合成非酿酒酵母菌群重塑中国白酒中挥发性和非挥发性化合物的相互作用

《Food Research International》：Synthetic non- Saccharomyces yeast community reformulates volatile and non-volatile compound interactions for Chinese whiskey

　　

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  合成酵母群落重塑了威士忌的挥发性和非挥发性化学组成。
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  非酿酒酵母增强了酯类和酚类化合物，减少了脂肪酸。
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  通过分子对接揭示了挥发性-非挥发性超分子复合物。
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  PageRank算法识别出10-十一烯酸和支链氨基酸分解代谢为代谢枢纽。
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  感官小组验证了增强的花香、果香、烟熏和木质香气特征。

引言

中国威士忌在全球烈酒市场中的份额正在上升，这得益于国内对优质蒸馏产品的需求增长，以及国际社会对区域风格日益浓厚的兴趣（Liu等，2026）。与苏格兰、爱尔兰和美国威士忌不同——这些酒受成熟的监管框架和数百年传统实践约束——中国威士忌的生产仍处于形成阶段，这为通过有意的微生物干预塑造风味特征留下了空间（Yang等，2025）。中国威士忌的发酵菌群包含相当丰富的酵母多样性，远不止经典的酿酒酵母，然而这些非酿酒酵母属对烈酒品质的代谢贡献在很大程度上仍未被阐明（Benito，2018）。

威士忌的感官特征由发酵、蒸馏和熟化过程中积累的挥发性和非挥发性化合物共同塑造。挥发性化合物——主要包括高级醇、酯类、脂肪酸、羰基化合物和含硫分子——定义了鼻腔直接嗅闻的香气特征，而非挥发性成分如有机酸、酚酸、残糖、氨基酸和多酚则贡献于口感、酒体质地和鼻后嗅觉香气感知（Domizio等，2014；Waymark和Hill，2021）。这种挥发性-非挥发性相互作用通常被称为基质效应，其运作涉及多种物理化学机制：疏水包裹可以封存香气化合物，盐析效应调节顶空分配，黏度依赖性质量传递改变释放动力学，这些过程共同放大或抑制关键气味物质的感知强度（Villamor和Ross，2013；Wanikawa，2020）。非挥发性组分——包括多酚和多糖——还可以通过超分子相互作用保留挥发性香气物质（Pittari等，2021）。在蒸馏烈酒中，当乙醇浓度远超葡萄酒或啤酒时，这些基质驱动的感知效应的性质和量级仍缺乏充分表征。

合成微生物群落为弥合这一差距提供了有效的实验框架（Daute等，2024；Gro?kopf和Soyer，2014）。当分类学鉴定明确、生理学特征清晰的菌株以受控接种比例组装成确定的群落时，群落组成可与环境随机性解耦，从而可以系统评价每个组成物种的代谢特征，并检测种间相互作用产生的涌现性质（Lawson等，2019）。这种还原论但具有生态学依据的策略已在葡萄酒、白酒和发酵乳制品中为风味形成提供了机理层面的洞察，但尚未应用于威士忌发酵菌群（H. Liu等，2025；X. Liu等，2026）。因此，将合成非酿酒酵母酵母群落应用于中国威士忌发酵，使得同时考察微生物对挥发性多样性以及挥发性-非挥发性相互作用的贡献成为可能。

