《Food and Bioproducts Processing》：Deciphering the mechanism underlying the n-propanol accumulation in Baijiu fermentation: A novel perspective from the interplay between acetic acid and microbial metabolism
编辑推荐：
n-丙醇合成机制及微生物互作研究揭示高、低产窖差异源于醋酸强化与特定酵母和乳酸菌协作，固态发酵参数动态变化影响产物积累，为酒醅调控提供理论依据。
作者：双星、张亚磐、胡博远、刘庆和、张嘉宇、袁帅、沈世明、庞天宇、何明健、袁云、林良才、张翠英
单位：教育部生物基纤维材料国家重点实验室、食品营养与安全重点实验室、工业发酵微生物学重点实验室；天津科技大学生物技术学院，中国天津300457
摘要
在“造酒”过程中，不同发酵池中的正丙醇含量存在显著差异，这极大地影响了基础酒的质量稳定性。本研究比较了高正丙醇（HP）发酵池和低正丙醇（LP）发酵池中酒曲微生物群落及发酵参数的动态变化。从微生物-代谢物相互作用的角度，阐明了正丙醇的合成与积累机制。研究结果表明，从堆叠发酵结束到发酵池发酵开始的过渡阶段是正丙醇含量增加的关键时期。在此过程中，HP发酵池中观察到Pichia、Acetobacter和Limosilactobacillus菌株的富集，从而形成了高乙酸环境。功能预测和模拟发酵实验显示，Pichia kudriavzevii与Limosilactobacillus panis之间存在协同作用，共同促进了正丙醇的合成。该过程涉及前者产生特定前体，后者将其转化为正丙醇。更重要的是，研究发现乙酸能够显著提高L. panis的正丙醇产量。此外，在白酒生产中，添加3 g/L乙酸的尾酒使发酵池发酵后的正丙醇产量提高了4.2倍。综上所述，这些发现表明微生物相互作用和乙酸富集与不同发酵池中正丙醇积累的差异密切相关，为白酒发酵调控提供了新的见解。
引言
与其他类型的白酒不同，江西香型白酒的酿造特点是一个为期一年的循环多轮发酵过程。在此过程中会生产七轮基础酒。经过详细的混合和分级储存后，各轮的基础酒按特定比例重新组合，最终形成风味一致的陈年白酒（Liu等人，2023；Wang等人，2024）。因此，每轮基础酒的质量对最终白酒的质量有着重要影响（Yang等人，2025）。鉴于江西香型白酒独特的酿造工艺，各轮基础酒的风味各具特色。先前的研究表明，第一轮基础酒具有较高的酒精含量（Shen等人，2022；Tang等人，2021）。值得注意的是，第一轮基础酒来源于第二轮的酒曲（造酒阶段）。作为关键起始阶段，这一过程不仅决定了第一轮基础酒的质量，还持续影响后续轮次的微生物群落演替和风味物质的形成。鉴于造酒阶段在整个酿造过程中的特殊地位，对其代谢调控机制的深入研究对于理解江西香型白酒独特风味的形成机制具有重要意义。
正丙醇作为江西香型白酒中的关键风味化合物，在产生香气和实现风味平衡方面发挥着双重作用，其含量直接影响白酒的整体风味（Zhao等人，2025）。第一轮基础酒是最终白酒中正丙醇的主要来源。在实际生产中，造酒阶段发酵池中的正丙醇含量差异较大，最低可达1 g/L，最高可达30 g/L（Ding等人，2024；Zhu等人，2025）。这种差异直接影响基础酒的质量稳定性。适宜的正丙醇含量对江西香型白酒至关重要，因为它既有助于产生香气和风味，又能提升整体香气。然而，过量的正丙醇会导致不愉快的苦味和饮用后的不适感（Luo等人，2025；Yin等人，2021；Fang等人，2024）。因此，阐明导致正丙醇含量变化的机制有助于优化造酒阶段的工艺控制。
