随机性和确定性过程决定的浓香型大曲在贮藏过程中的微生物群落和风味特征
大曲是白酒生产中必不可少的发酵剂，为白酒发酵提供了丰富的物质、酶类和微生物，是影响白酒风味的重要因素。大曲贮藏过程对大曲品质有着至关重要的影响。在这个阶段，大曲的微生物结构、理化指标、挥发性风味化合物以及酶活性会发生复杂而动态的变化，从而使大曲具有浓郁的风味特点，但这个过程中微生物群落的组装机制及其对挥发性风味化合物的影响尚不清楚。
2024年12月12日，由四川大学Shiyuan Ma为第一作者，在《International Journal of Food Microbiology》（IF=5.0）上发表的题为“Stochastic and deterministic processes shape microbial communities and flavor characteristics of strong-flavor daqu during storage”的文章，用来自泸州（LZ）、成都（CD）和德阳（DY）三个浓香型大曲主要产区的样品，采用基于Illumina平台的高通量测序技术和HS-SPME/GC-MS技术，结合PCoA主坐标分析、随机森林算法等，探讨了大曲贮藏过程中微生物群落组装机制及其对挥发性风味物质的影响。研究揭示了随机性和确定性过程共同驱动大曲微生物群落的组装，其中DY样品以随机过程为主，而LZ和CD样品更受确定性过程的影响。此外，研究还识别了15个生物标志物和14个关键物种，并阐明了它们与挥发性风味物质的显著相关性。这些发现为理解大曲贮藏过程中微生物群落的生态学机制提供了理论依据，并为优化大曲生产工艺和品质控制提供了科学指导。
️一、微生物群落组成在不同地区大曲贮藏过程中的差异
研究通过高通量测序技术分析了德阳（DY）、泸州（LZ）和成都（CD）三地大曲贮藏过程中细菌和真菌群落的动态变化。细菌群落以魏斯氏菌（Weissella）、乳酸菌（Lactobacillus）和高温放线菌（Thermoactinomyces）为主，真菌群落则以嗜热子囊菌（Thermoascus）、嗜热真菌（Thermomyces）和伊萨酵母（Issatchenkia）为优势菌属。DY样品的嗜热子囊菌丰度最高（占真菌群落的30%以上），而LZ样品中嗜热真菌占主导（约25%）。此外，DY样品的伊萨酵母和曲霉（Aspergillus）丰度显著高于其他地区，表明地理因素显著影响微生物演替。值得注意的是，细菌群落的相对丰度在贮藏第3个月达到峰值（DY和CD）或第4个月（LZ），而真菌群落的演替时间点因地区而异，可能与当地气候条件有关。
图1.在储存过程中从不同地区采集的达曲样品中细菌（a）和真菌（b）群落的属水平组成。
️二、微生物群落结构的区域特征与生物标志物
基于主坐标分析（PCoA）和随机森林算法，研究发现三地大曲的微生物群落结构具有显著地理差异。细菌群落中DY和CD样品聚类较近，而真菌群落则呈现明显区域分异。通过随机森林模型鉴定出15个生物标志物（8个细菌属和7个真菌属），包括芽孢杆菌（Bacillus）、糖多孢菌（Saccharopolyspora）和片球菌（Pediococcus）等。这些标志物在DY样品中丰度较高，且与酯类和氨基酸代谢功能相关。例如，芽孢杆菌和曲霉参与水解酶合成，而假丝酵母（Candida）与醇类生成有关。生物标志物的区域特异性表明，不同产地大曲的微生物功能潜力可能直接影响其风味物质合成能力。
图2.基于Bray-Curtis距离的PCoA分析，细菌（a），真菌（b）。区域差异生物标志物细菌（c），真菌（d）。
️三、关键物种在微生物共现网络中的角色
