《Food Microbiology》：Microbial and environmental determinants of 1-propanol biosynthesis in Jiang-flavor Baijiu fermentation
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本研究通过整合元基因组学与纯培养技术，系统解析了江风味白酒中1-丙醇合成的关键微生物、代谢途径及环境调控因素，揭示了产1-丙醇的微生物分工及温度、酸度对其产量的动态影响，为精准调控发酵工艺提供了理论依据。
蔡伟涛|赵汉|蔡丽娟|张伟|张晓娟|卢振明|高传强|司冠茹|张文清|王松涛|沈彩红|徐正红
江南大学生物技术学院及教育部工业生物技术重点实验室，中国无锡214122
摘要
1-丙醇是江味白酒中的关键风味化合物，但控制其合成的关键微生物途径和环境因素尚未得到系统研究。通过整合宏基因组学和培养依赖性技术的方法，本研究确定了控制1-丙醇合成的关键微生物、途径和因素。在第一轮基酒中检测到最高的1-丙醇含量，在早期窖池发酵期间其含量迅速积累。宏基因组学分析显示，丙酸途径是主要途径，主要由Limosilactobacillus参与；而Pichia和Saccharomyces则是柠檬酸马洛酸途径和苏氨酸途径中丙酮酸脱羧酶的关键提供者。纯培养验证证实L. panis MR32主要以1,2-丙二醇为前体，而P. kudriavzevii 2J2和S. cerevisiae LB7A等酵母则偏好2-酮丁酸途径。环境测试表明L. panis MR32在pH 5.5时产量最高，且温度（25–45°C）升高时产量增加。相比之下，大多数酵母在30°C时产生最多的1-丙醇，超过此温度后产量下降，只有P. kudriavzevii 2J2和I. orientalis IO能耐受高乳酸环境。我们的发现阐明了1-丙醇形成的微生物分工和环境驱动因素，为有针对性的发酵控制提供了依据。
引言
江味白酒是中国传统发酵白酒四大香气类型之一，因其优雅的酱香和醇厚的口感而深受消费者喜爱。江味白酒的整个生产过程历时一年，包括八个发酵周期，其中包含两个加料周期（Xiasha和Zaosha）（Wei等人，2024年）。基酒来自Zaosha周期，共计产生七轮基酒。通过按特定比例混合基酒制成的江味白酒产品质量，受到所用基酒质量的显著影响（Yan等人，2020年）。高级醇（如1-丙醇、异丁醇和异戊醇）是白酒中的重要风味成分，其中1-丙醇在江味白酒中的含量最高（Zhao等人，2025年）。在53%（v/v）的乙醇-水溶液中，1-丙醇的嗅觉阈值确定为54 mg/L，其风味特征被描述为果香和泥土香（Liu等人，2023年）。适当浓度的1-丙醇可以增强白酒的甜度和醇厚感（Li等人，2018年），但过量则可能带来辛辣和苦涩的味道（Wang等人，2022年）。先前的研究表明，高级醇（包括1-丙醇）浓度的升高会提高果香阈值，并抑制酯类化合物（如乙酸乙酯、丁酸乙酯、戊酸乙酯和己酸乙酯）的挥发，从而降低果香强度（Cameleyre等人，2015年；Zhao等人，2025年）。因此，阐明发酵过程中1-丙醇的微生物合成机制及其受环境因素的影响，为生产中的合理调控提供了基础。
研究发现，白酒酿造环境中的多种微生物（如某些酵母和乳酸菌（LAB）能够合成1-丙醇（Lu等人，2019年；Tian等人，2020年）。Saccharomyces cerevisiae历来被认为是发酵谷物中高级醇（包括1-丙醇）的主要贡献者（Li等人，2018年），主要利用2-酮丁酸作为底物合成1-丙醇（Wang等人，2021年）。先前的研究利用高通量测序技术和多变量统计算法预测Saccharomyces和Pichia是轻香型白酒发酵过程中高级醇合成的主要微生物属（Jiang等人，2019年）。然而，预测结果可能无法完全反映实际情况，因此需要通过培养依赖性方法进一步验证。通过整合宏转录组学和培养依赖性分析，确定Saccharomyces cerevisiae和四种非Saccharomyces酵母是江味白酒发酵过程中高级醇（异戊醇和异丁醇）合成的主要贡献者（Wei等人，2024年）。宏基因组学分析显示Limosilactobacillus panis在江味白酒的第一轮发酵中起重要作用，这一发现通过原位接种实验得到进一步验证，实验中1-丙醇含量的显著增加证实了该菌株的合成能力（Wang等人，2025年）。尽管各种微生物合成1-丙醇的能力已得到实验验证，但在江味白酒发酵系统中关键微生物及其代谢途径仍不完整，缺乏足够的实验验证。
