范光森 王允中 劉朋肖 吳秋華 富志磊 朱宇婷 成柳潔 李秀婷*

（1 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心 北京工商大學 北京100048 2 北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心 北京工商大學 北京100048 3 北京工商大學食品與健康學院 北京100048 4 中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司 北京100015）

白酒是我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品的典型代表，其起源和發(fā)展深刻影響了中華文明的歷史文化，在國民的日常生活中占據(jù)舉足輕重的地位?？v觀白酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程，每一階段的發(fā)展成就均依賴于傳統(tǒng)釀造工藝改造、技術(shù)革新和理念創(chuàng)新。然而，自2010年起，我國白酒產(chǎn)業(yè)增速逐步放緩，表觀原因在于生產(chǎn)周期長，出酒率和優(yōu)質(zhì)率低，品質(zhì)批次穩(wěn)定性差，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難以實現(xiàn)，相對成本上升等，究其實質(zhì)是由于我國傳統(tǒng)白酒釀造的開放式生產(chǎn)方式所致的群體微生物共存、固態(tài)發(fā)酵過程迭代演替以及多相體系轉(zhuǎn)化等復雜而多樣的機理尚不明晰，實際生產(chǎn)過程中存在的問題難以得到科學理論的支撐，從而導致我國傳統(tǒng)釀造工藝技術(shù)的傳承和工藝改進陷入瓶頸，嚴重影響白酒生產(chǎn)品質(zhì)的提升，制約了白酒產(chǎn)業(yè)的升級與發(fā)展[1]。

大量研究表明，酯類化合物是決定白酒風格與品質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)，其中作為四大酯之一的乙酸乙酯在各香型白酒中含量較多，處于風味酯的主導地位，尤其對濃香型、清香型、米香型和鳳香型等酒的風格形成有重要作用，是濃香型白酒四大骨架酯之一，也是清香型白酒的主體香[2-4]。此外，乙酸乙酯是唯一一種在各香型白酒的國家標準中有明確指標規(guī)定，用于評判白酒香型和優(yōu)劣的酯類化合物，是區(qū)別不同質(zhì)量等級白酒的重要指標[5]?；谝宜嵋阴ピ诎拙契ヮ愔械闹匾裕P(guān)注并解析其在白酒釀造過程中形成的影響因素和機理，對于提高白酒中酯類含量并使其比例協(xié)調(diào)，增強白酒品質(zhì)穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品品質(zhì)，進而推動傳統(tǒng)白酒釀造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新具有重要現(xiàn)實意義。

1 傳統(tǒng)白酒乙酸乙酯的形成及影響因素

由于乙酸乙酯對白酒香型歸屬和品質(zhì)優(yōu)劣至關(guān)重要，研究者和生產(chǎn)企業(yè)都十分重視白酒中乙酸乙酯的產(chǎn)生、形成影響因素和內(nèi)在機制的研究。白酒釀造過程中，乙酸乙酯的合成途徑有化學合成和生物合成，由于化學合成的底物濃度要求高，合成速度慢且合成量低，因此生物合成是白酒中乙酸乙酯主要來源[6]。何種微生物能夠合成白酒中的乙酸乙酯，成為解析其形成機制的首要問題。目前，有關(guān)白酒中乙酸乙酯的研究也主要集中于乙酸乙酯產(chǎn)生功能微生物篩選、培養(yǎng)條件優(yōu)化和功能微生物強化等，并取得了較好的結(jié)果（表1）。白酒釀造過程中酵母、細菌和霉菌的多個種均能產(chǎn)生乙酸乙酯，在如此眾多菌株中，產(chǎn)香酵母（產(chǎn)酯酵母）是最重要的乙酸乙酯產(chǎn)生菌[7]，也是白酒釀造過程酯類來源的重要微生物[8]。該類酵母具有較強的產(chǎn)酯能力，主產(chǎn)乙酸酯類，特別是乙酸乙酯，能夠產(chǎn)生以酯香為主的多種香味，對改變酒體的風味組成，賦予酒體濃郁的芳香及促進酒體的豐滿具有重要作用，堪稱白酒釀造的“風味調(diào)劑師”[9]。目前，產(chǎn)香酵母在濃、醬、清、豉、特、老白干等香型白酒生產(chǎn)應用方面起到較好的效果，提高了不同香型白酒的總酯和四大乙酯含量，使酒體醇厚、諸香協(xié)調(diào)[9-11]。