共现网络分析显示，DY样品的微生物网络复杂度最高（节点数=85，边数=312），而LZ网络稳定性最强（平均路径长度最短）。通过计算节点拓扑角色（Zi和Pi值），鉴定出14个关键物种，包括芽孢杆菌、乳酸菌和曲霉等。这些物种在维持网络结构中起核心作用：例如，DY网络的12个关键物种（如Bacillus和Aspergillus）通过正相关关系（占比52%）促进群落协作，而LZ网络的Pantoea和Byssochlamys则通过抑制有害菌维持稳定性。值得注意的是，关键物种中60%同时为优势菌或生物标志物，表明高丰度微生物可能通过资源竞争或代谢产物分泌驱动群落组装。
图3.大曲微生物共现网络。DY：（a）。LZ：（b）。CD：（c）。及关键物种拓扑角色。
️四、挥发性风味化合物的区域差异及其代谢途径
GC-MS分析鉴定出101种挥发性物质，其中酯类占比最高（47%）。DY和LZ样品的总酯含量随贮藏时间下降，而CD样品则逐渐上升。OPLS-DA分析表明，三地样品风味物质显著分离，DY样品含11种独特化合物，LZ样品则以吡嗪类物质为特征。KEGG通路富集显示，差异化合物与亚油酸代谢和萜类合成途径相关。例如，DY样品中甲基十六烷酸酯的高含量可能与高温放线菌的脂酶活性有关，而LZ样品的四甲基吡嗪则源于芽孢杆菌和曲霉的协同代谢。
图4.不同地区大曲挥发性风味物质分析。
️五、重要类群与挥发性风味物质的关联分析
通过Spearman相关性分析，研究发现重要类群与挥发性风味物质存在显著关联。在DY样品中，21种重要类群与风味物质显著相关，其中高温放线菌（Thermoactinomyces）与甲基十六烷酸酯、苯乙醇等呈正相关，而未分类芽孢杆菌（unclassified Bacilli）则与多数酯类呈负相关。LZ样品中，19种类群（如Saccharomycopsis、Pediococcus）与风味物质密切相关，其中Acetobacter与吡嗪类物质合成相关。CD样品中，Leuconostoc和Staphylococcus等17种类群与酯类和酸类物质显著相关。这些结果揭示了关键微生物通过代谢调控直接影响区域特异性风味的形成，例如DY样品中高温放线菌通过脂酶活性促进酯类积累，而LZ样品的芽孢杆菌与曲霉协同合成四甲基吡嗪。
图5.重要类群与挥发性风味物质的Spearman相关性。（DY：a；LZ：b；CD：c）
️六、微生物群落组装机制：随机与确定性过程
中性群落模型显示，DY样品的细菌群落93.1%符合中性分布，表明随机过程主导其组装；而LZ和CD样品更受确定性过程影响。Mantel检验进一步证实，气候因子与重要类群显著相关。值得注意的是，符合中性分布规律的重要分类群所占比例相对较小，说明其组装主要受确定性选择驱动，这可能通过调控代谢功能间接影响风味物质积累。
图6.中性群落模型。细菌：（a）。真菌：（b）。重要类群：（c）。MST指数。细菌：（d）。真菌：（e）。
️总结
地理因素显著影响了浓香型大曲贮藏过程中微生物群落的组装机制和风味特征。德阳（DY）大曲的微生物群落组装以随机过程为主，而泸州（LZ）和成都（CD）大曲则更受确定性过程驱动。DY大曲的微生物共现网络复杂度最高，而LZ网络的稳定性最强。研究共鉴定出15个生物标志物和14个关键物种，其中芽孢杆菌（Bacillus）、曲霉（Aspergillus）和乳酸菌（Lactobacillus）等关键物种与挥发性风味物质（如酯类、吡嗪类）的生成显著相关。DY大曲中嗜热子囊菌（Thermoascus）和伊萨酵母（Issatchenkia）丰度较高，促进了己酸乙酯等酯类物质的积累；LZ大曲则因芽孢杆菌和曲霉的协同作用，富含四甲基吡嗪等风味物质。气候因子通过调控微生物代谢途径间接影响风味的区域差异。这些发现揭示了地理因素通过随机性与确定性过程共同塑造大曲微生物群落，并为优化贮藏工艺提供了理论依据。
