编辑推荐：
低温发酵过程中通过氧化还原电位（ORP）控制在-150 mV，显著提升乙醇产量（29.2%）、糖消耗速率（32.8%）并缩短发酵时间（11.11%），同时保持风味物质积累稳定。ORP调控通过影响乙醇合成和应激相关基因表达实现效率提升。
黄振宇|尹华|刘森|张佳洁|张翠|邢雷|黄晓燕|白凤武|刘成光
青岛啤酒股份有限公司生物发酵工程国家重点实验室，中国青岛266035
摘要
啤酒的低温发酵（LTF）通常在7°C至13°C进行，通过增加香气化合物来提升啤酒的风味，同时降低酸度。然而，这一过程也会抑制酵母活性并延长发酵时间，从而增加维持低温所需的能源成本。为了解决这个问题，采用了控制氧化还原电位（ORP）的方法来加速Saccharomyces pastorianus啤酒酵母的LTF。与对照组相比，通过精确控制的通氧将ORP维持在-150 mV，显著提高了发酵性能，最终乙醇浓度增加了29.2%（达到33.16 g/L），糖消耗率提高了32.8%（0.93 g/L/h）。值得注意的是，ORP控制使达到相同最终乙醇浓度25.00 g/L的发酵时间缩短了11.11%。此外，ORP控制对香气化合物的积累影响有限。而且，ORP控制仅需要微量的通氧速率，为1.05 × 10-3 vvm。转录组分析表明，ORP控制可以影响乙醇合成和耐受性途径中基因的表达，从而提高发酵效率并增加酒精产量。应用ORP控制可以缩短啤酒LTF的持续时间，从而节省Lager啤酒生产中的能源成本，并为其他LTF过程提供宝贵的经验。
引言
啤酒是世界上最古老和最受欢迎的酒精饮料之一，通常由水、麦芽、啤酒花和酵母通过五个步骤酿造：麦芽化、糖化、煮沸、发酵和成熟（Brányik等人，2008年）。发酵是啤酒生产中的关键步骤，因为不同的微生物和发酵策略会显著影响最终的风味特征（Kaneda等人，1992年）。Lager啤酒占全球啤酒总产量的90%，每年产量为18.9亿升，是通过Saccharomyces pastorianus啤酒酵母的低温发酵（LTF）生产的，这种酵母是Saccharomyces cerevisiae和Saccharomyces eubayanus的自然多倍体杂交体（Seo等人，2020年；Turgeon等人，2021年）。酵母将糖转化为乙醇，并产生二氧化碳和其他香气化合物，如酯类和高级醇（de Lima等人，2022年）。酯类是啤酒中重要的芳香化合物，赋予啤酒果香特性（Verstrepen等人，2003年）。高级醇，主要是N-丙醇、异丁醇和异戊醇，为啤酒的风味和香气做出贡献，但过量积累可能导致不适感（Lachenmeier等人，2008年）。高级醇通过增强酒精感赋予啤酒独特的风味和温润的口感；然而，过量积累会负面影响感官质量和消费者舒适度（He等人，2014年）。高级醇的合成与通过Ehrlich途径的糖代谢和氨基酸代谢密切相关（Pires等人，2014年）。由于在发酵后去除啤酒中的高级醇较为困难，因此需要通过麦汁制备和发酵过程来调节其生成（Yang等人，2019年）。
LTF通常在7°C至13°C之间进行，被认为是通过增加香气化合物的产生和减少酸性副产物来改善Lager啤酒风味的有效方法。然而，LTF也有一些缺点（Yuan等人，2017年）。在低温条件下，酵母活性受到显著限制，导致发酵时间延长（Kruis等人，2017年）。此外，在夏季啤酒需求高峰期，维持低温会导致较高的能源成本（Kopsahelis等人，2007年）。因此，提高低温下的酵母代谢活性成为一个关键挑战。一种相对直接的方法是通氧（J. Xu等人，2022年）。然而，过度通氧会不利地影响香气化合物的积累，这突显了使用精确控制的通氧以保持微需氧条件的必要性（Wackerbauer等人，2002年）。在这种条件下，传统的溶解氧（DO）电极无法准确检测DO水平，因为DO水平低于电极的检测范围（C.-G. Liu等人，2016年）。相比之下，监测氧化还原电位（ORP）是一种能够有效反映微需氧条件下通氧动态的方法（Khongsay等人，2013年）。
