随机过程和确定性过程影响着强风味白酒中的微生物群落及其风味。这些白酒采用不同品种的小麦进行发酵制作

《Food Research International》：Stochastic and deterministic processes shape microbiota and flavors of strong-flavor Daqu made from different wheat varieties during fermentation

小麦品种差异对醅糟发酵微生物群落及风味化合物的影响研究。通过分析Mianmai 902、Chuanmai 93、Zhongke Mai 47三种小麦的理化特性及发酵过程中微生物动态，发现品种间显著差异导致细菌随机组装/真菌确定性组装的“双分化”模式，鉴定16个关键物种生物标志物和23种挥发性风味化合物，揭示微生物组装机制与小麦内在微生物及营养特性密切相关。

　　

余康杰|杨荣|黄慧玲|王双辉|何超久|黄丽雅|马毅|韩德军

西北农林大学农学院，中国陕西省杨陵市712100

摘要

小麦是制作大曲的主要原料，其品种特性直接影响大曲的微生物群落结构和发酵效果。目前，关于不同小麦品种在发酵过程中微生物群落形成机制及其与挥发性风味化合物关联的研究仍存在不足。本研究选取了四川江油的三个主要小麦品种（绵麦902、川麦93和中科麦47），在统一的栽培条件下分析了它们的物理化学性质及微生物组成，并系统研究了大曲发酵过程中的微生物演替和挥发性化合物的变化。结果表明，不同小麦品种在物理化学性质及初始微生物群落方面存在显著差异，这些差异进而影响了大曲的发酵特性。利用随机森林技术，在不同的大曲样品中检测到了16个生物标志物。共现网络分析显示，绵麦902的细菌群落网络最为紧密，而川麦93的真菌网络最为复杂，鉴定出44个关键物种。此外，还发现了23种不同的挥发性风味化合物。ICAMP模型表明，随机和确定性过程均影响大曲发酵过程中的微生物群落构建，表现出细菌-真菌组装的“二元分化”现象（细菌随机/真菌确定性）。不同品种之间的组装比例存在明显差异，其中大曲细菌群的随机组装过程中以生态漂变为主。小麦内生细菌Paenibacillus和Pseudomonas对大曲细菌群落的形成有显著影响，而小麦内生真菌Fusarium则对关键分类群有积极影响。同时，小麦的水分和支链淀粉含量对真菌群落的发育也起着关键作用。

引言

白酒作为世界六大蒸馏酒之一，具有独特的风味特征，可被分为强香型、酱香型、清香型、芝麻香型和特殊香型等多种类型（Wu等人，2022年）。其中，强香型白酒因其特有的窖香和醇厚甜美的风味而受到消费者的青睐，约占中国白酒市场份额的70%（Huang等人，2017年）。其独特的风味主要依赖于传统发酵剂——大曲，而大曲是由谷物原料制成的（Jin等人，2017年）。大曲作为关键的生化催化剂，提供了多样的微生物群落、酶系统和代谢底物，驱动发酵过程中的风味化合物生物合成和微生态演替（Wu等人，2021年）。

大曲传统上是在开放条件下通过自然固态发酵生产的。在此过程中，自然接种的微生物在高温度和湿度等极端环境下逐渐积累并形成复杂的群落，最终通过持续的微生物演替发展为成熟的大曲（Tang等人，2023年）。研究表明，随着发酵的进行，最初占优势的细菌和酵母（如Saccharomycetes）逐渐被耐热微生物（如Lactobacillus、Bacillus和嗜热菌种）所取代（Xiao等人，2017年）。多种因素驱动大曲中的微生物群落演替，包括气候条件（阳光、温度、湿度）和环境微生物来源（空气、水和生产表面），以及它们之间的复杂相互作用（Hao等人，2021年；Tan等人，2019年；Wang等人，2021年）。最新研究进一步强调了初始微生物组成（尤其是原料中的内生微生物群）在早期群落构建和后续演替模式中的关键作用（Du等人，2019年；Zhang等人，2021年；Zhang等人，2023年）。这些发现将研究视角从环境微生物影响扩展到了发酵底物的内在特性。