白酒发酵过程中正丙醇的合成主要来源于原料中的淀粉和蛋白质。通过一系列酶促反应，这些成分被转化为正丙醇的前体，如丙酮酸、酮酸和氨基酸（Wang等人，2023b），随后由L-苏氨酸氨裂解酶、丙二醇脱水酶和1,3-丙二醇脱氢酶等酶将其转化为正丙醇。在白酒的开放固态发酵环境中，微生物群落对正丙醇的形成至关重要（Pan等人，2023a）。先前的研究表明，酵母是正丙醇合成的重要贡献者（Hu等人，2021；Wei等人，2024）。特别是某些非Saccharomyces酵母，凭借其强大的氨基酸代谢能力，为正丙醇的形成提供了丰富的前体（Fejzullahu等人，2021）。此外，参与白酒发酵的乳酸菌，如Acetilactobacillus、Lactobacillus和Limosilactobacillus，也与正丙醇的合成密切相关（Shen等人，2022；Zhang等人，2025）。不同细菌属对正丙醇的代谢能力各不相同。先前的研究证实了Limosilactobacillus panis在原位接种条件下具有代谢正丙醇的能力，同时发现Lactobacillus acetotolerans会抑制正丙醇的产生（Wang等人，2025）。尽管取得了这些进展，但目前对微生物在正丙醇形成中的贡献理解仍主要基于群落组成与代谢物谱的相关性分析，直接验证其功能作用的研究较少。大多数研究单独考察了微生物的影响，而微生物群落与环境因素（如有机酸、酸度和其他发酵参数）对正丙醇积累的联合影响尚未得到充分关注。此外，工业混合培养中共存微生物之间的功能相互作用也尚未得到充分研究。因此，复杂固态发酵过程中正丙醇形成的综合生态和代谢机制仍需进一步探索。
在白酒酿造系统中，非生物因素包括水、酸度、氧气和各种微生物代谢产物。其中，微生物代谢产物是发酵系统中高度动态的非生物因素，对风味形成具有深远影响。与其他类型的传统发酵食品不同，白酒的开放固态发酵环境使得微生物群落与非生物因素之间的相互作用更为显著。微生物是正丙醇代谢的主要力量，但它们对发酵过程中的环境条件非常敏感。然而，现有研究大多未能充分探讨白酒发酵过程中非生物因素对正丙醇代谢的影响。揭示非生物因素与微生物之间的协同机制可为白酒发酵的精准调控提供新方法。
因此，本研究聚焦于江西香型白酒造酒阶段不同发酵池中正丙醇含量差异这一关键科学问题。通过宏基因组技术阐明了微生物群落的演替模式，并研究了包括水分含量、酸度和pH值在内的发酵参数的动态变化。通过相关性分析、目标代谢途径分析、模拟液体发酵和生产规模验证，从关键微生物与代谢物相互作用的角度探讨了正丙醇合成与积累的机制。研究结果为正丙醇的形成机制提供了新的见解，并为白酒发酵过程的精准调控提供了理论基础。
样本采集
本研究中的造酒阶段酒曲样本来自中国河北省承德市的一家著名江西香型白酒酒厂（106°55′E；27°42′N）。具体采样时间点包括：堆叠发酵第0天（S0）、堆叠发酵结束（SE）、发酵池发酵第7天（P7）、发酵池发酵第15天（P15）以及发酵池发酵结束（PE）。采样对象为产生低正丙醇含量基础酒的发酵池。
不同发酵池中正丙醇含量的差异
风味化合物赋予基础酒独特的果香、酱香、谷物香或酒精香气，从而影响其复杂性和协调性。这些化合物是基础酒质量和风味的核心，直接决定了白酒的香气、风味和典型特征（He等人，2024）。通过GC-FID检测了造酒阶段LP和HP发酵池产生的第一轮基础酒中的风味化合物含量（图1A），包括乙酸乙酯、乳酸乙酯等。
结论
鉴于造酒阶段不同发酵池中基础酒的正丙醇含量存在显著差异，本研究采用宏基因组技术分析了酒曲中微生物群落的演替模式和组成，并密切监测了发酵参数的变化。通过相关性分析、功能预测和双重验证等方法，探讨了这些差异的机制。
作者贡献声明
庞天宇：资源获取、方法学设计、实验实施。
沈世明：数据验证、方法学设计。
袁帅：资源获取、项目管理、方法学设计。
张嘉宇：撰写、审稿与编辑、数据可视化、软件应用、方法学设计、数据整理。
刘庆和：资源获取、项目管理、方法学设计。
胡博远：撰写、审稿与编辑、数据验证、数据分析。
张亚磐：数据可视化、方法学设计、数据分析。
双星：初稿撰写、数据可视化、软件应用。
未引用参考文献
Jung和Lee，2020年。
知情同意
本研究已获得所有参与者的知情同意。
数据可用性
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研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFA0914504）、国家自然科学基金（编号32472317）、宁夏省重点研发计划（2023BCF01028）以及天津市重点技术研发计划（2023YFZCSN00300）的支持。
