Energy Demand

　　

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  本地S. cerevisiae（酿酒酵母）在热适应性方面表现出高度多样性。
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  环境来源菌株的热适应性高于葡萄酒起源菌株。
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  发酵温度对发酵动力学的影响大于对乙醇产率的影响。
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  经筛选的本地菌株可实现低能耗酿酒，且不损害葡萄酒品质。
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  不同菌株间耐热性的特异性差异为可持续酿酒实践中量身定制的菌株选择提供了机遇。

引言

据估计，酿酒过程中所用电力的45%至90%用于移除由酵母代谢活动产生的热量（de Castro等，2024）。若缺乏适当的热管理措施，发酵过程中的热量积累可能导致葡萄汁温度过度升高，对发酵性能、微生物稳定性和葡萄酒品质产生不利影响。事实上，发酵温度已被广泛认为是影响酵母生理、发酵动力学和芳香化合物生产的最关键环境因素之一（He等，2023；Masneuf-Pomarède等，2006；Pretorius等，2012；Torija等，2003a）。温度在调节酵母细胞过程中起着核心作用，影响酶促反应速率、膜流动性（Redón等，2011）、营养转运系统和应激应答通路。因此，发酵温度的变化可能显著影响酵母生长、代谢活动以及整体发酵效率（Bertazzoli等，2025；?ener等，2007）。此外，温度调节酵母细胞内的代谢通量分布（Quirós等，2013），从而影响决定葡萄酒化学和感官特征的一级和二级代谢产物的生产（Du等，2022；Styger等，2011）。

在现代酿酒实践中，发酵温度经过精心控制，以实现预期的技术和感官效果。低温发酵常用于白葡萄酒、桃红葡萄酒和芳香型葡萄酒的生产，因为它们能促进与水果和花香感官特征相关的挥发性芳香化合物的形成（Deed等，2017）。特别是，约15至20°C的发酵温度已被证明有利于乙酸酯类和乙酯类的合成，这些是影响葡萄酒香气复杂度的最重要化合物之一（Molina等，2007；Saerens等，2010）。较低的温度还减少了香气活性化合物的挥发和化学降解，有助于保留香气特征。多项研究报告指出，与较高温度发酵相比，低温发酵生产的葡萄酒通常表现出更强的香气强度和更高的复杂度（Du等，2022；Styger等，2011）。这一现象主要归因于酯类生物合成相关酶途径的温度依赖性调控，以及发酵过程中挥发性化合物蒸发的减少。

相反，较高的发酵温度通常通过增强酵母代谢活性和提高糖分消耗速率来加速发酵动力学。升高的温度刺激酶促反应并可能缩短发酵时间，从技术角度来看这可能是有利的，但也可能诱导酵母细胞的热应激，导致细胞活性降低、挥发性化合物组成和平衡的改变，以及发酵迟缓或停滞的风险增加（Moreno-Arribas等，2009）。因此，尽管相关的能源成本高昂，工业酿酒中通常采用严格的温度控制以确保工艺可重复性和产品质量。从能源角度来看，酒精发酵的热管理是酿酒厂能耗的主要关键点之一。

识别允许发酵在较宽松的温度控制条件下高效进行的策略，可显著有助于减少发酵期间温度控制相关的能源需求（Bauer & Pretorius, 2000；Mouret等，2021）。实现这一目标的一个有前途的方法是利用酵母种群中存在的天然生物多样性。近期的研究表明，在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）物种内，对温度的反应具有高度的菌株依赖性（Salvadó等，2011；Torija等，2003）。事实上，在热耐受性、发酵效率、应激抗性、竞争能力和代谢谱方面观察到显著的种内变异性。这些差异与应激耐受性相关的细胞机制、膜组成、热激应答和代谢调控的变化有关（Bertazzoli等，2025；Costa等，2023）。某些菌株即使在较高温度条件下也能维持较高的发酵性能，表现出与葡萄酒品质标准相符的发酵性能和代谢产物谱。尽管利用从特定葡萄酒产区分离的本地酵母菌株作为保持区域葡萄酒典型性和微生物风土的策略引起了越来越多的关注（Benito-Castellanos等，2025；Capece等，2012），但据我们所知，关于这些菌株对不同发酵条件生理反应的信息有限。特别是，发酵温度与菌株特异性代谢反应之间的相互作用在本地S. cerevisiae群体中的研究仍然不足。