发酵是威士忌生产中生化学产率最高的阶段：酵母代谢将谷物来源的底物转化为乙醇，同时合成数百种次级代谢产物，这些产物定义了初始烈酒的香气特征（Waymark和Hill，2021）。该行业历来依赖经筛选的酿酒酵母菌株，看重其发酵活力、乙醇耐受性和可重复性。然而，在过去十年中，非酿酒酵母——曾被视为腐败微生物——已被用作葡萄酒、啤酒和苹果酒生产中风味多样化的工具（Canonico等，2016；Padilla等，2016；Varela，2016）。诸如有孢圆酵母属、拉汉逊酵母属、毕赤酵母属、梅奇酵母属和汉逊酵母属等菌属携带广泛的水解酶库，包括释放糖苷结合型香气前体的β-葡萄糖苷酶、重塑酯类库的酯酶，以及释放风味活性氨基酸和肽类的蛋白酶，这些酶活性扩展了发酵过程中可及的化学空间（Belda等，2017；Benito，2018；Jolly等，2014）。在与酿酒酵母共发酵或顺序接种中，非常规酵母提高了果香酯类滴度，增加了甘油介导的口感，并抑制了不良的挥发性酸度（Canonico等，2016）。最近一篇综述列举了十多种具有重塑苏格兰麦芽威士忌香气潜力的非常规酵母物种，但也指出缺乏系统研究来评估它们对蒸馏烈酒基质中挥发性和非挥发性化合物谱的共同贡献（Daute等，2024）。这一空白意义重大，因为非酿酒酵母产生、消耗和转化多种多样的非挥发性代谢物，包括有机酸、多元醇、多糖和含氮化合物，这些代谢物可能改变共存香气挥发物的释放动力学和感知效应（Chen，2023；Chen等，2022）。在威士忌研究中，酵母衍生代谢物的表征主要集中于挥发性成分分析，而非挥发性组分受到的关注甚少。因此，非酿酒酵母如何共同重塑挥发性和非挥发性化学空间尚未得到考察。

本文中，我们假设非酿酒酵母会以物种特异性和群落依赖性的方式重塑烈酒的挥发性和非挥发性化学组成，并且这些组成变化将转化为感官感知的可测量差异。研究结果旨在为威士忌发酵的菌株筛选和合成群落设计提供信息，并将微生物生态学与蒸馏烈酒工业中的风味工程联系起来。

本文的贡献有四个方面。第一，我们设计了一个合成酵母群落，包含六种以生态学相关丰度存在的非酿酒酵母菌株。第二，我们通过整合的GC–MS和UHPLC-MS/MS分析表征了其挥发性和非挥发性代谢组。第三，我们通过相关网络分析和分子对接模拟阐明了这些代谢物之间的相互作用。第四，我们通过训练有素的描述性感官小组评估感官结果来验证发现。

章节片段

威士忌发酵

实验流程——从糖化经发酵和蒸馏到化学与感官分析——总结于图S1。在第一阶段，麦芽大麦（中粮集团，中国北京）使用双辊磨粉机（辊间距0.7 mm）研磨，并以1:4（w/v）的麦芽-水比例与64 °C热水混合。糖化醪在64 °C保温60分钟进行糖化，随后升温至78 °C完成糖化终止。麦汁通过过滤分离并

特征挥发性化合物的鉴定

对威士忌生产链中挥发性化合物进行的层次聚类分析揭示了三个不同簇，反映了挥发性成分在麦芽糖化、发酵和最终蒸馏过程中逐渐发生的生物化学转化（图1）。共鉴定和定量了26种特征挥发性化合物，涉及五种样品类型：麦汁（THY）、接种合成非酿酒酵母群落的发酵醪（JQ）、发酵醪

结论

本文证明，一个合理设计的合成非酿酒酵母酵母群落——包含库德里阿兹威毕赤酵母、乳酸克鲁维酵母、耐热有孢圆酵母、东方伊萨酵母、德氏有孢圆酵母和杜氏念珠菌——重新配置了中国威士忌的挥发性和非挥发性化学组成。该群落增强了乙酯和酚类化合物的生物合成，同时减弱了中链脂肪酸和杂醇油的积累，这些代谢改变在蒸馏过程中持续存在并

CRediT作者贡献声明

陈凯：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法学，调查，经费获取，正式分析，数据管理，概念化。孟浩展：写作——审阅与编辑，监督。石刚：资源。王亮：资源。袁思杰：资源，方法学。徐龙：方法学，调查。谢新华：资源，项目管理。丁阳：资源。艾志录：监督，项目

利益冲突声明

作者声明，他们之间不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到中国博士后科学基金会（证书编号：2024M750810）、河南省重点研发与推广专项（项目编号：242102110104）以及河南省科技副总项目（项目编号：HNFZ20240353）的资助。此外，我们感谢山东顺威精酿啤酒有限公司提供实验原材料。

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