表1 白酒釀造過程中乙酸乙酯產(chǎn)生菌株Table 1 Strains of ethyl acetate produced during the brewing of Baijiu

2 醇?；D(zhuǎn)移酶在白酒乙酸乙酯合成中的作用

有關(guān)白酒釀造過程中乙酸乙酯合成的機制雖缺乏研究，但微生物的生理活動是白酒釀造中酯類物質(zhì)產(chǎn)生的主要途徑已是無容置疑的事實，其實質(zhì)是各種相關(guān)生物酶作用的結(jié)果[6]。在這些生物酶中，“酯化酶” 對白酒酯類形成起到最重要的作用[30]。大多研究普遍認為“酯化酶”是脂肪酶和酯酶的統(tǒng)稱。然而，近年的研究表明，在酵母細胞中，醇?；D(zhuǎn)移酶（AATase）在乙酸酯的生物催化合成中發(fā)揮了重要的作用。該酶催化醇類和乙酰輔酶A 生成乙酸酯，是酵母合成乙酸酯類 （如乙酸乙酯、乙酸異戊酯等）的關(guān)鍵酶[6，31]。研究者現(xiàn)已認識到醇?；D(zhuǎn)移酶也是“酯化酶”的重要成員，在白酒酯類形成中發(fā)揮著重要功能。

醇?；D(zhuǎn)移酶是BAHD 家族?；D(zhuǎn)移酶中的成員，目前植物來源的醇?；D(zhuǎn)移酶研究比較充分，它是眾多植物中揮發(fā)性酯類化合物合成的關(guān)鍵酶[32]。有關(guān)酵母中該酶產(chǎn)酯的研究也日益增多，大多集中于啤酒、葡萄酒、清酒等酒飲品中釀酒酵母合成酯類。醇?；D(zhuǎn)移酶在上述酒飲品中酯類的合成方面發(fā)揮了決定作用，是其關(guān)鍵因素（表2）。例如，Lilly 等[33-34]過量表達釀酒酵母醇?；D(zhuǎn)移酶基因ATF1 后，釀酒酵母所產(chǎn)乙酸乙酯含量增加。Fujii 等[35]敲除ATF1 基因后，釀酒酵母產(chǎn)乙酸乙酯量降低了30%以上。通過SED1 啟動子過量表達清酒酵母中醇酰基轉(zhuǎn)移酶基因ATF2，突變菌株所產(chǎn)乙酸異戊酯含量相比親本提高了1.4 倍[36]。Stribny 等[37]研究發(fā)現(xiàn)ATF1 對乙酸苯乙酯合成具有重要作用，而ATF2 對乙酸異丁酯、乙酸異戊酯和乙酸苯乙酯有重要作用。

