基于宏基因组学和代谢组学解析陶融型白酒发酵过程及其与氨基酸的互作机制

为解决陶融型白酒发酵机制不清的问题，研究人员采用shotgun metagenomics和metabolomics技术，揭示了发酵过程三阶段演替规律，发现pH、淀粉和还原糖是前期关键驱动因子，而Val、Glu等氨基酸通过调控优势菌群（如Acetilactobacillus jinshanensis）促进风味物质合成，为白酒标准化生产提供理论依据。

　　

陶融型白酒作为中国创新香型白酒，其复杂的九粮四陶工艺赋予其独特风味，但发酵过程中微生物群落演替与氨基酸的互作机制尚不明确，导致品质波动大。传统白酒依赖自然接种和开放式固态发酵，微生物多样性高但稳定性差，如何通过营养调控提升发酵可控性成为行业痛点。

为解决这一问题，河南牧业经济学院刘彦波团队联合河南仰韶酒业，采用高通量shotgun metagenomics（鸟枪法宏基因组学）和GC-MS代谢组学技术，系统分析了42天发酵周期内酒醅的理化性质、微生物群落和代谢物动态变化。研究通过15点采样法获取7个时间点（0/7/14/21/28/35/42天）的样本，结合温度、pH、淀粉等9项指标监测，并利用LEfSe分析和PICRUSt2功能预测揭示关键代谢通路。

3.1 酒醅理化性质动态变化

研究发现发酵温度呈现先升后降趋势，7天达到峰值38°C。水分含量在0-7天从43.81%升至53.30%，pH值在21天降至3.61后趋于稳定。淀粉含量在前期（0-14天）从23.74%快速降至14.26%，而乙醇和总酯含量持续上升，分别达到3.40% vol和0.93 g/L，表明糖化与酯化反应的分阶段特征。

3.2 游离氨基酸积累规律

17种游离氨基酸中16种含量显著增加（p<0.05），总量从3977.84 mg/kg升至7819.93 mg/kg。其中丙氨酸（Ala）含量最高（1602.00 mg/kg），而半胱氨酸（Cys）保持稳定（0.11-0.33 mg/kg）。这种积累可能源于蛋白质水解和微生物自溶，为后期风味合成提供前体。

3.3 挥发性风味物质特征

检测到39种风味物质，包括苯乙醇（峰值43.84 mg/kg）、乙酸（主导21天发酵）和乳酸乙酯（115.91 mg/kg）。代谢组学PCA分析显示，14-35天样本代谢谱重叠，表明此阶段代谢趋于稳定。差异代谢物分析发现，0-7天以有机氧化合物（如醇类）为主，而后期苯环类物质显著富集。

3.5 微生物群落演替

宏基因组测序揭示Bacillota（厚壁菌门）相对丰度从35%升至95%，成为绝对优势菌群。物种水平上，前期以Pichia kudriavzevii（库德里阿兹威氏毕赤酵母）和Ligilactobacillus acidipiscis（嗜酸鱼乳杆菌）为主（>5%），14天后Acetilactobacillus jinshanensis（金山醋乳杆菌）占比达66.77-81.72%。LEfSe分析（LDA>3.2）证实该菌与Lactobacillus acetotolerans（耐酸乳杆菌）是中后期关键驱动菌株。

3.6 多组学关联分析

RDA分析表明，pH和淀粉含量是前期群落演替主要驱动力（解释度96.52%）。Spearman相关性显示，金山醋乳杆菌与乳酸乙酯等19种风味物质显著正相关（r>0.7），而Limosilactobacillus pontis（桥乳杆菌）与苯乙酸等物质负相关。氨基酸中Val（缬氨酸）和Glu（谷氨酸）通过促进优势菌生长，间接调控酯类合成通路。

这项研究首次阐明了陶融型白酒发酵的三阶段规律，证实氨基酸动态变化通过"营养-微生物-代谢"级联反应影响风味形成。该成果为通过精准调控氨基酸组成来优化发酵工艺提供了理论依据，对实现白酒生产的标准化和品质提升具有重要意义。论文发表于《Food Chemistry: X》，所有测序数据已上传NCBI（PRJNA1196637）。