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专家解析 | 探究白酒制曲过程中的微生物相互作用

一直以来,中国白酒始终以科技创新作为产业发展的不竭动力,众多新研究成果的涌现,不断开拓对白酒新的认知深度与广度,北京工商大学酿酒工程系在国际食品科技期刊发表论文,对白酒制曲过程中的微生物相互作用进行探索,在探寻白酒之秘的道路上更进一程。

我国酿造食品(白酒、黄酒等)生产通常以曲作为发酵剂,以实现糖化和发酵的同步进行,该特点是东方酿造区别于西方酿造的典型特征之一。我国劳动人民在长期的生产实践中,发明了许多不同用途和特点的曲,酿造出了品种繁多的各色酒类。曲的制作以谷物作为培养基质在合适的条件下从酿造环境中富集微生物,并逐步形成独特的“菌系-酶系-物系”为一体的微生态系统。我国传统的制曲技术蕴含着许多科学道理有待深入解析,如“曲中微生物群落和酶系的组成特征、演替规律和代谢功能是什么?”“制曲过程中微生物成员间及其与环境的相互作用机制是什么”“传统生产中微生物群落形成及代谢产酶的驱动机制是什么?”以及“如何构建合成群落复刻原位菌群的代谢特征?”等。

长期生产实践与科学研究表明,外部环境因子与内部微生物相互作用是共同维系制曲微生态稳定的关键要素,调节与控制该系统的稳定性对曲的质量起着关键作用,对后续酿造过程具有重要影响。近年来蓬勃发展起来的微生物组学技术在制曲微生态研究上取得了一系列重要进展,比如不同曲中微生物群落组成及形成机制研究,揭示了制作工艺、发酵环境和地理生态等因素对功能微生物菌群的选择作用,明确了外部环境因子对制曲过程中微生物群落形成及代谢的影响(图1)。相对外部环境因子的驱动作用,2022年12月,北京工商大学孙宝国院士团队王柏文、孙金沅、郝慧宜等在国际食品科技期刊《国际食品微生物学杂志》(International Journal of Food Microbiology)(1区,IF: 5.911)发表了题为“中国白酒发酵过程中挥发性有机化合物介导的内源性微生物相互作用”(Volatile organic compounds mediated endogenous microbial interactions in Chinese baijiu fermentation)的研究论文,介绍了白酒制曲过程中功能微生物的互作机制及潜在调控策略,探讨了群落内部相互作用对维持制曲微生态稳定的影响。

  图1 不同曲中微生物群落结构(A)、功能微生物(B)及群落形成机制(C)该论文的研究内容包括如下方面:(1)采用扩增子测序技术揭示了该过程中微生物群落组成及演替规律,进而结合统计学分析明确了原位体系中功能微生物之间的相互作用;(2)以原位体系分离纯化的功能微生物为对象,采用双碟法结合非接触培养模式,验证了各微生物成员间的相互作用;(3)在单菌培养模式下鉴定供体微生物产生的主要挥发性有机化合物,再依次扰动受体微生物的生长,进而基于受体微生物的生长情况确定具有显著影响的化合物;(4)采用转录组学技术比较分析了在化合物扰动与非扰动模式下受体微生物的代谢差异,以关键化合物在微生物细胞间的感应与通讯机制。上述研究表明:微生物释放丰度的挥发性有机化合物,在微生物种内或种间的远程互动或交流中扮演重要角色;这些物质通过细胞壁或细胞膜扩散,影响微生物细胞生长或代谢,以促进成员间的协同生长(图2)。该研究也提供了一种潜在策略,通过调节体系内挥发性有机化合物以干预制曲过程中功能微生物的生长或代谢,有待深入研究。

  图2 白酒制曲过程中的微生物相互作用研究当前传统制曲技术依然较多采用开放式、自然式的发酵方式,其制曲的品质均一性与批次稳定性一直受到挑战。然而,面对制造业和劳动力成本上升的挑战,传统自然发酵的制备方式已不能满足当前快速工业发展的需求以及对产品质量的期待,生产的标准化和现代化改革之路势在必行。从上世纪的可培养分析到当前的微生物组学研究,已积累了丰富的知识,明确了传统曲中的关键功能微生物或酶,并从外部环境因子和内部微生物互作等角度揭示制曲微生态下群落形成的驱动机制。然而,受复杂工艺流程、品控与生产力的波动性影响,优质曲的标准化、现代化生产,依然是一个不容易实现的改革过程。相信随着经济的快速发展与新型生物技术的开发应用,优质发酵剂的从头设计到标准化生产必将实现,以保证酿造食品的品质均一性及食品安全。

  图3 制曲研究的趋势及策略 以上工作得到了国家自然科学基金(32102119)和中国酒业协会白酒技术创新战略发展委员会第四期科研项目的支持。