隨著對白酒酯類，尤其是乙酸乙酯形成機理認識的深入，國內(nèi)部分學者開始關(guān)注醇酰基轉(zhuǎn)移酶在白酒酯類形成過程中所起的作用。如：Cui 等[3]過表達醇?；D(zhuǎn)移酶基因ATF1 后，改造菌株A28所產(chǎn)乙酸乙酯是親本的27.21 倍，達270.24 mg/L。鄭楠等[7]在敲出ACH1 基因、過表達ACS1 和ACS2 基因基礎(chǔ)上過表達ATF1 基因，得到的工程菌相比親本菌株最高提升530.43%。Li 等[38-39]考察了ATF1、ATF2 和Lg-ATF1 過表達后乙酸乙酯的產(chǎn)量，結(jié)果過量表達ATF1 工程菌株乙酸乙酯產(chǎn)量大幅提高，是親本菌株的43.16 倍。李鋒等[40]對釀酒酵母醇己酰基轉(zhuǎn)移酶基因EHT1 進行過表達，己酸乙酯的產(chǎn)量提高為原菌種的2.21 倍，辛酸乙酯和癸酸乙酯也分別提高了31.4%和49.1%。Dong 等[41]過量表達釀酒酵母ATF1 后，產(chǎn)酯能力提高，由25.04 mg/L 增至78.76 mg/L，為親本菌株的3.1 倍。馬紅霞等[42]將過表達醇乙?；D(zhuǎn)移酶并敲除乙酸酯水解酶編碼基因的釀酒酵母應用到清香型白酒釀造中，明顯提高乙酸乙酯含量。由此可見，醇?；D(zhuǎn)移酶對白酒中乙酸乙酯等酯類的合成發(fā)揮了非常重要的作用。值得注意的是，已有醇?；D(zhuǎn)移酶合成酯類的研究集中于釀酒酵母，而有關(guān)產(chǎn)香酵母的研究較少。從醇?；D(zhuǎn)移酶角度探究白酒中酵母，尤其是產(chǎn)香酵母合成乙酸乙酯的分子機制，有助于系統(tǒng)、全面和科學正確地認識產(chǎn)香酵母合成白酒酯類的內(nèi)在機制，促進產(chǎn)香酵母調(diào)控白酒酯類形成，提高白酒的品質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，醇酰基轉(zhuǎn)移酶在酵母菌中存在多態(tài)性，即由不同基因表達不同特性的酶蛋白，這些酶蛋白所發(fā)揮的酯類合成功能存在差異，即使相同基因，在不同菌株中所呈現(xiàn)的功能特性也有差異（表2）。Fujii 等[35]研究發(fā)現(xiàn)缺失ATF1 的釀酒酵母，以異戊醇為底物時，酶活力僅保留20%，而以乙醇為底物時，酶活力保留率達80%，發(fā)酵試驗表明，乙酸乙酯含量能達到對照的60%以上，這表明除了ATF1 外，還存在另外的醇酰基轉(zhuǎn)移酶，而且ATF1 對乙酸乙酯合成的影響較小。Verstrepen 等[47]過量表達或敲除釀酒酵母中ATF1、ATF2 和Lg-ATF1 基因，結(jié)果表明ATF1 和ATF2 對乙酸乙酯合成影響較大。Lilly 等[34]分別過量表達釀酒酵母中ATF1、ATF2 和EHT1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ATF1 對乙酸乙酯合成的影響最大，其次是ATF2，而EHT1 主要影響己酸乙酯含量。此外，不同的酵母所含有的醇?；D(zhuǎn)移酶也不盡相同。目前報道的酵母菌醇?；D(zhuǎn)移酶的基因包括ATF1、ATF2、Lg-ATF1、EHT1、EAT1 和EEB1，有關(guān)這些基因表達的醇?；D(zhuǎn)移酶在酯類合成的功能研究多源于釀酒酵母，在傳統(tǒng)釀造過程中乙酸乙酯的主要產(chǎn)生菌——產(chǎn)香酵母中是否存在這些酶類，如存在它們又是如何發(fā)揮酯類合成作用的（圖1），至今仍不清楚，有待深入研究。研究白酒釀造過程中醇?；D(zhuǎn)移酶形成乙酸乙酯的作用機制，可依據(jù)有關(guān)釀酒酵母的研究思路展開（圖1），在明晰產(chǎn)香酵母內(nèi)何種醇酰基轉(zhuǎn)移酶對乙酸乙酯合成起到關(guān)鍵作用的基礎(chǔ)上，進一步探究該酶催化合成乙酸乙酯的分子機制，為科學解釋并調(diào)控傳統(tǒng)白酒釀造過程酯類化合物的形成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 醇?；D(zhuǎn)移酶在白酒中酯類合成的功能特性

