尽管葡萄酒被认为在新石器时代已经存在，但关于人类是如何开始酿造葡萄酒的，仍存在许多谜团。通常的说法是，葡萄酒原料的葡萄的果皮中存在能够进行酒精发酵的葡萄酒酵母，在葡萄榨汁过程中，葡萄酒酵母进入果汁中并自发地开始酒精发酵。然而，近年来的精密分析结果表明，没有伤痕的葡萄皮不具备酒精发酵能力，或者只有少量的常居菌。京都大学研究生院农学研究科的渡边大辅副教授（现为奈良先端科学技术大学院大学副教授）和桥本涉教授在实验室中成功再现了葡萄酒酵母对葡萄皮的适应过程。相关成果已发表在《Scientific Reports》上。
图1. “葡萄干酵母”的制作（左）和宏基因组分析（右）示意图（供图：京都大学）
研究团队首先着眼于传统自制面包中使用的葡萄干酵母。面包酵母与葡萄酒酵母相同，也是一种名为S.cerevisiae（酿酒酵母）的微生物，通过酒精发酵产生的二氧化碳气体使面包面团膨胀。在不易获得面包酵母的时代，将葡萄果实干燥后制成的葡萄干中加水并保温几天制作的葡萄干酵母被用作面包发酵剂。
用市售的葡萄干制作葡萄干酵母，对其微生物群进行宏基因组分析后表明，葡萄干中高概率存在包括S.cerevisiae在内的具有高酒精发酵能力的酵母，且2周内就占到了整体的98%。
基于此，研究人员提出了在几乎不存在葡萄酒酵母的葡萄转化为葡萄干的过程中，葡萄酒酵母在果皮上生长的假设，并进行了验证实验。葡萄干是通过在实验室的无菌烤箱中干燥葡萄果实制作的，并用宏基因组分析研究了果皮中存在的微生物群。结果发现，在实验室内的葡萄干制作中，S.cerevisiae及其近缘种的酵母没有生长，仅在预先将少量S.cerevisiae人为附着在葡萄皮的情况下才观察到生长。由此可以推测，是来自周围环境或昆虫、鸟类等动物的外源葡萄酒酵母附着在葡萄皮上后，才形成了含有葡萄酒酵母的葡萄干。
为何葡萄酒酵母很难一直存在于葡萄皮上？在该研究中，研究人员从日本产的葡萄中分离出了一种典型的葡萄皮正常细菌，即名为Aureobasidium pullulans（出芽短梗霉）的真菌，并与许多葡萄酒酵母所属的S.cerevisiae进行了比较。
葡萄果实被带有坚硬细胞壁的果皮覆盖，最外侧由被称为角质层的脂质聚合物保护。虽然S.cerevisiae没有作用于细胞壁或角质层的能力，但A.pullulans会在细胞外分泌酶来分解细胞壁和角质层。
研究发现，尽管S.cerevisiae不能将细胞壁和角质层的分解产物作为营养源，但A.pullulans可以利用纤维二糖、半乳糖醛酸和ω-羟基棕榈酸等多种植物表面衍生成分作为单一碳源生长。特别是，本次是首次在葡萄皮中发现了能够利用角质层分解产物ω-羟基棕榈酸的微生物。
通过实验证明了葡萄酒酵母难以一直存在于葡萄皮中的原因是葡萄酒酵母无法分解细胞壁和角质层并将其作为自身的能量。
此外，研究人员还在模拟葡萄酒自然发酵过程的条件下进行了试验。首先，在基本培养基中添加了容易发酵的葡萄糖的条件下，研究了伴随酒精发酵的二氧化碳生成速度，结果发现，S.cerevisiae显示出高发酵能力，而A.cerevisiae则几乎没有表现出发酵能力。当混合培养两种微生物时，显示出与单独培养S.cerevisiae同等程度的二氧化碳生成速度。其次，在将没有伤痕的新鲜葡萄果实添加到基本培养基的条件下，发现S.cerevisiae与使用葡萄糖的情况相比，酒精发酵迟缓。虽然A.pullullans本身几乎没有表现出发酵能力，但与S.cerevisiae混合培养后，与S.cerevisiae单独培养的情况相比，明显表现出更高的二氧化碳生成速度。
从上述结果可以推测出，S.cerevisiae在获取葡萄果实内部糖分进行酒精发酵时，植物表层的细胞壁和角质层充当屏障，通过A.pullulans分解并消耗细胞壁和角质层，促进了S.cerevisiae对糖分的获取，并有助于酒精发酵。
此次研究表明了通过将葡萄制成葡萄干等过程使葡萄酒酵母适应葡萄皮的必要性。在这一适应过程中，展示了分析发酵原料（葡萄）、发酵微生物（葡萄酒酵母）和原本常居于原料中的正常细菌的3者间相互作用的意义。
桥本教授表示：“关于发酵和酿造的起源，存在多种难以证明的说法，但这项研究通过实验方法使逼近葡萄酒诞生之谜的发现成为可能。我们的研究是发现将原材料转换为发酵食品的微生物的力量、追寻人类脚步的旅程，对重新发现可应用于现代发酵技术的知识具有重要意义。”
渡边副教授表示：“进行酒精发酵的酵母是人类非常熟悉的微生物，但其生存方式仍然存在许多谜团。尽管该项研究证明了葡萄酒酵母并不常居于葡萄中，但却生出了其原本存在于哪里的新谜团。为阐明这一问题，今后我们将继续进行挑战。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Scientific Reports
论文：Adaptation of yeast Saccharomyces cerevisiae to grape-skin environment
DOI：10.1038/s41598-023-35734-z
