从小麦到大曲：通过小麦的物理化学特性和微生物群来调控和预测大曲中的最终风味化合物

《Food Bioscience》：From Wheat to Daqu: regulating and predicting final flavor compounds in Daqu through physicochemical traits and microbiota of wheat

小麦理化特性与原微生物群对Daqu发酵中微生物群落及风味化合物的影响机制研究，通过3种小麦品种的对比分析，揭示了淀粉、蛋白质等关键理化指标及源自小麦的细菌（如Lactobacillus、Acinetobacter）和真菌（如Aspergillus）群落在发酵过程中对微生物动态及酯类、吡嗪等风味物质的调控作用，并建立了基于机器学习的风味多样性预测模型。

　　

王成婷|王佳辉|郑一夫|何炳豪|莫凯|吴群

教育部工业生物技术重点实验室，国家食品科学与资源重点实验室，江南大学生物技术学院，中国无锡214122

摘要

小麦是用于发酵“大曲”的主要原料，“大曲”是生产白酒的发酵剂。然而，小麦对“大曲”发酵过程中微生物群和风味化合物的影响仍不明确。本研究利用3种不同的小麦品种，探讨了小麦的理化特性和微生物群对“大曲”发酵的影响，特别是对风味化合物生成的影响。研究共鉴定出10个细菌属和1个真菌属与风味化合物生成相关。此外，小麦的理化特性（粗脂肪、还原糖、直链淀粉、支链淀粉、麦谷蛋白、球蛋白和白蛋白的含量）以及源自小麦的微生物群（如不动杆菌属、乳植物杆菌属、乳杆菌属、利莫西乳杆菌属、假单胞菌属、糖多孢菌属、链霉菌属、热放线菌属、魏氏酵母属和皮克酵母属）被确定为影响“大曲”发酵过程中关键微生物群丰度的关键因素。结构方程建模表明，小麦的理化特性和微生物群对发酵过程中的关键微生物群具有影响，从而决定了“大曲”中风味化合物的形成。基于这些关键因素，建立了预测模型来预测“大曲”中最终风味化合物的多样性。这些结果强调了利用原料特性预测发酵食品中风味化合物生成的潜力，为原料选择和提升发酵食品质量提供了科学依据。

引言

“大曲”作为中国白酒发酵的主要发酵剂，在决定白酒的最终风味化合物方面起着关键作用（Jin等人，2017年）。它不仅提供了复杂的功能性微生物群落，还直接贡献了重要的风味化合物（Li等人，2020年；Xu等人，2025年）。先前的研究表明，“大曲”可以在白酒发酵过程中产生酯类、醇类、酸类和吡嗪类等关键风味化合物，并共同塑造白酒的独特香气（Jin等人，2017年；Shi等人，2024年；Wu等人，2021年）。例如，使用生物强化“大曲”可以提高风味化合物的多样性并改善白酒的香气（Mu等人，2023年）。因此，“大曲”中风味化合物的调控对白酒的风味质量和一致性至关重要。

“大曲”是通过自然发酵产生的，其中复杂的微生物群参与了风味化合物的形成。揭示和调控与风味化合物相关的关键微生物群对于调控“大曲”的风味至关重要。例如，将芽孢杆菌引入“大曲”发酵过程中改变了微生物组成及关键理化性质（如酸度、水分、氨基酸氮和淀粉含量），从而显著增加了“大曲”中吡嗪类的积累（Zhang等人，2024年）。对3种不同类型“大曲”的发酵过程进行比较研究后发现，酸度显著影响了微生物群和风味化合物，突显了理化性质、微生物动态和风味化合物之间的相互作用（Deng等人，2020年；Hou等人，2024年）。然而，这些研究主要关注发酵过程中的理化性质，而原料的贡献仍不明确。