盡管研究者認識到醇?；D(zhuǎn)移酶在催化合成白酒酯類化合物方面的作用，嘗試從結(jié)構(gòu)方面對其催化酯類合成機制進行解析，然而至今尚未有該類酶晶體結(jié)構(gòu)的報道。目前尚未確定其催化活性位點以及功能區(qū)域。2005年，Ma 等[62]獲得了與醇?；D(zhuǎn)移酶同家族的維諾任堿合酶（Vinorine synthase）的晶體，為醇?；D(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)及催化酯合成機制的解析提供了參考。分析維諾任堿合酶晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，包含醇?；D(zhuǎn)移酶在內(nèi)的BAHD家族的酶蛋白保守序列HXXXD 位于酶的活性中心位置，其中His160 不僅與Asn293 側(cè)鏈形成氫鍵，還與主鏈上的2 個羰基氧形成氫鍵，這種結(jié)構(gòu)對整個催化反應起到重要的作用，而保守序列DFGWG 位于β11 和β13 之間的轉(zhuǎn)角處，接近C端，其上的Asp362、Trp365 和Gly366 都與主鏈上的酰胺基團形成氫鍵，從而維持一個轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，而這一轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)可能對結(jié)合底物CoA 具有重要作用，是形成結(jié)合底物CoA 的完整結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)單元（圖2）。

獻文[43][44][45][46][33][47][48][49][50][51][34][52][53]/間時份年1981 1993 1994 1998 2000 2003 2003 2004 2004 2006 2006 2006 2008地蘭類酒酒品品品、白酒酒品酒酒酒酒萄飲酒飲酒飲萄果飲狀現(xiàn)究研的中成合類酯品飲酒在酶移轉(zhuǎn)基酰醇2表Research on alcohol acyltransferase in the synthesis of esters in alcoholic beverages Table 2 性特株菌酶啤活類醇C 3對且，并鏈支于優(yōu)性特化催類醇鏈直-C 6 C 1對（Saccha-菌母酵汁萄葡AATase類醇它其于低性）romyces uvarum清類醇鏈長對且，并鏈支于優(yōu)性特化催類醇鏈直-C 5 C 2對（Saccharomyces母酵酒釀AATase類醇鏈短于優(yōu)性活）cerevisiae啤9高提酯乙酸，乙倍27高提酯戊異酸乙AFT1貝拷多菌母酵汁萄葡AATase酯乙酸，乙倍17高提酯戊異酸乙Lg-ATF1貝拷；多倍倍2高提清丁異酸、乙酯戊異酸、乙酯乙酸，乙數(shù)貝拷的ATF1加增母酵酒釀AATFase高提量含酯葡量含酯乙苯酸乙和酯戊異酸、乙酯乙酸，乙ATF1達表過母酵酒釀AAT倍10和倍，12 10高提別分酒，大響影酯戊異酸乙和酯乙酸乙對僅不ATF2和AFT1母酵酒釀和、Atf2p Atf1p庚酸、乙酯己酸、乙酯戊酸、乙酯丁異酸、乙酯丙酸乙對Lg-Atf1p更果效；AFT1響影要重有也酯乙苯酸乙和酯辛酸、乙酯好啤大響影量含類酯酒啤，對后ATF1達表量過母酵酒釀AATase I酒加增質(zhì)物類酯酸，乙ATF1 后達表量過母酵酒釀Atf1p清高提量產(chǎn)酯戊異酸，乙后ATF1達表量過）（sake yeast母酵酒清AATFase酒量含酯乙酸肪脂鏈，中EEB1和EHT1失缺同共或獨單母酵酒釀Eeb1和Eht1降下葡苯酸、乙酯戊異酸、乙酯乙酸乙高提著顯ATF1達表過母酵酒釀和、Atf2p Atf1p異酸乙和酯乙酸乙對則ATF2達表；過酯乙酸己和酯乙Eht1p酸、辛酯乙酸己高提著顯則EHT1達表；過小響影酯戊酯乙酸癸和酯乙蘋性異特有具成合酯乙苯酸乙對母酵生漢孢有皮爾法AATase（Hanseniaspora valbyensis）酒表量，過量含質(zhì)物類酯酸乙加增量大能ATF1達表量過母酵維魯克酸乳Atf2和Atf1質(zhì)物類酯酸乙加增量適可ATF2達）（Kluyveromyces lactis因基--Lg-ATF1和AFT1 ATF1 AFT1和、ATF2 AFT1 Lg-ATF1 ATF1 ATF1 ATF1 EEB1和EHT1和、ATF2 ATF1 EHT1-ATF2和ATF1

