2020-03-17 14:19:42 吳知吳知

双乙酰的前驱体α-乙酰乳酸（α-acetolactate）是缬氨酸的生物合成（Valine Biosynthesis）过程的产物。α-乙酰乳酸转化为双乙酰的过程，是一种非酶促氧化脱羧反应（non-enzymatic oxidative decarboxylation）。

在常温下，酵母会消耗双乙酰合成闻味阈值较高的2,3-丁二醇（2,3-Butanediol）。这个过程主要分两步：

双乙酰转化为乙偶因（Acetoin）
乙偶因转化为2,3-丁二醇（酶促反应）

在了解了双乙酰的合成和降解过程后，我们从生物技术方面来了解一下如何抑制双乙酰在啤酒中的影响。

缬氨酸生物合成条件与步骤

缬氨酸用于蛋白质的生物合成，在营养学上，它是人类的必需氨基酸。当然，对于酵母也不例外。在酵母生长过程中，缬氨酸是必要的氨基酸，酵母会持续合成。

缬氨酸的生物合成

要了解双乙酰的生物合成，必须要回归到缬氨酸的生物合成（Valine Biosynthesis）的整个过程：

丙酮酸（Pyruvate）在由ILV2基因（其中角色为催化亚基，提供酶的催化功能）和ILV6基因（其中角色为调节亚基，负责酶的活性）共同编码成乙酰乳酸合成酶（α-acetolactate Synthase）作用下
，合成α-乙酰乳酸，并释放二氧化碳。
第二步，由α-乙酰乳酸转化为2,3-二羟基异戊酸（2,3-dihydroxy-isovalerate）。该反应需要NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原形式，反应中的辅酶，NADPH经常参与到各种生物合成中，作为反应中的还原剂）和带正电荷的氢离子参与反应。通过由ILV5基因编码的乙酰羟酸还原异构酶（acetohydroxyacid reductoisomerase）作用，合成2,3-二羟基异戊酸并释放NADPH的氧化形式NADP+。
第三步。2,3-二羟基异戊酸在由ILV3基因编码的二羟酸脱水酶（dihydroxy-acid dehydratase）作用，转化为2-酮异戊酸（2-keto-isovalerate），并释放水分子。
第四步。2-酮异戊酸转化为缬氨酸，需要L-谷氨酸（ L-glutamate）（谷氨酸一般存在麦芽汁的游离氨基酸里）参与反应，最终释放缬氨酸和2-氧戊二酸盐（2-oxoglutarate）。其中需要有BAT2编码的支链氨基酸转氨酶（branched-chain amino acid transaminase）和BAT1编码的支链氨基酸氨基转移酶（branched-chain amino acid aminotransferase）参与到其中。

乙偶因的生物合成

除此之外，再了解下乙偶因的生物合成（Acetoin Biosynthesis）过程：

α-乙酰乳酸转化为双乙酰，提到这是一个非酶促氧化脱羧反应。在较高的温度和低pH值条件下，会自然地反应。
双乙酰转化为乙偶因。这个过程，可以理解为有发酵液/麦芽汁中的游离双乙酰，重新被细胞利用。通过BDH1基因编码的双乙酰还原酶(Diacetyl Reductase)，双乙酰，在NADH辅酶参与反应下，转化为乙偶因和NAD。

在了解以上的过程后，其实可以了解到，关乎α-乙酰乳酸的生物合成部分，只占缬氨酸的生物合成的前两步。第一步合成，第二步就降解。在某些工业啤酒生产线上，需要维持一直的低温，做双乙酰休止似乎并不实际。所以减少双乙酰的产生，就一定要解决α-乙酰乳酸的问题。在生物应用上，会采用三种方式：提高最终产物含量、添加各种酶、基因工程。

生物干预手段

提高最终产物含量

提高最终产物含量，可以简单理解为，为酵母提供一个有足够的缬氨酸的发酵环境。论文《Influence of valine and other amino acids on total diacetyl and 2,3-pentanedione levels during fermentation of brewer’s wort》中指出添加了缬氨酸的对照组比控制组产生更少的双乙酰。

添加不同浓度的缬氨酸，对双乙酰的影响

同时该论文还指出，当在减弱的FAN（Free Amino Nitrogen，游离氨基氮，是形容发酵环境中所含氨基酸含量的标准）环境中添加缬氨酸效果更明显。原因是FAN中，含有比缬氨酸摄取率（Uptake rate）更高的其他氨基酸，尽管酵母会一直生产缬氨酸，但是在生长期的12小时后才会是缬氨酸的快速吸收期。