Cooperation within the microbial consortia of fermented grains and pit mud drives organic acid synthesis in strong-flavor Baijiu production

發酵谷物和坑泥微生物聯盟內部的合作推動了濃香白酒生產中的有機酸合成

來源：Food Research International 147 (2021) 110449

 

一、摘要概述

 

本研究揭示了濃香型白酒發酵過程中酒醅（jiupei）與窖泥（pit mud）微生物群落的協同分工機制。通過監測窖池內環境參數（溫度、氧氣、pH）、代謝物（乙醇、有機酸）及微生物群落動態，發現：

 

酒醅（酸性、高乙醇）以乳酸菌（Lactobacillus）為主導（末期占比98.0%），負責乳酸和乙酸合成；

窖泥（中性pH）以梭菌（Clostridia）為主（相對豐度42.9–85.5%），主導丁酸和己酸的生成；

分工機制：酒醅微生物產生的乳酸/乙酸被窖泥微生物進一步轉化為風味關鍵物質（丁酸、己酸）。

意義：首次闡明窖池內空間分區的微生物群落通過代謝接力驅動白酒特征風味的形成機制。

 

二、研究目的

 

解析風味形成機制：明確酒醅與窖泥微生物在有機酸（乳酸、乙酸、丁酸、己酸）合成中的分工。

揭示群落協同規律：探究窖池內不同空間（酒醅 vs 窖泥）微生物群落的演替與功能分化。

驗證代謝分工假說：通過體外模擬發酵驗證酒醅-窖泥微生物的代謝協作關系。

 

三、研究思路

 

采用 "原位監測→群落分析→功能預測→體外驗證" 策略：

 

原位動態監測：

采集發酵過程（0–46天）酒醅與窖泥樣本（圖1）。

 

監測環境參數（溫度、氧氣、pH）及代謝物（乙醇、有機酸）。

微生物群落解析：

qPCR和高通量測序分析細菌/真菌群落結構（圖2）。

 

 

β-多樣性分析（PCoA/UPGMA）揭示群落分化（圖3）。

 

功能預測與驗證：

PICRUSt預測代謝功能（圖5）。

 

體外雙模塊發酵驗證分工機制（圖6）。

 

 

四、關鍵數據及其研究意義

1. 環境參數與代謝物動態（圖1）

 

數據來源：圖1A–J（原位監測數據）。

結果：

氧氣：酒醅在發酵5天后完全厭氧（Unisense電極測定），窖泥全程厭氧（圖1D）。

pH：酒醅酸性（pH 3.3–3.9），窖泥中性（pH 6.8–8.0）（圖1C）。

有機酸：乳酸（酒醅主導，28.8 mg/g） vs 丁酸/己酸（窖泥主導，濃度分別為酒醅的3倍/4倍）（圖1G–J）。

意義：證實酒醅與窖泥形成截然不同的微環境，驅動微生物功能分化。

 

2. 微生物群落演替（圖2–4）

 

數據來源：圖2（qPCR/測序）、圖3（β-多樣性）、圖4（OTU共享網絡）。

結果：

細菌主導：細菌生物量是真菌的100倍（酒醅）至10,000倍（窖泥）（圖2A）。

群落分化：酒醅以Lactobacillus為主（98.0%），窖泥以Clostridia（Hydrogenispora等）為主（圖2B）。

物種遷移：酒醅與窖泥共享OTU（如OTU0:Lactobacillus），但豐度動態相反（圖4C）。

意義：空間隔離導致群落結構顯著分化（ANOSIM: R=0.858, P=0.001），支撐功能分工。

 

3. 代謝功能預測（圖5）

 

數據來源：圖5A–D（PICRUSt預測）。

結果：

酒醅：富集乳酸/乙酸合成酶（EC 1.1.1.28, EC 1.2.1.3）（圖5C）。

窖泥：富集丁酸/己酸合成酶（EC 2.7.2.7, EC 6.2.1.2）（圖5D）。

意義：從酶水平解釋酒醅產乳酸/乙酸、窖泥產丁酸/己酸的功能分化。

 

4. 體外驗證實驗（圖6）

 

數據來源：圖6B–E（雙模塊發酵）。

結果：

模塊1（酒醅）：產乳酸（27.9 g/L）和乙酸（2.0 g/L）（圖6B）。

模塊2（窖泥）：消耗乳酸生成丁酸（2.9 g/L）和己酸（圖6C）。

群落變化：窖泥模塊中Caproiciproducens（己酸生產者）豐度升至35.0%（圖6E）。

意義：直接驗證"酒醅產酸→窖泥轉化"的代謝接力機制。

 

五、結論

 

微環境驅動分工：酒醅（酸性/高乙醇）與窖泥（中性）塑造了差異化的微生物群落。

代謝功能分化：酒醅微生物合成乳酸/乙酸，窖泥微生物將其轉化為丁酸/己酸。

群落協同機制：通過物種遷移（如Lactobacillus）和代謝物交換（如乳酸）實現跨空間協作。

應用價值：為調控白酒風味品質提供了微生物群落層面的理論依據。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 測量原理與實驗設計

 

技術原理：

Unisense OX-50微電極基于安培法，實時檢測溶解氧濃度（方法2.2）。

校準：采用氧飽和PBS標準曲線（25°C）。

實驗場景：

監測酒醅與窖泥在46天發酵中的氧氣動態（圖1D）。

 

2. 關鍵結果與意義

 

數據來源：圖1D（原位氧氣變化曲線）。

結果：

酒醅：0–5天含氧（>0.5 mg/L），5天后降至厭氧狀態（<0.1 mg/L）。

窖泥：全程維持厭氧狀態（<0.1 mg/L）。

意義：

證實窖池密封性：氧氣快速消耗驗證傳統泥窖的厭氧環境構建能力。

解釋群落演替：酒醅早期需氧菌（如Acetobacter）豐度升高（圖2B），后期厭氧驅動乳酸菌主導。

支撐代謝分工：窖泥嚴格厭氧環境是梭菌（丁酸/己酸生產者）活化的必要條件（圖5D）。

 

3. 研究價值

 

方法學優勢：首次在白酒發酵中應用微電極實現原位、實時氧監測，避免取樣干擾。

機制闡釋：氧氣動態直接關聯微生物群落演替（如Acetobacter在酒醅早期的快速生長與耗氧相關）。

工藝優化指導：證實前5天為微需氧窗口期，可通過調控氧氣影響風味前體合成。

 

七、研究意義

 

理論創新：提出"窖池空間分區微生物代謝接力"模型，突破單一群落研究的局限。

技術應用：Unisense電極監測為傳統發酵工藝的精準調控提供新工具。

產業價值：通過調控酒醅-窖泥微生物協作，可定向增強白酒特征風味（如己酸乙酯）。