作为大曲生产的主要原料，小麦具有双重关键作用：它不仅为微生物生长提供必需的营养物质（如碳和氮源），还是初始微生物接种的关键载体，在发酵早期群落建立中起着关键作用（Zhou等人，2025年）。最新研究表明，来自小麦的好氧Bacillus物种显著增强了高温大曲中的淀粉酶活性，并调节群落结构以提高代谢效率（Zhang等人，2024年）。此外，主要来自小麦的功能性真菌（如Mycosphaerella、Aspergillus ruber和Alternaria）在初期培养阶段积极参与关键代谢途径（如糖异生和戊糖磷酸途径），对风味发展和微生物动态产生重要影响（Zhang等人，2022年）。这些发现共同强调了小麦在决定大曲质量方面的基础作用。小麦籽粒的微生物群落和理化性质受到遗传背景和农业生态条件的协同影响，品种因素的影响更为显著（Martínez-Pe?a等人，2023年）。值得注意的是，小麦品种对大曲的微生物组成和理化特性的影响远大于地理来源。品种差异不仅影响初始微生物接种，还可能深刻影响后续群落构建和功能表达，从而决定最终产品的质量属性（Hou等人，2023年）。然而，目前的大曲生产主要使用未经优化的小麦混合品种，导致产品质量不稳定。系统研究不同品种对大曲微生物群落结构和代谢功能的影响对于阐明发酵机制、实现精准原料选择和标准化生产过程至关重要。

从微生态学角度来看，大曲发酵过程中的微生物群落构建受到确定性和随机过程的共同作用。确定性过程由生物特性（如物种适应性、种间相互作用）和非生物因素（如温度、湿度、pH值）介导，表现为环境筛选。相比之下，随机过程包括随机生死事件、扩散限制和生态漂变（Chen & Wen，2021年；Jiao等人，2020年）。在以原料为基础的发酵系统中，微生物演替通常经历三个特征阶段：物种替换、功能转变和动态平衡（Guan等人，2021年）。解析这些组装机制对于提高发酵可控性和确保产品一致性具有重要的理论价值。目前的研究主要集中在控制大曲中微生物演替的过程参数（如温度、湿度）上，而在小麦品种依赖的微生物组装机制变化及其与风味代谢物形成的功能关联方面的系统研究仍存在较大知识空白。

因此，本研究选用了来自四川省江油市青莲镇的三个小麦品种（绵麦902、川麦93和中科麦47）作为原料来生产强香型大曲。我们系统地分析了小麦籽粒的质参数和内生微生物群落组成，以及大曲发酵过程中微生物群落结构和挥发性香气化合物的动态变化。通过整合生物信息学和多变量统计分析，我们确定了：（i）小麦中的优势微生物分类群，（ii）大曲中的生物标志物物种和关键微生物，以及（iii）它们与挥发性风味化合物的功能关联。此外，我们建立了iCAMP（基于系统发育箱的零模型分析推断群落组装机制）框架，以阐明大曲发酵过程中的微生物群落组装机制。

植物材料

本研究使用的小麦品种——绵麦902（MM902）、川麦93（CM93）和中科麦47（ZKM47）由四川成都的Xike农业集团有限公司提供。所有品种均在四川省江油市的青莲镇实验基地（31°77′N，104°75′E）进行栽培，并于2024年5月收获。实验设计采用随机区组排列，每个小麦品种种植在2英亩的标准地块上。所有田间管理措施均按照标准进行，包括播种

不同小麦品种的物理化学特性和微生物组多样性的比较分析

三个小麦品种在物理化学性质上存在显著差异（表S2）。绵麦902的含水量最高（13.91%），显著高于川麦93（P<0.05）。其蛋白质含量（127.16 mg/g）与川麦93相当，但高于中科麦47（P<0.05），脂肪含量（1.89%）也显著更高（P<0.05）。绵麦902的湿面筋含量（25.12%）与川麦93相似，但高于中科麦47（P<0.05）。在淀粉组成方面，绵麦902的含量最高

讨论

作为大曲发酵的基本原料，小麦的固有微生物群落和营养特性对最终产品的质量和风味特征具有决定性影响。本研究表明，即使在相同的栽培条件和农艺管理下，不同小麦品种在物理化学性质和微生物组成上也存在显著差异，这突显了遗传因素对原料的重要影响

结论

本研究通过对三种不同小麦品种的系统性研究，提供了关于强香型大曲发酵过程中微生物群落构建和风味形成机制的全面见解。我们的分析表明，微生物群落的构建涉及随机（以细菌为主）和确定性（以真菌为主）过程，其中来自小麦的微生物群（包括Paenibacillus、Pseudomonas、Fusarium和Sporobolomyces）与关键因素相互作用

CRediT作者贡献声明

余康杰：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，数据可视化，实验设计，正式分析。杨荣：实验设计。黄慧玲：实验实施。王双辉：方法学研究。何超久：资源获取。黄丽雅：资源管理。马毅：项目管理和资金申请。韩德军：项目监督和资源协调。

资助

本研究得到了四川省重大科技计划（2022ZDZX0016）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。