新疆焉耆盆地马瑟兰葡萄酒自然与接种发酵中微生物群落演替及其对挥发性风味成分的影响

本研究针对中国核心葡萄酒产区马瑟兰葡萄酒工业化规模自然发酵(SF)与接种发酵(IF)过程中微生物风土及其对挥发性风味特征影响不明的问题，系统研究了新疆焉耆盆地马瑟兰葡萄表皮至发酵过程的微生物群落动态，比较了IF和SF的挥发性化合物谱并分析其相关性。研究发现葡萄生长阶段和发酵过程中微生物群落组成结构发生显著变化，SF比IF产生更多样化的挥发性化合物(65种vs 47种)，但IF总挥发性化合物含量更高(341578.53 μg/L vs 301889.28 μg/L)。研究为利用本土微生物群提升中国葡萄酒典型性和质量提供了科学依据。

　　

在葡萄酒的世界里，每一瓶佳酿都承载着独特的风土印记。近年来，中国葡萄酒产业蓬勃发展，其中马瑟兰(Marselan)作为由赤霞珠(Cabernet Sauvignon)和歌海娜(Grenache)杂交选育的红葡萄酒品种，以其细腻口感和耐热特性备受关注，中国已成为全球第二大马瑟兰葡萄酒生产国。然而，一个关键科学问题一直困扰着酿酒师和研究人员：在中国核心葡萄酒产区，特别是新疆焉耆盆地这样的特色产区，工业化规模的自然发酵(Spontaneous Fermentation, SF)与接种发酵(Inoculated Fermentation, IF)过程中，微生物风土(microbial terroir)如何影响葡萄酒的挥发性风味成分？

微生物风土作为驱动不同地区葡萄酒多样性和典型性的关键因素，已成为葡萄酒科学研究的热点。新疆焉耆盆地作为中国马瑟兰葡萄的核心产区，具有独特的大陆性气候特征：降雨稀少、昼夜温差大、光照充足。天山雪水灌溉的沙质土壤为葡萄栽培提供了理想条件，这里产出的马瑟兰葡萄成熟度高，糖分和风味物质积累丰富，所酿葡萄酒通常具有果香浓郁、结构良好、矿物感明显等特色。然而，尽管已有研究关注马瑟兰葡萄的表皮微生物，或不同酵母菌株对微生物群落和挥发性化合物的影响，但从葡萄表皮到葡萄酒的微生物群落演替及其在自然发酵和接种发酵中对挥发性成分影响的系统性研究仍属空白。

为此，研究人员在《LWT》期刊上发表了最新研究成果，系统揭示了新疆焉耆盆地马瑟兰葡萄酒从葡萄到酒的微生物群落动态变化及其对风味形成的贡献。

本研究主要采用了以下关键技术方法：从新疆乡都酒业有限公司葡萄园采集马瑟兰葡萄三个生长阶段(坐果期、转色期、成熟期)的样本，使用无菌棉签进行微生物采样；分别进行自然发酵(SF)和接种发酵(IF)试验，在发酵过程中多个时间点采集样品；通过HS-SPME-GC/MS(顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用)技术分析挥发性化合物；采用Illumina Miseq平台对细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS区进行高通量测序；运用主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)和Spearman相关分析等统计方法解析微生物与风味成分的关联性。

3.1. 葡萄生长阶段的微生物多样性

研究发现，细菌群落多样性随时间推移而降低，而真菌群落呈现动态演替。变形菌门(Achromobacter)在整个葡萄生长阶段都是优势菌属，其相对丰度从坐果期的19.9%增加到转色期的76.9%，并在成熟期达到峰值80.0%。真菌群落中，枝孢菌(Cladosporium)在早期占主导地位(坐果期22.7%)，转色期激增至69.5%，成熟期下降至34.6%。同时，丝孢酵母(Filobasidium)和链格孢(Alternaria)在成熟期显著增加，分别达到29.2%和20.8%。主坐标分析(PCoA)显示三个生长阶段的微生物群落结构存在明显差异，表明显著的时间动态变化。

