众所周知，在酿酒过程中，“曲”对最终酒体的品质有着举足轻重的影响，所谓“曲为酒之骨”，大曲作为白酒的糖化发酵剂历史悠久，至今仍具有无法替代的作用。其制作过程通常采用开放式的自然接种形式，原料和环境微生物的参与形成了复杂独特的微生物群落，对白酒风味的形成具有重要意义。
小麦源微生物菌群在制曲过程中对高温大曲微生物群落的组装和风味物质的形成至关重要。影响小麦源微生物群落结构组成的因素有很多，如产区环境、病害感染、生物农药和微生物菌剂的使用等。近年来，研究人员采用多种方法对大曲微生物多样性及微生物群落结构演替规律展开研究。但原料源功能微生物在制曲过程中的迁移演变规律及其对大曲品质特征的影响尚不清楚。基于此，中国农业大学的韩北忠教授团队在项目中拟基于菌系、物系和酶系多层面揭示原料源功能微生物在强化大曲中的应用潜力，为建立原料选用标准和提高大曲品质奠定理论基础，也为实现传统固态发酵工业化和标准化提供技术支持。
韩北忠教授团队对原料小麦和制曲过程中不同阶段的大曲样本进行了微生物传统培养法和高通量测序结合分析。同时进行挥发性和非挥发性代谢物的分析，结合微生物分析结果进行关联网络分析，挖掘重要微生物的代谢特征，表征微生物与风味物质之间的关系，讨论微生物在制曲过程中的代谢功能，从更客观的角度阐明小麦源微生物对大曲菌群和代谢物的贡献。主要结果如图1所示，小麦源细菌群落中相对丰度较高的主要有葡萄球菌属、泛菌属、伯克氏菌属和糖多胞菌属。现有报道显示，伯克氏菌属中部分菌株可用做生物农药，抑制烂穗现象的发生。由此可见，小麦源微生物与小麦生长环境和状况密切相关。由于高温大曲制曲培菌过程高温筛选，芽孢杆菌属和嗜热放线菌属在制曲培菌后期占较高相对丰度。但整个制曲培菌过程中小麦源的细菌，如嗜热放线菌属和葡萄球菌属与大部分非挥发性代谢物的相关性趋势相反，而泛菌属和糖多孢菌属与挥发性代谢物的相关性相反。说明小麦源的细菌对高温大曲中代谢物的积累有重要作用，这与后续参与到酿酒过程中的物系、菌系和酶系密切相关。
图1 （A）小麦和过程曲中细菌属水平群落结构 （B）Spearman秩相关检验的细菌与非挥发性代谢物相关性热图（*表示P < 0.05；**表示P < 0.01）
通过在实验室水平下模拟车间高温大曲的制曲培菌过程，以是否去除小麦源微生物为唯一变量，比较对照组和实验组培菌过程中可培养微生物数量、群落演替、代谢物积累和代谢通路表达的差异，全面直观地阐述小麦源微生物在培菌过程中的功能作用，并筛选其中发挥最关键功能的小麦源核心菌属，发掘核心微生物的代谢功能，旨在从控制微生物的角度优选原料，调节和优化高温大曲培菌过程。
结果显示在模拟制曲的中后期，芽孢杆菌属成为了微生物群落结构中的绝对优势菌，但两组芽孢杆菌在种水平上差异较大（图2），且整个模拟制曲培菌过程中糖、酸、醇、氨基酸类代谢物的含量具有显著差异（图3），有小麦源微生物参与的实验组芽孢杆菌种水平的多样性高于灭菌组，糖、酸、醇、氨基酸类代谢物的含量也显著高于灭菌组。这说明，小麦源芽孢杆菌在制曲培菌过程中起着十分重要的作用，与芽孢杆菌直接相关的糖类和氨基酸类代谢物是制曲过程中重要的美拉德反应的底物，也是后续酿造过程中白酒风味物质产生的重要底物。
图2 灭菌组和对照组细菌丰度前100的ASV系统发育树和火山图
图3 通过VIP值筛选的灭菌组和对照组的主要差异代谢物含量
本研究通过多组学分析剖析了高温大曲培菌过程中小麦源核心微生物和核心代谢功能，并通过有效的验证实验证明，小麦源微生物对大曲微生物群落演替和代谢物累积有重要的影响，小麦源芽孢杆菌在制曲培菌初期发挥了重要的作用。同时在研究过程中筛选出了一批发酵性能优良的芽孢杆菌菌株，但由于生产过程中使用的原料小麦携带的微生物组成存在差异，因此功能菌株的应用条件还有待完善。
关于制曲原料的研究除了原料源微生物，原料自身的组分对高温大曲品质的影响也十分重要。团队前期的研究表明原料中蛋白质的含量和氨基酸组成、淀粉含量和直链支链淀粉比例对制曲过程中微生物组和代谢物组有重要影响，后续应进一步挖掘小麦源芽孢杆菌的代谢机制，为完善制曲原料小麦的相关标准提供理论依据，也为提升大曲品质的稳定性和制曲生产的智能化推进奠定基础。
日期：2023-05-23
