浓香型白酒窖泥中产丁酸与产己酸菌的互养共生机制及其对己酸生物合成的协同促进作用

本研究针对浓香型白酒生产过程中己酸(CA)产量不稳定的核心瓶颈问题，成功构建了由Caproicibacter sp. BJN0012和Clostridium sp. BJN0013组成的稳定产酸微生物联合体。通过代谢物交换的协同机制，共培养时反向β-氧化途径基因显著上调，使CA产量提升15.31倍。该研究为构建可控核心产酸菌群提供了理论基础，对提升白酒品质一致性具有重要意义。

　　

在中国传统白酒酿造体系中，浓香型白酒以其独特的窖香浓郁、绵甜爽净的风格享有盛誉。其风味品质的核心物质己酸乙酯，主要来源于微生物代谢产生的己酸(caproic acid, CA)。然而在实际生产过程中，CA的生物合成稳定性却成为制约白酒品质一致性的关键瓶颈。窖泥微生物群落结构复杂，其中产丁酸(butyric acid)和产己酸菌群的互作机制尚未明确，导致CA产量波动较大，直接影响基酒品质的稳定性。

为解决这一行业共性技术难题，来自北京工商大学老年营养与健康教育部重点实验室的研究团队开展了窖泥微生物互作机制研究。该研究通过分离筛选获得高效功能菌株，解析其代谢互作网络，为构建稳定可控的核心产酸微生物联合体提供理论依据。相关研究成果发表于《International Journal of Food Microbiology》。

研究人员主要采用多组学整合分析技术，结合靶向代谢物检测，对窖泥来源的菌株进行系统研究。通过宏基因组学筛选功能菌株，利用转录组学(RNA-seq)分析关键基因表达，采用代谢组学(GC-MS)定量短链脂肪酸含量，并通过共培养实验验证菌株间互作效应。所有实验菌株均分离自浓香型白酒传统发酵窖泥样本。

菌株分离与鉴定

通过严格厌氧培养技术从窖泥中分离得到两株核心功能菌株，经16S rRNA基因序列分析鉴定为Caproicibacter sp. BJN0012和Clostridium sp. BJN0013。系统发育分析表明BJN0012属于产己酸菌群，BJN0013属于产丁酸菌群。

共培养效应验证

单菌培养与共培养对比实验显示：两株菌共培养时CA产量达到1526 mg/L，较BJN0012单菌培养(99.6 mg/L)提高15.31倍。同时丁酸产量显著降低，表明BJN0013产生的丁酸被BJN0012高效利用转化为CA。

转录组学分析

RNA-seq数据显示：共培养条件下BJN0012的反向β-氧化(reverse β-oxidation)途径关键基因显著上调。其中编码乙酰乙酰-CoA乙酰转移酶(atoB)的基因表达量提升8.6倍，3-羟基丁酰-CoA脱氢酶(fadB)提升6.2倍，烯酰-CoA水合酶(fadA)提升5.9倍。这些基因的高表达直接促进了CA合成通路的代谢流量。

代谢互作机制

代谢组学分析揭示：BJN0013通过糖酵解途径产生大量丁酸，为BJN0012提供CA合成的前体物质。BJN0012则通过氨基酸代谢合成丰富的精氨酸(arginine)和组氨酸(histidine)，分别较单培养提高3.8倍和2.6倍。这些氨基酸显著促进BJN0013的生物量积累和细胞膜稳定性，形成典型的互养共生(cross-feeding)关系。

代谢通路重构

通过KEGG通路富集分析发现：共培养体系中丁酸代谢(butanoate metabolism)通路发生显著重编程。BJN0012的磷酸转乙酰酶(pta)和乙酸激酶(ack)基因下调，而丁酰-CoA:乙酸CoA转移酶(but)基因上调，表明代谢流向CA合成方向偏移。

本研究首次阐明了浓香型白酒窖泥中产丁酸菌与产己酸菌之间的互养共生机制。Clostridium sp. BJN0013通过提供丁酸底物促进Caproicibacter sp. BJN0012的反向β-氧化途径高效运行，而BJN0012通过提供氨基酸营养促进BJN0013的生长稳定性，形成协同促进CA生物合成的正向循环。该发现不仅解析了传统发酵体系中微生物互作的本质规律，更重要的是为构建稳定高效的核心产酸微生物联合体提供了理论基础和技术路径。通过人工调控这两种关键菌株的比例和代谢状态，可实现CA产量的精准控制，对提升浓香型白酒品质一致性和生产过程标准化具有重要应用价值，同时为其他发酵食品微生物群落功能调控提供了可借鉴的研究范式。