与高温大曲生产过程中微生物组构建相关的生物和非生物因素

《Food Bioscience》：Biotic and abiotic factors associated with microbiome assembly during high-temperature Daqu production

　　

沈培全|邓阿玲|龚佳欣|陈向梅|卢俊|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

高温大曲（HTD）是酱香型白酒生产中的关键发酵剂，但由于地域差异和不同生产阶段的动态变化，使得过程控制变得复杂。我们通过细菌16S rRNA和真菌ITS测序、理化测量以及HS-SPME/GC-MS挥发性成分分析，对来自两个核心区域的HTD在四个生产阶段进行了研究。研究发现，微生物多样性和组成在不同区域和阶段之间存在差异。在HTD生产过程中，微生物群落经历了从多样化到简化再到重组的演变过程。零模型分析表明，细菌的组装主要受确定性因素（主要是同质选择）的影响，且随着生产阶段的推进选择压力逐渐增大；而真菌的组装则具有较高的随机性，在不同区域和阶段中均无明显主导因素。共现网络从早期的稀疏结构发展为中期的高密度连接，最终在后期形成区域特异性的稳定状态。温度、酸度和酯化能力是影响关键微生物类群的主要因素。几种关键挥发性代谢物（尤其是吡嗪类和酯类）与β-最近邻分类单元指数呈负相关。以β-NTI作为响应变量，基于混合效应模型的方差分解分析显示，理化因素（55.64%）对微生物群落变化贡献最大，微生物和代谢物因素分别贡献了21.56%和22.79%。这些结果表明，HTD微生物组的组装主要受理化因素的影响，同时也受到生物相互作用的影响，并与代谢物动态变化存在统计学关联，为未来的过程控制研究提供了生态学框架。

引言

白酒是全球六大蒸馏酒之一，其酿造历史可追溯至数千年前（Gao等人，2025年）。作为一种典型的固态自然发酵蒸馏酒，其独特的风味特征源于原材料、微生物群落和环境因素的长期演化（Huang等人，2023年）。根据生产工艺和风格的差异，白酒可以被分为多种香气类型（Wang等人，2024年）。其中，酱香型白酒以其浓郁的香气、细腻持久的口感和悠长的余味而著称（Chen等人，2025年）。作为酱香型白酒生产中的主要微生物和酶载体，高温大曲（HTD）含有多种功能性微生物。这些微生物分泌水解酶，参与酸的产生、酯化及香气形成过程（Bai等人，2024年；Que等人，2025年），推动底物水解并进一步代谢生成关键风味前体（Cheng等人，2025年；Zhong等人，2024年）。然而，HTD中的微生物群落组成、酶活性和代谢物谱在不同区域和生产阶段存在显著差异（Wei等人，2025年），这增加了产品的复杂性和质量控制的难度。

从生态学角度来看，微生物群落的演替可以通过确定性过程与随机过程之间的平衡来解释。确定性过程（如同质选择和异质选择）反映了强烈的环境筛选和基于生态位的筛选机制，而随机过程（如扩散限制、生态漂变和未受主导的过程）则体现了随机出生-死亡事件、迁移限制和历史偶然性的影响（Stegen等人，2012年；Stegen等人，2013年；Zu等人，2024年）。HTD生产可以被视为在极端条件下的微生态调节过程。在生产过程中，翻堆和堆叠会导致温度、湿度和酸度的显著波动，从而形成一种特殊且相对稳定的微生物生态系统（Wen等人，2024年）。Zhang等人（2025年）指出，湿度和酸度是影响HTD微生物组成和风味地理差异的主要因素。此外，Yang等人（2025年）发现，产生酯酶的细菌在HTD中的空间分布与湿度梯度密切相关。迄今为止，关于影响大曲中微生物群落组装的应激机制的研究主要集中在生产过程中的理化因素上（Qi等人，2022年）。然而，挥发性代谢物在塑造微生物群落组装中的生态学作用仍不够明确。微生物代谢物可以作为信号分子、底物或抑制剂，从而调节群落间的相互作用和动态变化（Ma等人，2025年）。

风土条件对大曲的生产有重要影响（Tang等人，2025年）。尽管各地区的加工工艺大体相似，但由于大曲生产的开放性，自然接种源和生产微环境的差异（如温度、通风、湿度、酸度）会导致大曲中微生物群落结构、酶组成和挥发性代谢物的显著差异（Ali等人，2024年；Zhu等人，2023年）。例如，Ma等人（2025年）通过比较三个主要酱香型白酒生产区域的大曲，发现了具有区域特异性的关键微生物类群和代谢特征，表明大曲微生物群落能够保留反映风土效应的特征。然而，不同地区的演替模式和群落组装过程，以及生物和非生物因素在HTD生产过程中的相对贡献仍需进一步研究。

因此，在本研究中，我们分析了HTD中细菌和真菌群落的阶段依赖性演替模式，并评估了不同生产阶段的区域差异。通过零模型分析揭示了影响细菌和真菌群落组装的主要生态过程。共现网络分析用于描述HTD生产过程中的微生物相互作用。混合效应模型用于量化并比较理化条件、微生物属性和挥发性代谢物对群落组装模式的相对贡献。本研究旨在提供HTD微生态系统的综合生态学描述，并为未来的机制验证提供候选因素。

章节摘录

样品采集

HTD样品来自酱香型白酒核心生产区域的两个代表性地区：位于赤水河上游的金沙地区（标记为U）和位于赤水河中游的茅台地区（标记为M）。样品采集时间分别为生产第0天、第8天、第15天和第40天，涵盖了HTD生产中的四个关键阶段：初始堆叠（IS）、第一次翻堆（FT）和第二次翻堆（ST）。

微生物群落多样性和结构特征

HTD是酱香型白酒生产中的关键发酵剂，其群落多样性和组成是决定生产性能和最终产品质量的关键因素（Han等人，2023年）。α-多样性指标显示了明显的区域和阶段依赖性模式（图1a，b）。在初始堆叠（IS）阶段，UIS中的细菌和真菌的Chao1指数均低于MIS，表明茅台地区在生产开始时的微生物丰富度更高。

结论

本研究比较了来自两个代表性酱香型白酒核心区域的高温大曲（HTD）在四个关键生产阶段的表现。结果表明，生产区域和阶段共同影响了微生物的演替和群落结构。细菌群落的组装机制具有领域特异性和阶段依赖性。细菌群落主要受确定性选择（主要是同质选择）的影响，而真菌群落则主要受随机因素支配。

作者贡献声明

卢俊：资源管理、项目协调。陈向梅：实验研究。黄永光：写作、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法学研究、资金申请。邓阿玲：方法学研究、实验研究。沈培全：初稿撰写、软件使用、方法学研究、数据管理、概念构思。龚佳欣：写作、审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：32360571）、国家自然科学基金计划（项目编号：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（编号：[2023]477）、贵州省科技基金项目（重点项目，ZK[2024]编号：016）、贵州省科技支持计划项目（一般项目，编号：343）以及贵州省科技成果项目。