儘管葡萄酒被認爲在新石器時代已經存在，但關於人類是如何開始釀造葡萄酒的，仍存在許多謎團。通常的說法是，葡萄酒原料的葡萄的果皮中存在能夠進行酒精發酵的葡萄酒酵母，在葡萄榨汁程序中，葡萄酒酵母進入果汁中並自發地開始酒精發酵。然而，近年來的精密分析結果表明，沒有傷痕的葡萄皮不具備酒精發酵能力，或者只有少量的常居菌。京都大學研究生院農學研究科的渡邊大輔副教授（現爲奈良先端科學技術大學院大學副教授）和橋本涉教授在實驗室中成功再現了葡萄酒酵母對葡萄皮的適應程序。相關成果已發表在《Scientific Reports》上。
圖1. 「葡萄乾酵母」的製作（左）和宏基因體分析（右）示意圖（供圖：京都大學）
研究團隊首先着眼於傳統自制麪包中使用的葡萄乾酵母。麪包酵母與葡萄酒酵母相同，也是一種名爲S.cerevisiae（釀酒酵母）的微生物，透過酒精發酵產生的二氧化碳氣體使麪包麪糰膨脹。在不易獲得麪包酵母的時代，將葡萄果實乾燥後製成的葡萄乾中加水並保溫幾天製作的葡萄乾酵母被用作麪包發酵劑。
用市售的葡萄乾製作葡萄乾酵母，對其微生物羣進行宏基因體分析後表明，葡萄乾中高機率存在包括S.cerevisiae在内的具有高酒精發酵能力的酵母，且2周内就佔到了整體的98%。
基於此，研究人員提出了在幾乎不存在葡萄酒酵母的葡萄轉化爲葡萄乾的程序中，葡萄酒酵母在果皮上成長的假說，並進行了驗證實驗。葡萄乾是透過在實驗室的無菌烤箱中枝燥葡萄果實製作的，並用宏基因體分析研究了果皮中存在的微生物羣。結果發現，在實驗室内的葡萄乾製作中，S.cerevisiae及其近緣種的酵母沒有成長，僅在預先將少量S.cerevisiae人爲附着在葡萄皮的情況下才觀察到成長。由此可以推測，是來自週遭環境或昆蟲、鳥類等動物的外源葡萄酒酵母附着在葡萄皮上後，才形成了含有葡萄酒酵母的葡萄乾。
爲何葡萄酒酵母很難一直存在於葡萄皮上？在該研究中，研究人員從日本產的葡萄中分離出了一種典型的葡萄皮正常細菌，即名爲Aureobasidium pullulans（出芽短梗黴）的真菌，並與許多葡萄酒酵母所屬的S.cerevisiae進行了比較。
葡萄果實被帶有堅硬細胞壁的果皮覆蓋，最外側由被稱爲角質層的脂質聚合體保存。雖然S.cerevisiae沒有作用於細胞壁或角質層的能力，但A.pullulans會在細胞外分泌酶來分解細胞壁和角質層。
研究發現，儘管S.cerevisiae不能將細胞壁和角質層的分解產物作爲營養源，但A.pullulans可以利用纖維雙醣、半乳糖醛酸和ω-羥基棕櫚酸等多種植物表面衍生成分作爲單一碳源成長。特別是，本次是首次在葡萄皮中發現了能夠利用角質層分解產物ω-羥基棕櫚酸的微生物。
透過實驗證明瞭葡萄酒酵母難以一直存在於葡萄皮中的終極因數是葡萄酒酵母無法分解細胞壁和角質層並將其作爲自身的能量。
此外，研究人員還在類比葡萄酒自然發酵程序的條件下進行了試驗。首先，在基本培養基中添加了容易發酵的葡萄糖的條件下，研究了伴隨酒精發酵的二氧化碳生成速度，結果發現，S.cerevisiae顯示出高發酵能力，而A.cerevisiae則幾乎沒有表現出發酵能力。當混合培養兩種微生物時，顯示出與單獨培養S.cerevisiae同等程度的二氧化碳生成速度。其次，在將沒有傷痕的新鮮葡萄果實添加到基本培養基的條件下，發現S.cerevisiae與使用葡萄糖的情況相比，酒精發酵遲緩。雖然A.pullullans本身幾乎沒有表現出發酵能力，但與S.cerevisiae混合培養後，與S.cerevisiae單獨培養的情況相比，明顯表現出更高的二氧化碳生成速度。
從上述結果可以推測出，S.cerevisiae在獲取葡萄果實内部糖分進行酒精發酵時，植物表層的細胞壁和角質層充當屏障，透過A.pullulans分解並消耗細胞壁和角質層，促進了S.cerevisiae對糖分的獲取，並有助於酒精發酵。
此次研究表明了透過將葡萄製成葡萄乾等程序使葡萄酒酵母適應葡萄皮的必要性。在這一適應程序中，展示了分析發酵原料（葡萄）、發酵微生物（葡萄酒酵母）和原本常居於原料中的正常細菌的3者間相輔作用的意義。
橋本教授表示：「關於發酵和釀造的起源，存在多種難以證明的說法，但這項研究透過實驗方法使逼近葡萄酒誕生之謎的發現成爲可能。我們的研究是發現將原料轉換爲發酵食品的微生物的力量、追尋人類腳步的旅程，對重新發現可應用於現代發酵技術的知識具有重要意義。」
渡邊副教授表示：「進行酒精發酵的酵母是人類非常熟悉的微生物，但其生存方式仍然存在許多謎團。儘管該項研究證明了葡萄酒酵母並不常居於葡萄中，但卻生出了其原本存在於哪裏的新謎團。爲闡明這一問題，今後我們將繼續操作進行挑戰。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Scientific Reports
論文：Adaptation of yeast Saccharomyces cerevisiae to grape-skin environment
DOI：10.1038/s41598-023-35734-z
