酿酒酵母细胞壁（酵母免疫多糖）的改性研究及应用

背景及概述^[1][2]

我国啤酒工业发展迅速，已连续4 年位居全世界首位。该行业的迅速发展带来废弃酵母量的增加。目前，酿酒酵母的开发利用率非常低，一般仅限于少量的简单加工，其用途多集中在饲料业及酵母制剂的生产，大量废酿酒酵母随废水排放，造成了资源的浪费和环境的严重污染，这为酿酒酵母细胞壁多糖的生产提供了丰富、廉价的原料。近年来，酿酒酿酒酵母细胞壁多糖因其特有的生物活性功能而备受关注，但是酿酒酵母β-D-葡聚糖呈中性，不带电荷，由于其分子内多羟基的相互作用，形成了致密的三股螺旋结构。其不溶于水，呈聚集颗粒状，稍溶于二甲基亚砜（DMSO）中，这严重制约了其在工业上的应用。同时为了扩大β-D葡聚糖和甘露聚糖的应用范围，国内外学者对其进行了大量的修饰改性等方面的研究。通过改性修饰，酵母细胞壁多糖的物化性质和生物活性都能得到有效改善，扩大了其应用范围。

组成及结构^[1]

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的细胞壁占细胞干重的20%～30%，酵母细胞壁由29%～64%的β-葡聚糖、31%的甘露聚糖、13%的蛋白质、9%的脂类和1%～2%几丁质组成，酿酒酵母细胞壁组成和结构见图。

β-D-葡聚糖属于细胞壁结构多糖，位于细胞壁的最内层，与原生质体膜相连接，是构成酵母细胞壁的主要成分。其主要生理功能是维持细胞壁的结构，保持细胞正常的生理形态，一般认为酵母β-葡聚糖由β-(1→3)-葡聚糖和β-(1→6)-葡聚糖组成，两者比例为85∶15。β-葡聚糖具有很好的持水能力和黏性，在食品工业中β-葡聚糖可用作增稠剂、膳食纤维和脂肪替代品等。此外其具有良好的免疫调节活性，可增强宿主对细菌、病毒、真菌及寄生虫的感染与肿瘤的抵抗能力，同时还具有降低血液中的胆固醇、抗肿瘤和预防炭疽热、促进伤口愈合等医学功效。

甘露聚糖存在于酵母细胞壁外层，赋予细胞生物学活性和控制细胞壁孔径。甘露聚糖以共价键形式与蛋白质连在一起，由5%～20%蛋白质、80%～90%甘露糖组成，甘露聚糖相对分子质量为20 000～200 000。其主链为单链，由α-甘露糖以α-(1→6)键形成，主链上联结有以α-(1→2)和α-(1→3)键连接的数目不等的甘露糖侧链，有些侧链也结合有一些基团，这些基团可能是酵母细胞抗原的决定部位。甘露聚糖能增加动物体液免疫和细胞免疫能力，调节肠道菌群平衡，结合吸附外源性病原菌，防治便秘，改善多种消化系统疾病，并具有抗辐射、抗氧化、抗肿瘤等活性功能，此外还具有乳化稳定作用。

改性研究^[1]

1.物理改性

物理修饰法主要是在不破坏酵母细胞壁多糖基本分子结构的基础上，应用外力方式将其主链打断，使其变为可溶性的小分子，以增加其溶解性。目前主要使用超声波解聚和辐照处理等物理方法对细胞壁多糖进行修饰改性。

2.生物改性

酵母细胞壁多糖的生物改性技术主要是酶法改性，通过相应的多糖酶作用，使其空间结构发生相应的改变，使长的分子链水解为短的分子链，使多糖部分地转化为低聚糖或寡糖。β-1，3-D-葡聚糖内切酶能降低酵母葡聚糖的聚合度而不改变其结构，得到水溶性葡聚糖。尽管酶的专一性和活性会对相对分子质量产生很大影响，其仍具有较好的应用前景。段会轲等利用木霉菌株LE02 产β-1，3-葡聚糖酶对其进行酶解增溶，并对酶解产物组分进行了分析。酶解条件为55 ℃、pH4.5、底物浓度20%、酶用量4 U/mL，酶解时间2 h，可溶性多糖得率达到52%。水解产物大致可分为3 个组分，即以大相对分子质量多糖为主的组分Ⅰ、以小相对分子质量的单糖和低聚糖为主的组分Ⅲ、介于两者之间的少量的寡聚糖组分Ⅱ。

3.化学改性

目前酵母细胞壁多糖改性采用较多的是化学修饰法，即通过在酵母细胞壁多糖分子链上引入或脱掉一些基团，使其分子结构发生改变，得到具有多种特殊性能的衍生物。由于细胞壁多糖结构中含有大量的羟基，可以方便地对其进行酯化、氧化等处理。