3.2. 发酵过程中理化性质的变化

尽管自然发酵启动较晚，但两种发酵方式的糖消耗和乙醇产量最终结果相似。SF和IF的最终乙醇浓度分别为15.0%(v/v)和15.3%(v/v)，最终总糖含量分别为3.6 g/L和2.8 g/L。总酸含量在发酵过程中波动，最终分别维持在3.7 g/L(SF)和3.8 g/L(IF)左右。

3.3. 发酵过程中挥发性化合物的变化

研究共鉴定出SF过程中65种和IF过程中47种挥发性化合物。SF产生16种醇类、14种酯类、6种醛类、5种萜烯类、3种酸类、3种酚类和18种其他化合物；IF则包含17种醇类、15种酯类、5种醛类、5种酸类、4种萜烯类和1种酚类。异戊醇(SF中193636.39 μg/L，IF中228032.95 μg/L)、乙酸乙酯(SF中53047.21 μg/L，IF中59429.57 μg/L)、异丁醇(SF中15806.82 μg/L，IF中25261.56 μg/L)和苯乙醇(SF中15152.2 μg/L，IF中14103.12 μg/L)是葡萄酒中的主要挥发性成分。发酵结束时，IF产生的挥发性化合物总浓度(341578.5 μg/L)高于SF(301889.3 μg/L)，但SF比IF产生更多样化和更高浓度的醛类、酚类和其他化合物。

气味活性值(OAV)分析显示，两种处理中均有11种化合物的OAV>1。IF的总OAV高于SF(316.5 vs 279.1)。无论是接种发酵还是自然发酵，主要的香气成分都是萜烯类(β-大马酮β-damascenone、α-松油醇α-terpineol)，其次是酯类(丁酸乙酯、乙酸异戊酯、辛酸乙酯和己酸乙酯)和高级醇(异戊醇、3-甲基-1-戊醇和苯乙醇)。β-大马酮在SF和IF中都具有最高的OAV(194.6 vs 184.4)。紫罗兰酮(ionone)仅在SF中产生且OAV>1，而芳樟醇(linalool)仅在IF中产生，OAV为8.1。

3.4. 发酵过程中的微生物演替

香农多样性指数显示，细菌和真菌多样性在发酵期间均呈下降趋势，且所有样品中细菌多样性始终高于真菌多样性。SF中细菌群落多样性大于IF。在D0时，SF以Vogesella(25.4%)、Achromobacter(8.2%)和Methylorubrum(5.4%)为主；IF则以Vogesella(14.3%)、Achromobacter(11.8%)和Methylobacterium-Methylorubrum(6.4%)为主导。从D3开始，SF转变为以Achromobacter(在D15达到峰值81.1%)、明串珠菌(Leuconostoc)(在D3达到峰值48.6%)和乳酸菌(Lactobacillus)(在D5达到峰值33.6%)为主。IF中，Achromobacter保持较高水平，Leuconostoc波动，Methylobacterium-Methylorubrum保持稳定。两种发酵初始葡萄汁中的真菌群落都以酿酒酵母(Saccharomyces)、曲霉(Aspergillus)、篮状菌(Talaromyces)、Cladosporium、青霉(Penicillium)和Alternaria为主。随着发酵开始，Saccharomyces迅速增殖并成为整个发酵过程中的优势属。

3.5. 微生物群落结构与挥发性化合物的相关性分析

微生物相互作用对塑造微生物结构和调节葡萄酒感官特性起着关键作用。在SF中，挥发性化合物形成的关键贡献者包括Saccharomyces、Aspergillus、Achromobacter、Lactobacillus、Leuconostoc、Methylobacterium-Methylorubrum、葡糖杆菌(Gluconobacter)、不动杆菌(Acinetobacter)和Vogesella。相比之下，IF主要由Saccharomyces、Aspergillus、Achromobacter、Talaromyces、Cladosporium和Vogesella主导。

