專(zhuān)家解析 | 探究白酒制曲過(guò)程中的微生物相互作用

 

　　我國(guó)釀造食品（白酒、黃酒等）生產(chǎn)通常以曲作為發(fā)酵劑，以實(shí)現(xiàn)糖化和發(fā)酵的同步進(jìn)行，該特點(diǎn)是東方釀造區(qū)別于西方釀造的典型特征之一。我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)明了許多不同用途和特點(diǎn)的曲，釀造出了品種繁多的各色酒類(lèi)。曲的制作以谷物作為培養(yǎng)基質(zhì)在合適的條件下從釀造環(huán)境中富集微生物，并逐步形成獨(dú)特的“菌系-酶系-物系”為一體的微生態(tài)系統(tǒng)。我國(guó)傳統(tǒng)的制曲技術(shù)蘊(yùn)含著許多科學(xué)道理有待深入解析，如“曲中微生物群落和酶系的組成特征、演替規(guī)律和代謝功能是什么？”“制曲過(guò)程中微生物成員間及其與環(huán)境的相互作用機(jī)制是什么”“傳統(tǒng)生產(chǎn)中微生物群落形成及代謝產(chǎn)酶的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是什么？”以及“如何構(gòu)建合成群落復(fù)刻原位菌群的代謝特征？”等。

 

　　長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)研究表明，外部環(huán)境因子與內(nèi)部微生物相互作用是共同維系制曲微生態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵要素，調(diào)節(jié)與控制該系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)曲的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用，對(duì)后續(xù)釀造過(guò)程具有重要影響。近年來(lái)蓬勃發(fā)展起來(lái)的微生物組學(xué)技術(shù)在制曲微生態(tài)研究上取得了一系列重要進(jìn)展，比如不同曲中微生物群落組成及形成機(jī)制研究，揭示了制作工藝、發(fā)酵環(huán)境和地理生態(tài)等因素對(duì)功能微生物菌群的選擇作用，明確了外部環(huán)境因子對(duì)制曲過(guò)程中微生物群落形成及代謝的影響（圖1）。相對(duì)外部環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)作用，2022年12月，北京工商大學(xué)孫寶國(guó)院士團(tuán)隊(duì)王柏文、孫金沅、郝慧宜等在國(guó)際食品科技期刊《國(guó)際食品微生物學(xué)雜志》（International Journal of Food Microbiology）（1區(qū)，IF: 5.911）發(fā)表了題為“中國(guó)白酒發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)化合物介導(dǎo)的內(nèi)源性微生物相互作用”（Volatile organic compounds mediated endogenous microbial interactions in Chinese baijiu fermentation）的研究論文，介紹了白酒制曲過(guò)程中功能微生物的互作機(jī)制及潛在調(diào)控策略，探討了群落內(nèi)部相互作用對(duì)維持制曲微生態(tài)穩(wěn)定的影響。

 

　　圖1 不同曲中微生物群落結(jié)構(gòu)（A）、功能微生物（B）及群落形成機(jī)制（C）

 

　　該論文的研究?jī)?nèi)容包括如下方面：（1）采用擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)揭示了該過(guò)程中微生物群落組成及演替規(guī)律，進(jìn)而結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析明確了原位體系中功能微生物之間的相互作用；（2）以原位體系分離純化的功能微生物為對(duì)象，采用雙碟法結(jié)合非接觸培養(yǎng)模式，驗(yàn)證了各微生物成員間的相互作用；（3）在單菌培養(yǎng)模式下鑒定供體微生物產(chǎn)生的主要揮發(fā)性有機(jī)化合物，再依次擾動(dòng)受體微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而基于受體微生物的生長(zhǎng)情況確定具有顯著影響的化合物；（4）采用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)比較分析了在化合物擾動(dòng)與非擾動(dòng)模式下受體微生物的代謝差異，以關(guān)鍵化合物在微生物細(xì)胞間的感應(yīng)與通訊機(jī)制。上述研究表明：微生物釋放豐度的揮發(fā)性有機(jī)化合物，在微生物種內(nèi)或種間的遠(yuǎn)程互動(dòng)或交流中扮演重要角色；這些物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞壁或細(xì)胞膜擴(kuò)散，影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng)或代謝，以促進(jìn)成員間的協(xié)同生長(zhǎng)（圖2）。該研究也提供了一種潛在策略，通過(guò)調(diào)節(jié)體系內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物以干預(yù)制曲過(guò)程中功能微生物的生長(zhǎng)或代謝，有待深入研究。

 

 

　　圖2 白酒制曲過(guò)程中的微生物相互作用研究

 

　　當(dāng)前傳統(tǒng)制曲技術(shù)依然較多采用開(kāi)放式、自然式的發(fā)酵方式，其制曲的品質(zhì)均一性與批次穩(wěn)定性一直受到挑戰(zhàn)。然而，面對(duì)制造業(yè)和勞動(dòng)力成本上升的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)自然發(fā)酵的制備方式已不能滿(mǎn)足當(dāng)前快速工業(yè)發(fā)展的需求以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的期待，生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化改革之路勢(shì)在必行。從上世紀(jì)的可培養(yǎng)分析到當(dāng)前的微生物組學(xué)研究，已積累了豐富的知識(shí)，明確了傳統(tǒng)曲中的關(guān)鍵功能微生物或酶，并從外部環(huán)境因子和內(nèi)部微生物互作等角度揭示制曲微生態(tài)下群落形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。然而，受復(fù)雜工藝流程、品控與生產(chǎn)力的波動(dòng)性影響，優(yōu)質(zhì)曲的標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化生產(chǎn)，依然是一個(gè)不容易實(shí)現(xiàn)的改革過(guò)程。相信隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與新型生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，優(yōu)質(zhì)發(fā)酵劑的從頭設(shè)計(jì)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)必將實(shí)現(xiàn)，以保證釀造食品的品質(zhì)均一性及食品安全。

 

　　圖3 制曲研究的趨勢(shì)及策略

 

　　論文鏈接：

 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168160522004275?via%3Dihub#f0005

 

　　https://www.researchgate.net/publication/357928510_Chinese_Baijiu_-_Finding_a_channel_to_design_a_defined_starter_culture

 

　　以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（32102119）和中國(guó)酒業(yè)協(xié)會(huì)白酒技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略發(fā)展委員會(huì)第四期科研項(xiàng)目的支持。