“大曲”主要由小麦制成。小麦通过提供营养、支持微生物生长以及作为“大曲”发酵的关键微生物来源，在其中发挥关键作用（Du等人，2019年；Tan等人，2019年；Zhang等人，2021年）。小麦富含碳水化合物、蛋白质和其他多种营养物质，为发酵过程中微生物的生长和代谢提供了必要的营养（Méndez等人，2022年；Zhou等人，2024年）。小麦的质量（如淀粉、蛋白质和还原糖的含量等理化特性）受品种的影响显著（Hajas等人，2018年；Martínez-Pe?a等人，2023年；Zi等人，2019年）。这些理化特性显著影响“大曲”的功能和性质（Pontonio等人，2016年；Xiong等人，2021年）。例如，不同小麦品种的淀粉和蛋白质含量及其相应的“大曲”质量指标（如糖化率、发酵速率和酯化能力）存在显著差异（Deng等人，2025年）。此外，小麦还引入了“大曲”发酵所需的微生物。源自小麦的真菌属（如曲霉属）在“大曲”发酵过程中参与风味化合物的生成（Zhang等人，2022年）。尽管关于小麦质量及其对食品影响的研究很多，但小麦如何系统地影响“大曲”发酵过程中的微生物群和风味化合物仍不清楚。

在本研究中，我们利用3种不同的小麦品种探讨了小麦对“大曲”发酵的影响。我们鉴定了与风味化合物生成相关的关键微生物群，以及驱动“大曲”发酵过程中关键微生物群的小麦理化特性和源自小麦的微生物群。基于这些关键因素，建立了预测模型来预测“大曲”中风味化合物的多样性。本研究为选择合适的原料以提高“大曲”质量提供了科学依据。

研究部分片段

样品采集

本研究使用的3种小麦品种分别为来自中国安徽省的A（YM13）、来自中国河南省的B（YM15）和来自中国河南省的C（FM8）。选择这些品种是因为它们常用于白酒生产的“大曲”发酵过程。所有小麦品种均经历了相同的“大曲”发酵工艺（图S1）。2023年，我们在中国四川省收集了中温“大曲”的发酵样品（每个样品200克）。

与风味化合物生成相关的关键微生物群

通过高通量测序技术分析了3种不同小麦品种制成的“大曲”中的微生物群。在3种类型的“大曲”发酵过程中，共鉴定出18个优势细菌属和8个优势真菌属（相对丰度≥1%）（图1a、b）。微生物群的α多样性分析（包括Chao 1指数和Shannon指数，图S3）表明，使用不同小麦品种发酵的“大曲”样品之间的微生物组成存在差异。

此外，

讨论

小麦的理化特性（包括蛋白质组成和碳水化合物含量）在“大曲”发酵过程中对微生物动态和风味化合物的生成起着关键作用。特别是小麦中的球蛋白含量与关键微生物群呈显著正相关，表明球蛋白可能作为氮源支持微生物的增殖和酶的产生（Zhou等人，2025年）。这些理化特性

结论

本研究揭示了小麦的理化特性和微生物群在“大曲”发酵过程中对微生物组成和风味化合物形成的协同影响。基于小麦的理化特性和微生物群，构建了一个预测模型来预测“大曲”中风味化合物的多样性，该模型对醇类、酯类和吡嗪类化合物的多样性具有可靠的预测能力。这些发现为小麦的选择和质量控制提供了科学依据。

作者贡献声明

吴群：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。王成婷：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，实验设计，数据分析。何炳豪：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。莫凯：项目管理，概念构思。王佳辉：资源获取，项目管理，实验设计，概念构思。郑一夫：撰写 – 审稿与编辑，数据分析

数据可用性

原始测序数据已提交至中国国家生物信息中心（CNCB），提交编号为subCRA053857。

利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（32172175）、中央高校基本科研业务费（JUSRP202404014）、江苏省高等教育机构重点学术发展计划、111计划（编号111-2-06）以及教育部在江南大学设立的工业生物技术重点实验室项目的支持（KLIB KF202506）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢江南大学生物技术学院的高性能集群平台提供的支持。