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多樣性決定味覺豐富度 釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」

建立於 2017/10/31
作者:蔡怡陞(中研院生物多樣性研究中心助研究員)

發酵的英文Fermentation,來自於拉丁文的fervere,也是沸騰之意。每個人對於發酵的印象可能不盡相同:或許是家中廚房大大小小、正在冒泡的瓶瓶罐罐;或許是某家名店販售的美味麵包,甚至是一對曖昧小兩口間的微妙情感變化(發酵)。而對於正在研究微生物的工作者來說,發酵則是,白天看著實驗室的培養罐冒著泡泡,晚上則看著自製的酸黃瓜跟18天台啤冒著泡泡。

發酵與酵母菌

生物學家定義發酵為厭氧代謝。在不同自然環境來說,它是微生物在艱困無氧的狀態下利用有機質產生自己需要的能量。在某些機運中,人類在不同時間點發現、知道、並開始利用這種轉化的能力來加工食材。最普遍也最受歡迎的發酵品:酒,在各種文化裡扮演著重要的角色。

現在我們已經知道發酵的原理並分離出一些特定的微生物讓它們在少氧的環境中代謝。人類開始知道並取名這些微生物為酵母,英文Yeast 的來源為「泡泡」的意思。這些酵母菌根據後來的研究,主要是不同來源的真菌。這其中最具代表性的菌就是釀酒酵母(brewers' yeast; 學名Saccharomyces cerevisiae ;取義為來自於酒裡的糖菌)。釀酒酵母也叫麵包酵母 (baker's yeast),在諸多的發酵食物,例如麵包或是咖啡豆中都少不了它。

酵母菌。圖片來源:李佳燁。

酵母菌。圖片來源:李佳燁。

被馴化的釀酒酵母多樣性偏低

正因為它與人類生活關係密切,在現代分子生物學裡,也是研究最多的模式物種之一。科學家開始知道釀酒酵母裡面有6000多個基因,也開始在實驗室內用不同條件控制誘發及研究出每一個基因的功能。但緊接著,幾個更大的疑問陸續被提出:釀酒酵母到底從哪裡來?它的基因為什麼是6000多個而不是只要3000多個?我們人類又對它扮演著什麼樣的角色?對一些遺傳學或微生物生態學家來說,這些是很迷人的問題。

在2005年,遺傳學家 Justin Fay 利用定序五個基因的片段,比較了從各種人類環境如葡萄酒莊,以及比較沒有被人類干擾的環境收集到的釀酒酵母的基因差異性1。這項研究第一次定義出比較大規模的81株釀酒酵母演化樹,結果發現,原始譜系都是來自於比較自然的環境,以族群來說,從自然環境所收集到的酵母菌菌株,其遺傳差異性較大,而從人類環境所收集到的酵母菌之間的遺傳差異性則很少。這是第一次從遺傳資料提出了人類馴化微生物的證據:人類因著大規模的農耕,創造出單一環境下的農產品,而釀酒酵母也一次次的被利用、被篩選成單一或少數幾種最容易用於釀酒或製作麵包的菌株。

釀酒酵母多樣性的起源

近期在基因體定序及分析越來越便宜及精進的過程中,科學家似乎又重新追尋人類與釀酒酵母的這段歷史。

在2009年,由酵母菌學家Gianni Liti 所領導的一個團隊(筆者也參與其中)定序且發表了超過70種酵母菌基因體2。這代表著我們可以開始看到一個物種更細節的不同差異,有趣的是,結果顯示,與人類文化密切相關的釀酒酵母菌株並非源自單一共同祖先,而是至少來自五個族群(馬來西亞、西非、清酒環境、北美,以及歐洲)。這代表人類在歷史的不同時間點上,各自從各不同的來源發酵食物並馴化了釀酒酵母品種。更有趣的是,跟野生酵母菌相較之下,釀酒酵母菌株的族群結構非常的混合。舉例來說,北美的釀酒酵母菌株跟其他四種族群有分享的基因多樣性。這反映了人類的歷史會帶著釀酒酵母去不同地方傳播,並共同演化出現代的釀酒酵母菌。

如果說釀酒酵母是透過動植物、尤其是人類而傳播,那它最原本的發源地是在哪裡呢?

中國科學院白逢彥研究員的團隊在2012年從中國各地分離了約99株釀酒酵母,發現其中至少有兩個族群在基因多樣性上,比已知所有被定序的菌株還來得高!這代表著釀酒酵母的發源地很可能就在亞洲3,而這也跟考古證據裡的發現不謀而合:最早的發酵飲料出現在約7000BC (仰韶文化之前)的中國4

釀酒酵母的演化樹可以看出中國分離出的菌株(CHN-I 到V)跟全世界其它地方分離出的菌株基因差異很大

釀酒酵母的演化樹可以看出中國分離出的菌株(CHN-I 到V)跟全世界其它地方分離出的菌株基因差異很大。圖片來源:G. Liti, 20155

釀酒酵母基因體研究的商業應用

在現代,因為工業及商業上的需要,大部份的麵包店或是酒廠所使用的釀酒酵母,是經過無數次的反覆培養及篩選而來的(需符合發酵力穩定以及適應商業發酵桶環境)。如果現在自己要釀酒的話,也可以從特定的經銷商購得商業化培養的釀酒酵母。這大幅減少了發酵失敗的可能性,如黴菌的污染、食物的腐敗,也更容易調控發酵環境的溫度及濕度影響。然而,這也代表著,我們已經慢慢失去了如前人般嘗試從環境中自然發酵的創造力。