此外，白酒生产是在开放环境中进行的，温度和酸度等关键工艺参数显著影响发酵过程的进展和结果。温度的变化导致发酵谷物的微生物群落结构和代谢谱发生显著差异，从而影响白酒的风味特征（Chai等人，2024年；Huang等人，2024年）。有机酸含量可能影响发酵谷物的微生物群落结构和代谢，改变挥发性风味化合物的生成（He等人，2024年）。乳酸和乙酸是江味白酒发酵谷物中的主要有机酸（Song等人，2017年）。这些酸可以促进有益细菌（如Caproiciproducens）在窖泥中的繁殖，积极影响微生物组成（Chai等人，2021年），但也会抑制Zygosaccharomyces bailii和Saccharomyces cerevisiae等酵母的乙醇生产（Deng等人，2023年）。然而，这些关键工艺参数如何调节1-丙醇合成仍需进一步研究。
本研究旨在探讨江味白酒发酵过程中1-丙醇合成的关键微生物和代谢途径，并研究温度和酸度对微生物生长和1-丙醇产量的影响。通过分析基酒和发酵谷物中的1-丙醇含量，确定了1-丙醇的主要生产阶段。随后利用扩增子测序表征了发酵谷物的微生物群落结构，并通过宏基因组学分析预测了与1-丙醇合成相关的代谢途径。为了验证这些途径，从发酵谷物中分离的微生物进行了全细胞催化实验。此外，还使用培养依赖性方法研究了有机酸（乳酸和乙酸）和温度对1-丙醇产量的影响。这些发现有望为调控白酒中的1-丙醇含量提供理论依据。
样本收集
样本收集
江味白酒的酿造过程包括八个发酵周期，基酒的收集从第二个发酵阶段开始（称为‘Zaosha’），共计七轮（R1–R7）（图S1A）。本研究中使用的基酒样本来自三个地区的20家酿酒厂（贵州省、江苏省和江西省），涵盖了所有七轮基酒。根据基酒中检测到的1-丙醇含量
酿造过程中1-丙醇的积累动态
从20家酿酒厂收集的七轮基酒中测定了1-丙醇的含量（图S2）。结果显示，第一轮基酒中的1-丙醇含量最高，平均浓度为2.41 g/L（图1A）。第二轮含量急剧下降至0.40 g/L，随后各轮含量逐渐减少。先前的一项研究分析了多轮基酒中的1-丙醇含量
结论
本研究阐明了江味白酒发酵过程中1-丙醇合成的微生物途径和环境驱动因素。Zaosha阶段的窖池发酵被确定为1-丙醇合成的主要阶段。宏基因组学分析表明，丙酸途径是主要途径，主要由Limosilactobacillus驱动，而Pichia和Saccharomyces是柠檬酸马洛酸途径和苏氨酸途径的关键贡献者。全细胞催化实验验证了这一结果
CRediT作者贡献声明
赵汉：撰写——初稿、正式分析、数据管理。沈彩红：撰写——审稿与编辑。徐正红：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。蔡伟涛：撰写——初稿、可视化、方法学、实验设计、正式分析、数据管理。高传强：资源提供。司冠茹：资源提供。张文清：资源提供。王松涛：撰写——审稿与编辑。蔡丽娟：撰写——审稿与编辑、监督、资金申请未引用参考文献
CNCB-NGDC成员和合作伙伴，2025年；Huang等人，2024年；Wei等人，2023年；Wei等人，2024年；Yin等人，2021年。
利益冲突声明
作者声明与本文的发表不存在利益冲突。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了中国博士后科学基金会（资助编号2024T170375和2023M741512）的支持。
