高温大曲发酵过程中理化特性与微生物群落的时空动态演变机制

推荐：本研究针对酱香型白酒发酵过程中高温大曲（HTD）分层形成机制不清的问题，通过PacBio SMRT测序等技术，系统解析了HTD不同发酵阶段（0-5天与8-40天）及空间分层（上、中、下层）的微生物群落演替规律，发现上层大曲具有显著更高的糖化酶（U, mg/g·h）和液化酶（U, g/g·h）活性，鉴定出39种差异代谢物和13种微生物标志物，揭示了pH、温度等环境因子驱动群落分化的机制，为酱香型白酒品质调控提供了理论依据。

　　

酱香型白酒作为中国特有的传统蒸馏酒，其独特风味离不开高温大曲（High-temperature Daqu, HTD）的发酵作用。然而，HTD在40天固态发酵过程中会自然形成白、黄、黑三种颜色的分层现象，这些不同层的大曲在后续酿酒中承担着差异化功能，但其形成机制长期不明。尤其令人困惑的是，为何上层大曲糖化能力突出？中层大曲为何更易变黑？这些问题直接关系到HTD的质量控制和酱香型白酒的风味稳定性。

针对这一难题，贵州省遵义市某酱香型白酒企业的研究团队联合学术机构，在《Food Chemistry: X》发表了突破性研究。他们创新性地采用时空双维度采样策略，结合第三代PacBio SMRT测序技术（针对全长16S rRNA和ITS序列）和代谢组学分析，首次在物种水平揭示了HTD发酵的微生物演替规律。研究通过监测10个时间点（0-40天）和3个空间层（上、中、下层）的84份样本，运用酶活性检测、HPLC、HS-SPME-GC-MS等技术，构建了完整的HTD发酵动态图谱。

3.1 理化特性的空间分化
研究发现，发酵5天后各层大曲开始显著分化：上层温度最低（比中层低12.1-13.4°C），pH最高（4.6），糖化酶活性达478 U，是其他层的1.8倍；中层则呈现高酸（pH 3.2）、高湿特性。这种梯度差异为微生物群落分化创造了条件。

3.2 代谢标志物的层间差异
通过PLS-DA分析鉴定出39种VIP>1的差异代谢物，其中上层富含四甲基吡嗪（Tetramethylpyrazine, VIP=2.21）和异戊酸（VIP=2.26），中层积累更多乳酸和柠檬酸。值得注意的是，上层挥发性风味物质总量比其他层高37%，这与其特殊的微生物组成密切相关。

3.3 物种级微生物演替
PacBio测序揭示了关键物种的动态变化：早期（0-5天）以酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）和乳酸菌（Weissella confusa）为主；后期（8-40天）上层富集 Lichtheimia ramosa 真菌和 Bacillus amyloliquefaciens，中层则以耐热菌 Thermoactinomyces daqus 为标志。这些物种的空间分布与酶活性呈强相关性，如B. amyloliquefaciens 与糖化酶的相关系数达0.82。

3.5 环境驱动机制
冗余分析（RDA）表明，上层群落主要受pH和液化酶驱动（解释61.9%变异），中层则被酸度（69.1%）主导。共现网络分析进一步显示，上层微生物互作以细菌-真菌跨界协同为主（占比78.4%），而中层更依赖细菌间代谢互补。

这项研究首次从时空维度阐明了HTD三层分化的微生物机制：上层因接触氧气较多，促进好氧菌（如Bacillus）和霉菌（如Rhizomucor pusillus）的协同生长，从而形成高酶活性的白色大曲；中层缺氧环境则选择耐酸菌群，通过乳酸发酵导致pH下降和黑色素积累。该成果不仅为HTD的精准调控提供了13个物种标志物和39个代谢标记，更创新性地提出通过调控堆料通风来优化分层效应的工艺思路，对实现酱香型白酒的标准化生产具有重要实践价值。

特别值得注意的是，研究采用的PacBio全长测序技术将微生物鉴定分辨率提升至物种水平，相比传统的V3-V4区测序更能揭示功能菌株的真实分布。这种技术路线为其他发酵食品的微生物研究提供了新范式。随着劳动力成本上升，该成果对推动HTD机械化生产的质量控制具有前瞻性意义。