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微生物群落协同代谢对传统固态发酵食品（如茅台酒）风味形成的影响机制及智能调控策略研究，系统梳理了微生物代谢途径与风味/异味化合物生成的因果关系，提出基于合成微生物群落构建与多源传感融合的智能发酵系统，实现环境参数-菌群互作-代谢模块的精准调控。
李北北|唐杰|朱楚天|龚嘉欣|吴群|杨勇|葛向阳|魏俊林|黄永光
贵州大学酒与食品工程学院，中国贵州省贵阳市550025
摘要
传统固态发酵食品（如白酒）的风味特性、品质和安全性取决于微生物群落的复杂协同代谢作用，这为研究发酵微生物生态系统的代谢相互作用网络提供了理想模型。尽管微生物学基础已得到广泛探索，但核心代谢机制仍未得到系统分析，导致针对风味优化和异味化合物抑制的调控策略不够精准。从微生物社会学的角度出发，本研究分析了不同功能微生物在风味化合物形成过程中的代谢分工，并系统梳理了白酒中典型风味和异味化合物的微生物代谢机制。进一步总结了通过管理功能性微生物群、微生物相互作用及优化环境参数来实现风味增强和异味抑制的思路。为突破传统调控方法的局限性，深入探讨了合成微生物群在重构关键代谢模块和验证调控机制方面的潜在应用。同时讨论了结合多源感知、建模和智能控制的智能发酵系统在白酒研发中的发展前景，以实现发酵过程的动态监测和风味精准调控。
引言
微生物发酵是人类最古老的食品加工方法之一，对文明发展和人类社会生活产生了深远影响。大多数传统食品依赖自然发酵完成关键物质转化，微生物群落在此过程中起着核心作用。白酒作为一种传承千年的发酵饮料，以高粱、大米、小麦等谷物为原料，依靠发酵启动剂、窖泥、空气和生产设备中的自然微生物群落完成发酵过程（刘等，2022）。白酒发酵的特点是糖化与发酵同时进行：丝状真菌主要参与淀粉和蛋白质等大分子底物的糖化和降解；酵母负责将糖转化为乙醇及部分风味前体；细菌则参与有机酸和酯类等风味化合物的合成与转化。温度、湿度、酸碱度和氧气条件等环境因素的变化会重塑微生物群落的结构及其相互作用，从而影响发酵过程的代谢结果。
在环境因素的动态调控下，不同功能微生物在底物利用、代谢物转化和生态位占据方面表现出合作与竞争的动态演化过程，共同驱动风味化合物的合成与积累（王等，2025）。因此，白酒发酵系统可被视为具有社会性特征的微生物社群。不同微生物通过物质交换、环境响应、功能分工和相互作用共同维持群落结构和功能，并在长期的选择和约束下逐渐形成稳定多样的风味表达，最终演化出12种具有不同风味特征的白酒类型（图1）。
虽然风味化合物仅占白酒总含量的1%-2%，但它们显著影响白酒的品质、风格特征和市场价值。白酒中风味化合物的形成源于微生物群落内的代谢分工及其介导的酶促转化（Zengler & Zaramela，2018）。然而，这种风味生成机制也可能导致代谢失调，引发异味化合物的产生或某些风味化合物的过度积累，从而产生异味。因此，系统分析风味形成的微生物代谢机制是精准调控风味化合物生成和稳定品质的关键前提。以往研究主要关注微生物群落与风味化合物的相关性、风味化合物的化学分析以及感官科学评价体系的建立，但缺乏对风味和异味化合物形成背后微生物代谢机制的系统和深入分析。现有研究仍基于相关性描述，缺乏对特定代谢途径、关键基因或酶以及微生物间相互作用的因果验证。
随着高通量测序、多组学和人工智能等技术的进步，复杂微生物群落及其关键风味化合物代谢途径的研究取得了显著进展（Wang等，2024）。在微观层面，风味化合物的产生源于生态发酵构建的微生物社群。不同微生物通过连续且明确的代谢过程驱动各种风味化合物的生成与积累（Tian等，2023）。微生物在风味化合物形成中的作用可分为三个层次：首先，微生物释放多种酶分解原料，生成葡萄糖和氨基酸等小分子前体；其次，这些微生物利用酶合成产生风味活性化合物（如高级醇和酯类）；最后，微生物的自溶过程（如酵母细胞壁多糖的降解）贡献特征香气成分。当这些代谢途径失调时，也可能产生异味。