应用^[2][3]

酿酒酵母在酿酒、制药、等行业中有着极高的应用价值。酵母细胞壁位于酵母细胞最外层与生长外环境直接接触，它对维持酵母菌自身形态构造、渗透压、物质代谢、免疫识别等至关重要。

1. 酿酒。酿酒酵母细胞壁在葡萄酒酿造过程中是很好的多面手，尤其是其吸附发酵毒素的作用是其他辅料不可比拟的。目前，酿酒酵母细胞壁已被OIV 组织列入国际葡萄酿酒药典，且在国外酿酒行业中获得广泛应用。国内酵母龙头企业安琪酵母股份有限公司针对这一情况，在国内率先开发出高品质的葡萄酒用酿酒酵母细胞壁产品。酿酒酵母细胞壁在葡萄酒酿造中主要有以下三大作用：

作用之一：吸附功能。葡萄酒中过多的脂肪酸会严重影响酒的口感，酿酒酵母细胞壁可以很好吸附这些脂肪酸，如：六碳酸、八碳酸、十碳酸、十二碳酸等。此外，葡萄酒中还含有少量诸如赭曲霉素等这些对人体有害的物质，酿酒酵母细胞壁同时也对此类物质有极好的吸附功能。有报道显示，酿酒酵母细胞壁对酒体中的残留农药也具有较好的吸附作用。

作用之二：促进发酵。酿酒酵母细胞壁本身是细胞经过多种酶酶解后得到的难溶性物质，通过离心方法收集起来以后得到的产物。细胞壁富含丰富的生长因子，如：甾醇、不饱和链状脂肪酸、油酸和棕榈酸等，这些物质可以促进细胞膜的渗透性调整，并促进酵母细胞的发酵作用。作用之三：改善酒质。

2.制药。酵母细胞壁是弹性很大的结构，具有维持细胞形态、渗透性休克防护、防止机械应力和细胞表面蛋白支架等功能，其生长和形态均受到高度精密和极化方式的调节，这一过程主受细胞壁的完整性控制信号通路的调控。研究利用玻璃珠结合超声波的方法很容易将酵母细胞破碎，成功提取纯度较高的酵母细胞壁，以用于后续研究。

国外研究发现，在奶牛饲养的日粮中添加酵母细胞壁可增强动物抗病力，提高日增重等。酵母细胞壁富含β-葡聚糖和甘露聚糖等多种活性物质。酵母细胞壁的β-葡聚糖是非特异性免疫刺激多糖，能特异性结合机体的免疫细胞受体，刺激Ｔ细胞、Ｂ细胞、NK细胞产生大量的巨噬细胞，进而调节机体免疫。Β-葡聚糖是一种重要的消化道黏膜免疫增强剂，饲喂β-葡聚糖可提高荷斯坦犊牛干物质的采食量。肠道病原菌的鞭毛或绒毛上的外源凝集素特异性识别宿主上皮细胞膜的受体并与之结合进而发生感染，而甘露聚糖可有效的干扰肠道病原体的定植。同时甘露糖可为肠道内有益菌（如双歧杆菌、乳酸杆菌等）提供营养物质，促进有益菌大量殖，进一步抑制有害菌生长。

酿酒酵母细胞壁诱导体外绵羊瘤胃上皮细胞SBD-1的表达结果呈剂量—时间依赖关系，酿酒酵母细胞壁刺激绵羊瘤胃上皮细胞不同时间后，在12h时，SBD-1基因表达量达到，这种依赖趋势与黎观红的试验结果吻合。酵母细胞壁可诱导或促进上皮细胞防御素的表达，对黏膜形成保护，抑制和杀灭有害菌并调节有益菌数量和种类以维持胃肠道微生态平衡。酵母细胞壁作为廉价的抗生素的天然替代品，可作为饲料补充剂来提高家畜的免疫水平，为解决传统抗生素药物导致的抗药性难题提供新思路，研究如何提高家畜体内抗菌肽表达至合理的水平，从而去预防和治疗家畜疾病提供理论依据。

主要参考资料

[1] 刘媛媛, 王强, 刘红芝. 酿酒酵母细胞壁多糖改性研究进展[J]. 化工進展, 2009, 28(4): 686-691.

[2] 戴浩林. 葡萄酒酿造新辅料: 酵母细胞壁[J]. 酿酒科技, 2012 (5): 103-103.

[3] 田巧珍, 金鑫, 张曼, 等. 酿酒酵母细胞壁诱导体外培养绵羊瘤胃上皮细胞表达 SBD-1 的研究[J]. 畜牧兽医学报, 2018, 49(5): 927-934.