酿酒酵母是乙醇发酵的小型生物反应器,但在发酵过程中会遇到抑制细胞生长和代谢的多种胁迫因子,这些因子影响细胞的生长进而影响乙醇的产量和生产效率。监测乙醇发酵过程酵母细胞的代谢变化,可以了解胁迫对细胞的影响以及细胞如何应对逆境胁迫,进而发展提高酵母发酵性能的新策略。然而,使用基于质谱的传统代谢组学分析技术来研究酵母细胞的代谢变化,不仅耗时耗力,而且通常得到的是大量细胞的平均信息,掩盖了单个细胞之间的基本差异。众所周知,在逆境条件下,群体中的微生物细胞可能会表现出异质性,即单个细胞的反应是不同的。因此,有必要使用单细胞技术来分析酵母细胞的代谢变化,以进一步了解酿酒酵母的抗逆机制。拉曼光谱是一种强大的分析技术,可以获取物质的分子组成和化学结构信息,并被广泛用于代谢组学研究。拉曼镊子（Raman tweezers）也称为激光镊子拉曼光谱（LTRS）,是激光镊子与显微拉曼的结合,融合了无接触光学操控和拉曼分析的优势,可以捕获悬浮在水溶液中的单个微生物细胞,并进行快速无损的实时检测。相比于传统的拉曼光谱技术,更适用于单细胞分析。但由于来自生物样品的众多分子（如蛋白质、核酸、脂类、多糖等）会产生多个重叠峰,要从单细胞拉曼光谱中识别和定量特定生物大分子依然是一项极具挑战性的任务。应用多元曲线分辨算法对单细胞的拉曼光谱进行分解,是一种有效的方法。允许在没有任何先验信息的条件下,提供相关成分的纯光谱及其在单个细胞中的相对浓度。因此,本文应用拉曼镊子采集了不同时段的大量单个酵母细胞的拉曼光谱,结合多元曲线分辨（MCR）算法,研究了不同乙醇发酵过程酵母单细胞的代谢变化,以期进一步了解酵母细胞的抗逆机制。（1）应用多元曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）,从数据挖掘的角度解析高浓度乙醇发酵过程酵母单细胞的光谱数据集。以期提取出与特定生物分子相关的光谱及其浓度曲线,进一步了解酿酒酵母乙醇发酵过程的代谢进程与适应机制。结果,MCR-ALS在没有任何先验信息的条件下,成功的从光谱数据矩阵中提取出了与磷脂、三酰甘油、蛋白质等生物大分子相关的光谱及其浓度曲线。发现,随着乙醇的不断积累,到了发酵后期,细胞中磷脂类物质的含量会有所下降。显示高浓度的乙醇会影响酵母细胞膜的结构,增加膜的通透性。为了应对乙醇胁迫,酵母细胞会增加三酰甘油的积累,并大量合成一种结构特殊的蛋白。但不同细胞应对乙醇胁迫的反应机制存在异质性。表明拉曼镊子结合MCR-ALS,可以作为一种强大的工具,用于快速分析乙醇发酵过程酵母单细胞的代谢变化,有助于认识酵母逆境发酵过程的代谢异质性和抗逆机制。（2）为了进一步了解耐乙醇菌株对乙醇耐受背后的分子基础,应用拉曼镊子结合MCR-ALS算法分析了工业菌株Bp1、实验室菌株INVSc1和W303a三个菌株乙醇发酵过程的代谢变化。结果发现,乙醇发酵性能较好、耐受性较高的Bp1菌株会增加麦角甾醇的含量和三酰甘油的积累,以赋予细胞更高的乙醇耐受性;同时,不同生物大分子在Bp1细胞间的含量相对均一,而INVSc1和W303a菌株的胞间异质性比较大,显示出细胞异质性对菌株的发酵性能和发酵效率有重要的影响。（3）利用非负矩阵分解（NMF）算法对高渗胁迫下酵母乙醇发酵过程的单细胞拉曼光谱数据集,进行了数据挖掘。结果发现,在山梨醇营造的高渗胁迫条件下,酵母细胞会增加磷脂、蛋白质、三酰甘油的含量,以应对高渗胁迫。另外,在发酵前期,细胞间的异质性,也随着山梨醇浓度的增加而增大。显示出增大细胞间的表型异质性可能也是酵母适应逆境的一种细胞保护策略。这些结果证明了拉曼镊子结合NMF算法也可用于探究酵母逆境发酵过程的抗逆机制与代谢异质性,并具有较好的应用前景。（4）应用拉曼镊子结合NMF算法分析了工业菌株Bp1与实验菌株INVSc1在钠盐营造的高渗胁迫下进行乙醇发酵的代谢差异。结果发现,在钠盐胁迫下,INVSc1菌株会增加磷脂类、蛋白质和多糖等物质的合成。而面对同样的逆境,乙醇发酵性能较好、胁迫耐受性较高的Bp1菌株会增加蛋白质和多糖物质的合成。显示出乙醇耐受性不同的菌株对钠盐胁迫的适应机制也有所不同。因此,可通过拉曼镊子结合NMF算法比较不同菌株在钠盐胁迫下进行乙醇发酵的代谢差异,来实现对具有较强乙醇耐受性的酵母菌株的快速筛选。