尽管现有研究总结了白酒发酵过程中微生物的来源、群落组装机制、风味化合物组成及相关研究工具（Gao等，2025；Kang等，2022；Luo等，2024；Mei等，2025；Tang等，2025；Tu等，2022），但从微生物群落的整体功能分工和相互作用角度，仍缺乏对白酒风味化合物生成相关微生物代谢机制的全面系统分析。基于这些机制实现发酵过程精准调控和智能开发的研究也明显不足。因此，本研究以白酒中的微生物代谢机制和风味化合物形成调控为目标，从微生物社会学的角度出发，重点探讨以下关键科学问题：（i）白酒发酵系统中风味和异味形成的机制及其调控方式是什么？（ii）如何提升旨在增强风味和抑制有害代谢的合成生物学技术的有效性和可行性？（iii）如何在充分理解感知、建模和控制实际挑战的基础上，构建能够实时监测、预测和精准调控风味表达和食品安全指标的智能发酵系统？本研究系统总结了白酒中风味和异味化合物的微生物代谢机制及其在物种、酶和分子层面的调控策略，评估了重构微生物社群成员和功能分工的未来发展方向，以及通过动态监测和调控手段实现风味可控调节的可行性，旨在为提升白酒品质、保障发酵安全并提供智能升级的传统发酵系统提供理论基础。
核心微生物与风味富集的代谢功能
白酒中风味化合物的生成依赖于发酵微生物群落中不同功能成员的协同代谢过程。关键酶介导的底物转化、代谢中间体的跨菌株转移以及微生物间的化合物和信号交换共同促进了风味前体的积累及其向最终产物的转化。多组学技术的发展使得这一过程得以实现。
白酒风味特征的全面概述
白酒中风味化合物的形成是由发酵过程中微生物群的代谢活动驱动的。在制曲和发酵的关键阶段，多种丝状真菌、酵母和细菌通过糖代谢、氨基酸代谢和脂质转化不断产生和转化多种挥发性和非挥发性化合物。截至目前，研究人员已鉴定出超过3000种风味化合物。
基于微生物社会学的白酒风味定向调控
发酵系统的稳定性取决于生产过程的长期选择和持续优化，从而形成相对稳定的发酵微生物群落。通过对白酒发酵过程中风味化合物代谢机制的初步分析，可通过管理功能性微生物群落的组成和调节其相互作用来主动干预群落结构及其代谢行为。
用于白酒风味调控的合成微生物群和智能发酵系统
鉴于目前对白酒发酵过程中微生物群落演替和风味物质生成机制的认识不足，以及传统调控方法的局限性，合成微生物群（SynComs）和智能发酵系统为解决问题提供了新思路。SynComs通过筛选实现了微生物社群成员和功能分工从经验依赖向可设计和重构的转变。
结论与展望
从微生物社会学的角度出发，本研究将白酒发酵过程中的微生物群落视为由多种功能成员组成的整体，这些成员通过代谢分工和相互作用协同工作。在此基础上，研究了风味和异味化合物的代谢机制，并提出了基于微生物群落整体代谢活动的调控思路。
CRediT作者贡献声明
杨勇：资金获取。吴群：资源协调、项目管理。龚嘉欣：数据验证与整理。黄永光：撰写、审稿与编辑、验证、监督。魏俊林：撰写、审稿与编辑。葛向阳：项目管理。朱楚天：监督、调查。唐杰：监督、数据分析。李北北：撰写、初稿撰写、可视化、概念构思
未引用参考文献
He et al., 2023; Hu et al., 2021; Tian et al., 2023; Wang et al., 2024; Wang et al., 2024; Wang et al., 2023; Wang et al., 2020.
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的利益冲突。
数据获取
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本项目的支持来自国家自然科学基金（项目编号32360571、324727319）；贵州省科技计划项目（平台与人才项目，GCC [2023]064）；贵州省科技成果项目（项目编号[2023] 477）；贵州省基金项目（重点项目，ZK [2024] No. 016）；贵州省科技支持计划项目（一般项目 [2024] No.343）；贵州省科技成果项目 LH（重点项目 [2025] No.）。
