在酱香白酒的窖发酵过程中，细菌群落中与群体感应相关的酸适应机制
（Acid adaptation associated with quorum sensing in bacterial communities during the pit fermentation of sauce-flavored baijiu）
《International Journal of Food Microbiology》：Quorum sensing-associated acid adaptation in bacterial communities during pit fermentation of sauce-flavor
Baijiu
编辑推荐：
固态发酵醋香型白酒中，传统工艺因快速酸化（乳酸酸>90%）导致α多样性骤降，菌群趋同以Acetilactobacillus jinshanensis为主导；而机械化工艺维持多物种核心菌群（A. jinshanensis、Lactobacillus acetotolerans等）。酸胁迫下QS模块（LuxS/AI-2）显著富集于传统工艺，且与酸适应基因（ATPF1A、clpP等）形成功能网络，表明群体感应通过协调酸适应基因表达促进菌群生态收敛。
董伟伟|叶天伦|张宗杰|安龙旭|彭亚轩|陈友伟|张宇|卢克|陈申曦|赵淑苗|胡元亮
中国湖北省黄石市湖北师范大学生命科学学院，湖北省野生可食用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条件下生产的，但细菌群落如何适应这种极端酸胁迫，以及是否涉及群体感应（QS）相关特征，目前尚不清楚。本研究通过宏基因组测序和理化分析方法，对传统工艺和机械化工艺下八轮窖藏发酵的 grains 进行了分析。传统工艺的 grains 具有更高的水分含量、更强的酸化能力、更快的酸化速度、更多的乳酸积累，以及还原糖和淀粉的更快消耗。这些条件导致传统工艺中细菌 α-多样性急剧下降，且菌群主要由 Acetilactobacillus jinshanensis （>90%）主导；而机械化工艺则保持了更高的多样性，菌群由 A. jinshanensis、Lactobacillus acetotolerans、Bacillus 和放线菌等多物种组成。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，ATPF1A、clpP、ATPF1B、dnaK 和 groEL 等酸适应基因的表达显著增强。网络分析进一步强调了 A. jinshanensis、QS 模块和酸适应基因之间的紧密关联，支持了生态趋同的群体水平 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 A. jinshanensis 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微生物的适应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 的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 grains（jiupei）中定殖，并共同驱动底物转化和风味生成（Hao 等，2021）。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，2023）。中间产物进一步代谢为乙醇、有机酸、高级醇、酯类、酮类、醛类和酚类等香气成分，共同构成了 白酒 的独特感官特性（Lu 等，2022）。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，2022；Ji 等，2023，Ji 等，2025）。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，2019；Hao 等，2021）。这种持续的酸胁迫带来强烈的选择压力，加速了微生物的更替，并有利于耐酸菌株的存活（Fan 等，2024）。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，2021）。
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。与混合良好的液态发酵不同，颗粒基质内的扩散受到限制，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，2024；Chen 等，2024a）。在这种条件下，微生物间的相互作用（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，2021；Tu 等，2022；Dai 等，2025）。重要的是，代谢分工不仅受内在生理特性和环境变化的影响，还受细胞间通信的调控，这种通信在空间分离的微生境中同步集体行为（Zeng 等，2023）。
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扩散信号感知群体水平的信息，并以密度和情境依赖的方式协调基因表达、代谢活动和应激反应（Waters 和 Bassler，2005；Zeng 等，2023）。在食品发酵中，QS 与生物膜形成、细菌素产生、形态转变和对酸胁迫的增强耐受性有关，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；Fala 等，2022；Zhai 等，2025；R. Zhang 等，2025；Z. Zhang 等，2025）。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）和窖藏发酵（约 30 天）（Yang 等，2019；Hao 等，2021）。在这些轮次中，有机酸逐渐积累，发酵环境变得越来越酸，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，2021；Dong 等，2020，Dong 等，2024a；Yang 等，2019；Liao 等，2023）。这种多轮、高酸度和固态的发酵模式创造了严格的持续选择环境，为阐明发酵微生物如何适应持续酸胁迫提供了宝贵的自然平台。与此一致的是，QS 已被多次与多种发酵系统（包括发酵蔬菜、酸奶和醋）中的酸适应机制联系起来，其中 QS 信号在酸化条件下促进应激反应和群落行为（Johansen 和 Jespersen，2017；Li 等，2023；R. Zhang 等，2025）。因此，可以合理假设，随着酱香型 白酒 发酵向更高酸度推进，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。
为了解决这些空白，我们收集了传统工艺和机械化工艺下八轮窖藏发酵结束时的 grains，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胁迫下的 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 酿造厂。样品来自八轮发酵（R1-R8），包括传统工艺（T）和机械化工艺（M）（图 S1）。对于每种工艺，根据历史上稳定的酒质和高度可比性，选择了三个独立的发酵窖作为生物学重复样本，并按照相同的生产协议进行操作
理化性质的动态变化
在酱香型 白酒 的八轮窖藏发酵过程中，监测了五种关键理化参数（水分、酸度、乳酸、还原糖和淀粉），涵盖了传统工艺和机械化工艺（图 1）。两种工艺下的水分含量都稳步增加。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
本研究通过工艺比较分析，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。传统工艺以快速酸化为特征，促进了 A. jinshanensis 的绝对优势；而机械化工艺在中等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 – 原稿，可视化，软件，方法学，资金获取，概念化。
叶天伦：软件，方法学，数据管理。
张宗杰：方法学，调查，正式分析。
安龙旭：方法学，数据管理。
彭亚轩：方法学，正式分析，数据管理。
陈友伟：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
张宇：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
致谢
本研究得到了 湖北省野生可食用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专项委托（2025BSB052）以及 湖北省自然科学基金（2025AFB267）的支持。