獻文[54][36][55][56][57][58][59][40][60][41][37][61][31][39][38][7][3]間/時份年2008 2009 2012 2012 2013 2014 2014 2014 2014 2014 2016 2016 2017 2017 2018 2018 2018類酒酒果酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒酒蘋清黃啤啤黃黃白白白啤啤-白白白白性特性異特有具成合酯乙苯酸乙對倍1.4高提量含酯戊異酸，乙ATF2達表過丁異酸乙和酯戊異酸、乙酯乙酸乙高提能ATF1達表過量含酯乙酸，乙BAT2酶氨轉(zhuǎn)酸基氨除敲時同并ATF1達表過5.52 mg/L到高提酯戊異酸，乙倍6.43了高提酯11.5了高提酯乙酸BAT2，乙除敲時同ATF1 并達表過9.25 mg/L 到高提酯戊異酸，乙倍，中母酵酒黃至達表和隆克中S-6母酵酒啤從Lg-ATF1高提量的酯戊異酸乙和酯乙酸乙產(chǎn)母酵酒黃達酯戊異酸，乙倍4.9加增量含酯乙酸，乙ATF2達表過7.60 mg/L達酯丁異酸，乙26.68 mg/L和酯乙酸，辛倍2.21高提量產(chǎn)酯乙酸，己株變突達表過49.1%和31.4%高提別分酯乙酸癸高提量含酯乙酸FAA1，己除敲時同EHT1 并達表量過加增量含酯乙酸52%，癸加增量含酯乙酸，辛2.97 倍61%78.76 mg/L至增25.04由量含酯乙酸，乙ATF1達表過丁異酸乙對；Atf2用作要重有具成合酯乙苯酸乙對Atf1用作要重有酯乙苯酸乙和酯戊異酸、乙酯聯(lián)關(guān)的好很有具間之ATF1與酯乙酸乙量含酯乙酸乙高提能Eat1達表過高提量含酯乙酸乙后ATF1達表過酯乙酸乙產(chǎn)母酵酒釀高提著顯能ATF2和ATF1達表過有沒則Lg-ATF1，而顯明為更ATF1因基是其，尤力能響影著顯力能酯乙酸乙成合母酵酒釀高提以可ATF1達表過本親，是270.24 mg/L到達量含酯乙酸乙后ATF1達表過27.21 倍的株菌母酵生漢孢有皮爾法母酵酒清母酵酒釀母酵酒釀母酵酒啤母酵酒黃母酵酒黃母酵酒釀母酵酒釀母酵酒釀（Saccha-母酵夫亞里德庫）romyces kudriavzevii母酵酒啤麥?。╓ick-母酵姆漢克威常異erhamomyces anomalus）母酵酒釀母酵酒釀母酵酒釀母酵酒釀酶AAT AATase AATase AATase AATase AATase AATase酶移轉(zhuǎn)基酰己ethanol hexanoyl transferase AATase Atf2和Atf1-Eat1 AATase、ATF2 ATF1 Lg-ATF1和AATase AATase）2表（續(xù)因基-ATF2 ATF1 ATF1 ATF1 Lg-ATF1 ATF2 EHT1 EHT1 ATF1 ATF2和ATF1 ATF2和ATF1 Eat1 ATF1和、ATF2 ATF1 Lg-ATF1 ATF1 ATF1

圖1 酵母醇酰基轉(zhuǎn)移酶催化合成乙酸乙酯機制解析Fig.1 Mechanism of the synthesis of ethyl acetate catalyzed by alcohol acyltransferase from yeasts

圖2 Vinorine synthase 晶體結(jié)構(gòu)及保守序列Fig.2 Crystal structure and conservative sequence of Vinorine synthase

