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專家解析｜小麥源微生物在高溫大曲制曲過程中的遷移規律和作用機制

2023-05-24 08:58:43 來源：中國酒業協會CADA微信號 閱讀量：5359

　　眾所周知，在釀酒過程中，“曲”對最終酒體的品質有著舉足輕重的影響，所謂“曲為酒之骨”，大曲作為白酒的糖化發酵劑歷史悠久，至今仍具有無法替代的作用。其制作過程通常采用開放式的自然接種形式，原料和環境微生物的參與形成了復雜獨特的微生物群落，對白酒風味的形成具有重要意義。
 
　　小麥源微生物菌群在制曲過程中對高溫大曲微生物群落的組裝和風味物質的形成至關重要。影響小麥源微生物群落結構組成的因素有很多，如產區環境、病害感染、生物農藥和微生物菌劑的使用等。近年來，研究人員采用多種方法對大曲微生物多樣性及微生物群落結構演替規律展開研究。但原料源功能微生物在制曲過程中的遷移演變規律及其對大曲品質特征的影響尚不清楚。基于此，中國農業大學的韓北忠教授團隊在項目中擬基于菌系、物系和酶系多層面揭示原料源功能微生物在強化大曲中的應用潛力，為建立原料選用標準和提高大曲品質奠定理論基礎，也為實現傳統固態發酵工業化和標準化提供技術支持。
 
　　韓北忠教授團隊對原料小麥和制曲過程中不同階段的大曲樣本進行了微生物傳統培養法和高通量測序結合分析。同時進行揮發性和非揮發性代謝物的分析，結合微生物分析結果進行關聯網絡分析，挖掘重要微生物的代謝特征，表征微生物與風味物質之間的關系，討論微生物在制曲過程中的代謝功能，從更客觀的角度闡明小麥源微生物對大曲菌群和代謝物的貢獻。主要結果如圖1所示，小麥源細菌群落中相對豐度較高的主要有葡萄球菌屬、泛菌屬、伯克氏菌屬和糖多胞菌屬。現有報道顯示，伯克氏菌屬中部分菌株可用做生物農藥，抑制爛穗現象的發生。由此可見，小麥源微生物與小麥生長環境和狀況密切相關。由于高溫大曲制曲培菌過程高溫篩選，芽孢桿菌屬和嗜熱放線菌屬在制曲培菌后期占較高相對豐度。但整個制曲培菌過程中小麥源的細菌，如嗜熱放線菌屬和葡萄球菌屬與大部分非揮發性代謝物的相關性趨勢相反，而泛菌屬和糖多孢菌屬與揮發性代謝物的相關性相反。說明小麥源的細菌對高溫大曲中代謝物的積累有重要作用，這與后續參與到釀酒過程中的物系、菌系和酶系密切相關。
 
　　通過在實驗室水平下模擬車間高溫大曲的制曲培菌過程，以是否去除小麥源微生物為唯一變量，比較對照組和實驗組培菌過程中可培養微生物數量、群落演替、代謝物積累和代謝通路表達的差異，全面直觀地闡述小麥源微生物在培菌過程中的功能作用，并篩選其中發揮最關鍵功能的小麥源核心菌屬，發掘核心微生物的代謝功能，旨在從控制微生物的角度優選原料，調節和優化高溫大曲培菌過程。
 
　　結果顯示在模擬制曲的中后期，芽孢桿菌屬成為了微生物群落結構中的絕對優勢菌，但兩組芽孢桿菌在種水平上差異較大(圖2)，且整個模擬制曲培菌過程中糖、酸、醇、氨基酸類代謝物的含量具有顯著差異(圖3)，有小麥源微生物參與的實驗組芽孢桿菌種水平的多樣性高于滅菌組，糖、酸、醇、氨基酸類代謝物的含量也顯著高于滅菌組。這說明，小麥源芽孢桿菌在制曲培菌過程中起著十分重要的作用，與芽孢桿菌直接相關的糖類和氨基酸類代謝物是制曲過程中重要的美拉德反應的底物，也是后續釀造過程中白酒風味物質產生的重要底物。
 
　　本研究通過多組學分析剖析了高溫大曲培菌過程中小麥源核心微生物和核心代謝功能，并通過有效的驗證實驗證明，小麥源微生物對大曲微生物群落演替和代謝物累積有重要的影響，小麥源芽孢桿菌在制曲培菌初期發揮了重要的作用。同時在研究過程中篩選出了一批發酵性能優良的芽孢桿菌菌株，但由于生產過程中使用的原料小麥攜帶的微生物組成存在差異，因此功能菌株的應用條件還有待完善。
 
　　關于制曲原料的研究除了原料源微生物，原料自身的組分對高溫大曲品質的影響也十分重要。團隊前期的研究表明原料中蛋白質的含量和氨基酸組成、淀粉含量和直鏈支鏈淀粉比例對制曲過程中微生物組和代謝物組有重要影響，后續應進一步挖掘小麥源芽孢桿菌的代謝機制，為完善制曲原料小麥的相關標準提供理論依據，也為提升大曲品質的穩定性和制曲生產的智能化推進奠定基礎。
 
　　作者： 韓北忠教授

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