金属离子对酿酒酵母的毒性机制：甘蔗糖蜜乙醇发酵的生理与转录组学整合研究

《Food Bioscience》：Toxicity Mechanisms of Metal Ions in Sugarcane Molasses to Saccharomyces cerevisiae: Integrated Physiological and Transcriptomic Insights

本研究通过外源离子添加结合理化表征与转录组分析，系统揭示了甘蔗糖蜜中金属离子（K+/Ca2+）抑制酿酒酵母的毒性机制。研究发现金属胁迫导致酵母生物量下降（最高26.45%）、残糖积累（达对照7.18倍）及乙醇产量降低（最高68.3%），并通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和转录组学揭示了细胞结构损伤、海藻糖/甘油积累及核糖体功能（rRNA加工）、乙酰辅酶A（acetyl-CoA）通量、内质网相关降解（ERAD）-泛素蛋白酶体系统（UPS）等关键通路紊乱的分子机制。

　　

Highlight

甘蔗糖蜜中金属离子组成及其对酿酒酵母生长的影响

甘蔗糖蜜中的金属离子通常来源于农业施肥、糖加工及预处理阶段。热酸消解后，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析显示样本中含有58种金属元素（表1），其中大多数以痕量水平存在。K⁺（15.64 g/L）、Ca²⁺（8.17 g/L）和Mg²⁺（2.76 g/L）是主要离子。

适量的金属离子可通过调节膜通透性来稳定线粒体功能，但过量的金属离子会引发毒性反应。

结论

通过整合生理学和转录组学分析，本研究阐明了甘蔗糖蜜中金属离子对酿酒酵母的毒性机制。我们证明K⁺、Ca²⁺和混合离子（Mix）胁迫显著抑制蔗糖水解和葡萄糖/果糖利用，从而损害细胞生长和乙醇代谢。Ca²⁺的抑制作用强于K⁺，而Mix处理则产生了超越单一离子叠加效应的协同毒性。