Vinorine synthase 晶體結(jié)構(gòu)的獲得使模擬研究功能未知的BAHD 成員，尤其是醇?；D(zhuǎn)移酶三維結(jié)構(gòu)并解釋其分子催化機制成為可能。目前，依據(jù)該晶體為模板，通過同源建模方法得到少量植物來源的醇?；D(zhuǎn)移酶三維結(jié)構(gòu)，并利用分子對接理論推測其合成酯的分子機制。Morales-Quintana 等[63]同源建模獲得木瓜來源的醇?；D(zhuǎn)移酶VpAAT1 的蛋白結(jié)構(gòu)，利用分子對接理論推測其合成酯類化合物的催化機制為：位于催化活性中心的保守序列 （HXXXD） 上的組氨酸殘基His166，引起相應受體上的O 原子或N 原子脫掉質(zhì)子，親核進攻CoA 硫酯上的羰基碳，醇類化合物則和Asp170 結(jié)合，從而形成CoA 與受體之間的一個四面體中間體，該中間體質(zhì)子化后CoA 脫下來即得到酯類化合物或者酰胺（圖3）。然而，目前的研究成果僅對于解析植物醇?；D(zhuǎn)移酶合成相關(guān)酯類化合物的機制有重要作用，酵母來源的醇?；D(zhuǎn)移酶僅見Saerens 等[51]對EHT1 和EEB1表達的醇?；D(zhuǎn)移酶進行結(jié)構(gòu)模擬的研究報道，尚未開展酯合成催化機制的研究，該酶保守序列的功能及催化活性位點也尚未解析。由此，基于酵母菌醇?；D(zhuǎn)移酶合成酯類催化機制大多從動力學常數(shù)表觀層面推測，未從酶分子結(jié)構(gòu)、功效本質(zhì)層面揭示的現(xiàn)狀，從蛋白結(jié)構(gòu)本質(zhì)入手，通過基因工程和酶工程探究產(chǎn)香酵母醇?；D(zhuǎn)移酶保守序列和催化活性位點功能，揭示其催化合成乙酸乙酯的分子機制，是今后研究的熱點之一。

圖3 木瓜來源的醇?；D(zhuǎn)移酶VpAAT1 結(jié)構(gòu)、活性中心和底物結(jié)合區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure，catalytic residues and ligand binding of alcohol acyltransferase VpAAT1 from papaya fruit

4 小結(jié)與展望

產(chǎn)香酵母是白酒中乙酸乙酯的主要產(chǎn)生菌株，然而，有關(guān)其合成乙酸乙酯的機制尚不清楚。隨著人們對白酒乙酸乙酯研究的深入，醇?；D(zhuǎn)移酶在酵母合成乙酸乙酯中的作用受到重視。當前，有關(guān)醇?；D(zhuǎn)移酶發(fā)揮酯合成作用的研究主要集中于釀酒酵母，而白酒釀造工藝不同于其它酒飲品，需探究產(chǎn)香酵母合成酯類的機理。隨著多組學技術(shù)的發(fā)展，可以通過全基因組測序獲悉產(chǎn)香酵母中醇酰基轉(zhuǎn)移酶基因，然后，通過轉(zhuǎn)錄組學從多個醇?；D(zhuǎn)移酶基因中獲得關(guān)鍵酯類化合物合成的酶，再通過代謝組學和蛋白質(zhì)組學進一步驗證，最后對酯類化合物合成的關(guān)鍵醇酰基轉(zhuǎn)移酶進行克隆表達及相應酶學性質(zhì)研究，探究其合成酯類化合物的分子機制。另外，不僅可以從分子角度解析單一菌株中酯類合成的機制，而且白酒釀造整個過程中酯類化合物合成不同階段的關(guān)鍵菌株-關(guān)鍵基因-關(guān)鍵酶之間復雜聯(lián)系的全面解析也將成為現(xiàn)實，進而明確白酒釀造過程中更多其它風味物質(zhì)的合成機制，為科學調(diào)控傳統(tǒng)白酒釀造過程提供理論依據(jù)。