《International Journal of Food Microbiology》：Trametes versicolor mycelium fermenting whole kidney beans into tempeh-like product
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本研究通过对比传统与机械化固态发酵工艺，揭示酱香型白酒中细菌群落对持续酸胁迫的适应机制，发现传统工艺中Acetilactobacillus jinshanensis优势菌群占比超90%，其酸适应基因协同表达及LuxS/AI-2群体感应模块的富集是关键。而机械化工艺通过维持多物种核心菌群和QS调控网络，实现更高的微生物多样性。研究为白酒生产中微生物酸适应机制及QS靶向调控提供了理论依据。
董伟伟|叶天伦|张宗杰|安龙旭|彭亚轩|陈友伟|张宇|卢柯|陈申曦|赵树苗|胡远亮
中国湖北省恩施师范学院生命科学学院，湖北省食用野生植物保护与利用重点实验室
摘要
酱香型白酒是通过多轮固态发酵在逐渐增加的酸度下生产的，但细菌群落如何适应这种极端酸性压力，以及是否涉及群体感应（QS）相关特征仍不清楚。本研究通过宏基因组测序和理化分析方法，对比了传统工艺和机械化工艺下八轮窖发酵的发酵颗粒。传统工艺的湿度更高，酸化过程更强烈且更快，乳酸积累更多，还原糖和淀粉的消耗也更快。这些条件导致传统工艺中的细菌α多样性急剧下降，最终形成了以金山醋酸乳杆菌（Acetilactobacillus jinshanensis）为主（超过90%）的菌群；而机械化工艺则保持了较高的多样性，核心菌群由金山醋酸乳杆菌、耐酸乳杆菌（Lactobacillus acetotolerans）、芽孢杆菌（Bacillus）和放线菌组成。典型对应分析表明，酸度（乳酸）是导致这些差异的主要环境因素。QS基因分析揭示了工艺特异性的特征，其中LuxS/AI-2相关模块在传统工艺中最为丰富。功能注释显示，在高酸度条件下，酸适应基因（ATPF1A、clpP、ATPF1B、dnaK和groEL）的表达显著增强。网络分析进一步强调了金山醋酸乳杆菌、QS模块和酸适应基因之间的紧密关联，支持了群体水平的QS相关功能框架。总体而言，本研究将LuxS/AI-2相关特征与酸适应能力和金山醋酸乳杆菌在高酸度环境中的优势联系起来。这些发现为高酸度固态发酵中的微生物韧性提供了生态学见解，并为未来在白酒生产中的QS相关研究提供了方向。
引言
白酒酿造是一种典型的封闭式固态发酵过程，其中多种微生物在发酵颗粒（jiupei）中定殖，并共同驱动底物转化和风味生成（Hao等人，2021年）。这些微生物群落分泌多种水解酶，如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶，将淀粉、蛋白质和脂质分解为还原糖、氨基酸和脂肪酸（Liao等人，2023年）。这些中间产物进一步代谢为乙醇、有机酸、高级醇、酯、酮、醛、酚类和其他香气活性成分，共同构成了白酒的独特感官特性（Lu等人，2022年）。除了贡献风味外，有机酸还作为关键生态驱动因素，在发酵过程中重塑微生物群落（Miao等人，2022年；Ji等人，2023年，2025年）。随着发酵的进行，固态基质逐渐酸化，导致有机酸持续积累（Yang等人，2019年；Hao等人，2021年）。这种持续的酸压力带来了强烈的选择压力，加速了微生物的更替，并有利于耐酸菌株的存活（Fan等人，2024年）。因此，群落的持续性和功能性依赖于强大的酸适应机制（Hao等人，2021年）。
固态发酵的一个核心但常被忽视的特点是其显著的空间异质性和受限的质量传递。与混合良好的液体发酵不同，颗粒内部的扩散受到限制，导致氧气、水分、温度和酸度的微尺度梯度形成并持续存在，从而形成局部生态位，迫使微生物在高度结构化的环境中协调代谢和应激反应（Fan等人，2024年；Chen等人，2024a）。在这种条件下，微生物之间的相互作用，包括资源竞争、互利合作和代谢物交换，成为发酵速率和产品质量的关键决定因素（Hao等人，2021年；Tu等人，2022年；Dai等人，2025年）。重要的是，代谢劳动的分工不仅受内在生理特性的影响，还受到细胞间通信的调控，这种通信在空间分离的微生境中同步集体行为（Zeng等人，2023年）。