一方面,科學家們已經開始在基因層次上探討釀酒酵母如何賜予不同的味道。例如:在能製造出百種不同啤酒的比利時,由Kevin Verstrepen教授所領導的一個團隊,針對3萬多株釀酒酵母進行相關實驗。在2016年時,這個團隊發表了157株釀酒酵母的基因體跟它擁有的化學現象6。舉例來說,4-乙烯基愈创木酚(4-vinyl-guaiacol, 4-VG)是一種聞起來像丁香或是煙燻味的物質,雖然這種口味是某些地區啤酒的特色,卻是大部分啤酒或清酒製作者都不想要有的風味。研究資料顯示,野生或烘培的釀酒酵母菌株都還有製造4-VG的能力,但是用來釀酒的釀酒酵母都已失去了這個功能。研究團隊更進一步雜交清酒跟有製造4-VG能力的酵母菌株,產生一個新的品系,增加了釀酒效率並有著丁香的味道。這代表著我們可以開始系統化的利用酵母菌株的多樣性。此一研究發現雖然還很初期,但是釀酒酵母的相關產業都已開始躍躍欲試,因為單是美國的啤酒銷售量,一年就可以達到430億美金。

重新探索新的釀酒酵母

另一個方向是重新找尋新的釀酒酵母。它們常見於不同環境中:土壤、植物樹皮、落葉、動物包括人類的腸道等。但是釀酒酵母是如何渡過寒冷的冬天呢?在歐洲,夏天成熟的葡萄會發酵,是透過果皮上的釀酒酵母代謝並繁殖所造成。而一些昆蟲如造紙胡蜂 (Polistes dominula)會覓食這些果實並順便把這些酵母吃進去,所以胡蜂的腸道也變成釀酒酵母的長期住所之一7,這也讓釀酒酵母的多樣性可以穩定的傳承下去。

距離酵母菌可能發源地非常近的台灣,在生態環境中存有什麼樣的釀酒酵母?歷史上曾出現過那些傳統發酵法?那些傳統發酵法被傳承了下來?這些都需要我們系統性的去挖掘並揭示。目前,中研院生物多樣性中心已經開始建立可行的研究方法去分離、培養並研究台灣釀酒酵母的多樣性。文化和培養在英文裡是雙關語,culture;希望藉由研究微生物多樣性的同時,可以追尋先民曾在自然界留下的生存軌跡。

發酵時產生的泡泡。圖片來源:Judah Gross(CC BY-NC-SA 2.0)。

發酵時產生的泡泡。圖片來源:Judah Gross(CC BY-NC-SA 2.0)。

參考資料

  1. Fay JC, Benavides JA (2005) Evidence for Domesticated and Wild Populations of Saccharomyces cerevisiae. PLoS Genet 1(1): e5.
  2. G Liti, DM. Carter, AM. Moses, L Parts, SA James, RP Davey, IN Roberts, A Blomberg, J Warringer, A Burt, V Koufopanou, IJ Tsai, CM Bergman, D Bensasson, MJT O'Kelly, A Oudenaarden, DBH. Barton, E Bailes, M Jones, MA Quail, I Goodhead, S Sims, F Smith, R Durbin, E Louis (2009) Population genomics of domestic and wild yeasts Nature 458, 337 341
  3. QM Wang, WQ Liu, G Liti, SA Wang, and FY Bai (2012), Surprisingly diverged populations of Saccharomyces cerevisiae in natural environments remote from human activity. Mol Ecol, 21: 5404–5417. doi:10.1111/j.1365-294X.2012.05732.x
  4. PE McGovern, J Zhang, J Tang, Z Zhang, GR Hall, RA Moreau, A Nuñez, ED Butrym, MP Richards, C Wang, G Cheng, Z Zhao and C Wang (2004) Fermented beverages of pre- and proto-historic China PNAS 101: 17593–17598
  5. G. Liti (2015) The Natural History of Model Organisms: The fascinating and secret wild life of the budding yeast S. cerevisiae eLIFE 4:e05835
  6. Gallone B, Steensels J, Prahl T, Soriaga L, Saels V, Herrera-Malaver B, Merlevede A, Roncoroni M, Voordeckers K, Miraglia L, Teiling C, Steffy B, Taylor M, Schwartz A, Richardson T, White C, Baele G, Maere S, Verstrepen KJ (2016) Domestication and Divergence of Saccharomyces cerevisiae Beer Yeasts. 166(6):1397-1410.e16
  7. I Stefanini, L Dapporto, L Berná, M Polsinelli, S Turillazzi, and D Cavalieri (2016) Social wasps are a Saccharomyces mating nest PNAS 113: 2247-2251.

※ 本文與 行政院農業委員會 林務局  合作刊登