此外，当前向更可持续、更环境友好的酿酒实践的转型突显了评估发酵策略的必要性，这些策略应同时提高葡萄酒品质并减少酿酒厂的能源消耗。

在这方面，本研究旨在探讨发酵温度对43株S. cerevisiae生长行为和发酵性能的影响。具体而言，本研究的主要目标是在不同温度条件下评估酵母生长和发酵性能，研究温度和酵母菌株对生长和发酵动力学的联合效应。此外，还评估了这些因素对影响葡萄酒香气的挥发性代谢产物和花青素谱的影响。我们的研究结果可为优化发酵管理策略提供有用的见解，从而在提高葡萄酒品质和酿酒可持续性方面实现双重改进。

章节摘要

酵母菌株及分离来源

共分析了43株S. cerevisiae（见表格1）。其中40株为本地酵母，从不同的自然来源和酿酒厂相关来源分离获得，包括自发发酵的葡萄汁、地下酒窖环境（酒窖/地窖表面）以及蜜蜂，另有3株为商业酿酒 starters，纳入以评估本地菌株在热应激条件下能否达到或超越工业起子的性能。所有菌株均属于UNIBAS酵母

不同温度下的生长试验

为了研究43株S. cerevisiae的温度耐受性，通过测定相对生长量（计算为测试温度下的OD₆₀₀与25°C（对照条件）下OD₆₀₀的比值）来评估在15、20、25和30°C下的生长表现。以相对生长量表示的结果展示在图1所示的热图中。热图揭示了直接从葡萄汁中分离的菌株和从环境表面中恢复的菌株的某种趋势

讨论

本研究评估了本地S. cerevisiae菌株在不同温度制度下适应性的生理和发酵行为。首要目标是筛选出稳健的 starters，使其能够在较宽松的温度控制条件下高效进行发酵，从而提供一种可持续的方法来减少酿酒过程中的能源消耗。第一步是分析不同温度（范围从15到30°C，以25°C为对照）的影响

结论

本研究证明，发酵温度显著影响一组本地S. cerevisiae菌株的生长行为、发酵性能和代谢产物。生长试验揭示了分离来源的明显影响，大多数葡萄酒来源的菌株在低温下生长受到抑制，而若干环境菌株在整个温度范围内均保持较高的生长水平，表明其具有增强的热应激耐受性。在发酵过程中，

CRediT作者贡献声明

F. Genovese：写作——审阅与编辑、软件、数据整理。A. Capece：写作——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、概念化。G. La Rocca：写作——初稿、方法学、调查研究、数据整理、概念化。G. Siesto：写作——审阅与编辑、写作——初稿、形式分析、数据整理、概念化。R. Pietrafesa：写作——初稿、软件、方法学、形式分析，

未被引用的参考文献

Goddard, 2008; Moreno-Arribas和Polo, 2009; Zheng和Wang, 2015。

数据可用性

本研究中的原始贡献内容包含在文章中；进一步的询问可联系通讯作者。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢欧洲研究基础设施MIRRI-ERIC的意大利国家节点（MIRRI-IT）提供的贡献和支持。

Giorgia La Rocca的奖学金由PNRR Borse D.M. 118/2023-M4C1-INV.3.4"数字与环境转型"资助。Gabriella Siesto获得了项目ViCaM"从田间到博物馆的葡萄与葡萄酒——杯中两种文化"的资助——FSC研究与创新——巴西利卡塔大区发展与凝聚基金——N° 142046/128D。

在期间

Giorgia La Rocca|Gabriella Siesto|Rocchina Pietrafesa|Teresa Garde-Cerdán|Francesco Genovese|Angela Capece