ORP反映了化学物质获得电子并发生还原反应或失去电子并发生氧化反应的倾向。氧化还原电位越低，系统获得电子的可能性越大，系统更倾向于发生还原反应；氧化还原电位越高，系统失去电子的可能性越大，系统更倾向于发生氧化反应（C.-G. Liu等人，2015年）。通氧、引入氧化还原试剂和电干预是控制发酵过程中细胞外ORP水平的主要方法（C.-G. Liu等人，2011年）。ORP主要通过调节电子转移效率和关键辅酶的细胞内氧化还原状态来影响微生物代谢途径的选择（Lin, Chien等人，2010年）。其分子机制体现在调节细胞色素复合物的电子亲和力，改变电子转移速率，从而控制ATP合成的效率（Liu, Xue等人，2013年）。先前的研究表明，即使在环境压力条件下，ORP控制也能提高生物乙醇的产量。ORP控制可以减少酵母接种量，并在絮凝酵母（SPSC01）的发酵过程中提高乙醇浓度。此外，它还可以在极高重力下的乙醇发酵中提高SPSC01的乙醇浓度（Feng等人，2015年）。此外，ORP控制可以减少活性氧对酵母的影响，并提高S. cerevisiae BY4741在木质纤维素水解物培养中对糠醛的耐受性（Li等人，2019年）。
本研究探讨了ORP控制作为增强Lager酵母LTF的有效方法，结果表明乙醇产量增加，细胞活性提高，发酵时间缩短，同时对啤酒香气化合物的影响有限。研究了ORP增强LTF的机制。这一进展对酿造行业具有重要意义，因为它有助于缩短发酵时间，从而降低Lager啤酒生产过程中维持低温所需的能源成本。
部分内容
菌株和培养基
本研究使用了S. pastorianus BF-16菌株（中国湖北省Angel Yeast公司提供），这是一种常用的商业Lager发酵菌株。酵母种子在YPD培养基（20 g/L葡萄糖、20 g/L蛋白胨和10 g/L酵母提取物）中培养。用于发酵罐培养的发酵基组成分为150 g/L葡萄糖、20 g/L蛋白胨和10 g/L酵母提取物。
台式规模LTF
BF-16菌株在含有10 mL YPD培养基的试管中于30°C下培养12小时。
ORP控制下的通氧
当温度和pH相对稳定时，细胞外ORP水平主要受还原能力和氧化能力的影响。在对照组低温啤酒发酵过程中，来自灭菌空气的氧气作为主要氧化剂，推动了ORP水平的升高（Poonsrisawat等人，2014年）。微生物代谢产生的还原代谢物的生成和积累也受到氧气供应的强烈影响。
结论
本研究应用ORP控制来加速Lager酵母的LTF，确定-150 mV为最佳条件。在该ORP下，糖消耗率为0.93 g/L/h（提高32.8%），乙醇产量增加了29.2%，发酵时间缩短了11.11%，最终乙醇浓度达到25.00 g/L。ORP控制缩短了发酵时间，对风味物质的影响有限。转录组分析显示，乙醇合成和耐受性途径中的基因表达上调，从而促进了发酵。
CRediT作者贡献声明
黄晓燕：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据管理、概念构思。
邢雷：监督、资金获取。
刘成光：撰写 – 审稿与编辑、方法学、概念构思。
白凤武：项目管理、概念构思。
刘森：方法学、数据分析。
尹华：方法学、数据分析、概念构思。
张翠：数据分析。
张佳洁：数据分析。
黄振宇：撰写 – 初稿。
未引用参考文献
Feng等人，2012年；Khongsay等人，2014年；Thani等人，2016年。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