在这方面，群体感应（QS）提供了环境信号与群体行为之间的机制联系。QS使微生物能够通过小分子信号感知群体水平的信息，并以密度和情境依赖的方式共同调节基因表达、代谢活动和应激反应（Waters和Bassler，2005年；Zeng等人，2023年）。在食品发酵中，QS与生物膜形成、细菌素产生、形态转变和增强耐酸性有关，所有这些都有助于在恶劣和波动条件下稳定群落功能（Johansen和Jespersen，2017年；Fala等人，2022年；Zhai等人，2025年；R. Zhang等人，2025年；Z. Zhang等人，2025年）。因此，在封闭式固态白酒生态系统中，由于生态选择强烈，QS预计在调节微生物更替和维持功能稳健性方面发挥重要作用。
酱香型白酒特别适合研究QS相关的生态适应机制，因为它代表了长期、逐步酸化的固态发酵的极端形式。在一个年度周期内，其生产包括八轮连续发酵，每轮持续超过35天，包括堆叠发酵（5-7天）和窖发酵（约30天）（Yang等人，2019年；Hao等人，2021年）。在这些轮次中，有机酸逐渐积累，发酵环境的酸度不断增加，乳酸占总酸量的70%以上，通常超过浓香型和淡香型白酒的酸度（Hao等人，2021年；Dong等人，2020年，2024a；Yang等人，2019年；Liao等人，2023年）。这种多轮、高酸度的固态发酵环境创造了严格的持续选择压力，为研究微生物如何适应持续酸压力提供了宝贵的自然平台。与此一致的是，QS已在多种发酵系统中与酸适应相关联，包括发酵蔬菜、酸奶和醋，其中QS信号在酸化条件下有助于应激反应和群体行为（Johansen和Jespersen，2017年；Li等人，2023年；R. Zhang等人，2025年）。因此，可以合理假设，随着酱香型白酒发酵向更高酸度发展，QS相关的通信可能有助于协调酸适应策略，使微生物保持功能性和生态竞争力。
为了解决这些问题，我们收集了传统工艺和机械化工艺下八轮窖发酵结束时的发酵颗粒，并应用宏基因组测序来表征细菌群落动态。通过将理化参数与群体水平的功能注释相结合，这项工艺比较宏基因组研究旨在描述工业固态发酵系统中持续酸压力下的QS相关功能特征，从而为后续的针对性验证提供生态学框架。
样本收集与处理
样品来自2022-2023年酿造周期期间贵州省一家酱香型白酒酒厂的发酵颗粒。样品来自八轮发酵（R1-R8），包括机械化（M）和传统（T）工艺（图S1）。对于每种工艺，选择了三个具有历史稳定性和高度相似酒质的风味发酵窖作为生物重复样本，并按照相同的生产协议进行操作
理化性质动态
在酱香型白酒的八轮窖发酵过程中，监测了发酵颗粒的五个关键理化参数（水分、酸度、乳酸、还原糖和淀粉）（图1）。两种工艺下的水分含量均随轮次增加而稳步上升。在传统工艺组中，水分含量从第1轮的41.38%上升到第8轮的56.92%，始终高于机械化工艺组（39.94%-46.87%）（图1A）
结论
本研究利用工艺比较分析，提供了关于酱香型白酒发酵过程中细菌群落水平QS相关酸适应模式的新见解。传统工艺的特点是酸化迅速，促进了金山醋酸乳杆菌的压倒性优势；而机械化工艺则在适度酸度下维持了更高的微生物共存。共现网络分析进一步揭示了细菌之间的紧密关联
CRediT作者贡献声明
董伟伟：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，软件应用，方法学研究，资金获取，概念构思。叶天伦：软件应用，方法学研究，数据管理。张宗杰：方法学研究，调查分析，正式数据分析。安龙旭：方法学研究，数据管理。彭亚轩：方法学研究，正式数据分析，数据管理。陈友伟：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿。张宇：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿。卢柯：
致谢
本研究得到了湖北省食用野生植物保护与利用重点实验室（EWPL202306）、湖北省重点研发计划（2023BBB004）、湖北省重点实验室在中央指导下的地方项目（2025BSB052）以及中国湖北省自然科学基金（2025AFB267）的支持。