Saccharomyces作为两种发酵中的优势酵母，在SF中与酯类(如乙酸己酯、苯乙酸乙酯)和醛类(壬醛)呈正相关；在IF中与酯类(乙酸己酯、苯乙酸乙酯、丙酸乙酯)和高级醇(3-己烯-1-醇)呈正相关。Achromobacter在浆果发育和发酵过程中持续存在，在SF中与酯类(乙酸乙酯、丁酸乙酯)、醇类(异丁醇、1-丁醇、异戊醇、1-己醇、1-庚醇、苯甲醇、苯乙醇)、酸类(辛酸)和醛类(苯甲醛、癸醛)呈正相关，在IF中与癸酸乙酯呈正相关。Lactobacillus在SF中更为突出，与苯乙酸乙酯动态呈正相关。Methylobacterium-Methylorubrum对SF的香气复杂性有显著贡献，与高级酯类(乙酸乙酯、丁酸乙酯)、醇类(异丁醇、异戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-壬醇、苯乙醇)、酸类(辛酸)、醛类(癸醛)和酚类(2,4-二叔丁基苯酚)呈强正相关。值得注意的是，Gluconobacter与几种SF特有化合物(香叶酸乙酯、壬酸乙酯、己酸和对叔丁基苯酚)独特地呈正相关，表明它是这些化合物形成的关键驱动因素。

研究还观察到某些微生物属与挥发性化合物之间存在负相关关系。Aspergillus与SF中酯类(己酸乙酯、乙酸己酯、苯乙酸乙酯)和醛类(壬醛)的抑制有关，在IF中与酯类(丙酸乙酯)和醇类(3-己烯-1-醇)的抑制有关。Acinetobacter在SF中与酯类(乙酸乙酯)和醇类(异丁醇、异戊醇、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇)呈负相关。Vogesella在SF中表现出广泛的抑制作用，对高级醇(如异丁醇、苯甲醇)、酯类(9-癸烯酸乙酯)和萜烯类(如α-松油醇)产生负面影响，但与己醛呈正相关。在IF中，Vogesella的抑制作用扩展到其他酯类(如乙酸乙酯、丁二酸二乙酯)、高级醇(如1-己醇、苯乙醇)和醛类(如壬醛、癸醛)。同时，Talaromyces在IF中强烈抑制酯类(如乙酸异丁酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯)和高级醇(如1-丁醇、1-壬醇、香叶醇)，Cladosporium与高级醇如4-甲基-1-戊醇呈负相关。

研究结论与意义

本研究系统揭示了葡萄表皮微生物群落在浆果发育过程中发生显著变化，并在发酵过程中对挥发性化合物谱的形成起着关键作用。与接种发酵相比，自然发酵支持了更多样化的细菌群落，从而产生了更广泛的挥发性化合物谱(65种vs 47种)。然而，接种发酵产生了更高总浓度的挥发性化合物(341,578.53 μg/L vs 301,889.28 μg/L)和更高的总体气味活性值(194.6 vs 184.4)。

研究鉴定出的关键微生物贡献者包括Saccharomyces、Aspergillus、Achromobacter、Lactobacillus、Leuconostoc、Methylobacterium-Methylorubrum、Gluconobacter、Acinetobacter、Vogesella、Talaromyces和Cladosporium。这些发现深化了我们对本土微生物在焉耆盆地马瑟兰葡萄酒香气形成中作用的理解，为利用区域微生物资源提升葡萄酒典型性和质量提供了科学基础。

该研究的重要意义在于：首次系统揭示了新疆焉耆盆地马瑟兰葡萄酒从葡萄到酒全过程的微生物演替规律；明确了自然发酵与接种发酵对风味成分形成的差异化影响；识别了该产区特有的关键功能微生物群；为中国葡萄酒产业利用微生物风土塑造产品特色、提升国际竞争力提供了理论依据和实践指导。随着中国葡萄酒产业的不断发展，此类针对特定产区和品种的深入研究将为实现葡萄酒产品差异化、提升中国葡萄酒在国际市场上的地位发挥重要作用。