裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)在酱香型白酒发酵中的关键功能调控机制解析及其对品质稳定性的影响研究

本刊推荐：针对酱香型白酒(JXXB)因复杂自发发酵导致的品质不稳定问题，研究人员通过整合宏基因组学、宏转录组学和代谢组学技术，系统解析了发酵微生物群落结构与风味形成机制。研究发现裂殖酵母(Schi. pombe)和金山乙酰乳酸杆菌(A. jinshanensis)为核心功能菌种，其中Schi. pombe在堆积和窖池发酵阶段均发挥关键作用。工业尺度验证表明，接种Schi. pombe可使基酒产量提升32.18%，优级品比例提高37.16%，为固态发酵食品的质量控制提供了创新性解决方案。

　　

在中国传统白酒体系中，酱香型白酒(Jiangxiangxing Baijiu, JXXB)以其独特的风味特征和复杂的酿造工艺闻名遐迩。2024年全行业产量达65万千升，销售收入突破2400亿元，展现出巨大的市场潜力。然而，其生产依赖于多菌种协同的自发固态发酵过程，包括制曲、堆积发酵(Heap Fermentation, HF)、窖池发酵(Pit Fermentation, PF)和蒸馏等环节。微生物群落结构和环境参数的波动导致批次间质量差异显著，特别是风味物质组成的不稳定性已成为行业发展的核心瓶颈。尽管前期研究通过扩增子测序技术揭示了微生物群落的演替规律，但对功能微生物的代谢活性、关键菌种比例剂量调控机制以及工业尺度验证方面的研究仍存在明显不足。

为系统解析酱香型白酒品质不稳定机制，天津科技大学张翠英教授团队在《Food Chemistry: Molecular Sciences》发表了最新研究成果。研究团队采用多组学整合分析策略，结合工业尺度验证实验，揭示了裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)在风味形成和发酵稳定性中的核心作用。研究人员追踪了优质(Group-E)和普通(Group-N)车间的发酵过程，采集了堆积发酵(0、3、7天)和窖池发酵(7、15、30天)的酒醅样本。通过测定水分、淀粉、还原糖、总酸和氨基酸氮等发酵参数，结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱(HS-SPME-GC-MS)技术分析挥发性有机物(VOCs)。采用16S rRNA和ITS扩增子测序解析微生物群落结构，并整合宏基因组学和宏转录组学技术进行功能注释和代谢通路重构。关键发现通过工业尺度接种裂殖酵母Sp.65菌株(接种量3%和6%)进行验证。

研究首先通过理化参数分析发现，优质车间酒醅的淀粉消耗速率和酸度调控显著优于普通车间。Group-E在窖池发酵初期淀粉含量从24.59±0.62 g/100g迅速降至18.53±1.06 g/100g，而Group-N仅从27.42±1.61 g/100g降至25.62±1.70 g/100g，表明微生物对碳源的利用效率存在显著差异。

在风味物质解析方面，研究鉴定出59种VOCs，其中酯类物质占比64.64%~94.87%。通过偏最小二乘判别分析(PLS-DA)筛选出28种VIP>1.0的标志性风味物质，其中己酸己酯(VIP=1.93)、己酸丁酯(VIP=1.78)和己酸丙酯(VIP=1.65)在优质酒醅中含量显著升高，这些物质赋予酒体果香和油脂香气，是品质提升的关键风味组分。

微生物群落分析显示，细菌群落由初期复杂生态结构向乳酸杆菌(Lactobacillus)单优势种转变，而真菌群落中毕赤酵母(Pichia)、裂殖酵母(Schizosaccharomyces)、酿酒酵母(Saccharomyces)和接合酵母(Zygosaccharomyces)等共同构成核心功能菌群。值得注意的是，优质车间微生物群落演替更快更稳定，特别是在堆积发酵末期(H07)到窖池发酵初期(P07)阶段出现最大差异，表明该时期是微生物群落转换的关键窗口期。

通过宏基因组和宏转录组联合分析，研究首次量化了功能微生物的比例和剂量差异。发现优质车间酵母菌与A. jinshanensis的CPM值比例在H07E达到80:1，而普通车间仅为2:1。基因功能注释显示，裂殖酵母在碳水化合物代谢(9182个活性基因)和氨基酸代谢(6467个活性基因)中贡献最显著，特别是在糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢、TCA循环和脂肪酸合成等通路中保持高转录活性。

代谢通路分析表明，裂殖酵母在堆积发酵阶段主导碳氮代谢，催化UDP-葡萄糖分解、磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转化和乙醇生成等关键反应。在窖池发酵阶段，与A. jinshanensis形成代谢接力，共同完成支链氨基酸转化、酯类合成和有机酸调控等功能。其中，乙醇脱氢酶(ADH, EC 1.1.1.1)、丙酮酸脱羧酶(PDC)和芳香醇脱氢酶(AADH, EC 1.1.1.90)等关键酶的高表达是风味物质形成的重要保障。

工业尺度验证实验证实，接种3%裂殖酵母Sp.65可使酒醅温度上升速率提高，淀粉利用率显著提升(P<0.05)，总酸含量降低0.3-0.5 g/100g。基酒中挥发性物质总量提升13.61%(P<0.01)，产量增加32.18%，优级品比例从35.22%升至72.38%(P<0.001)。这些结果不仅验证了裂殖酵母在原料利用和风味调控方面的卓越性能，更为固态发酵过程的精准调控提供了可靠策略。

该研究首次通过多组学整合分析结合工业尺度验证，系统解析了酱香型白酒品质不稳定的微生物学机制。发现功能微生物的比例剂量而非单纯种类组成是决定发酵品质的关键因素，其中裂殖酵母通过参与多种代谢通路在堆积和窖池发酵阶段持续发挥核心作用。研究建立的微生物-代谢物关联模型为解析复杂发酵体系提供了新范式，开发的裂殖酵母生物强化技术成功实现了从实验室发现到工业应用的转化，对传统发酵食品的质量控制和技术升级具有重要指导意义。未来研究可基于此构建合成微生物群落，进一步实现固态发酵过程的精准设计和可控制造。