《Food Research International》：Spatially resolved multi-omics analysis of indigenous
Bacillus-fortified high-temperature Daqu
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•本地化的芽孢杆菌强化处理与达曲独特的空间特征存在关联。•QH5在中间层表现出较为均衡的热度和吡嗪含量特征。•不同层次呈现出的模式表明存在非线性的剂量相关差异。•多组学分析将微生物生态位与代谢物及功能潜力联系起来。•建议为固态发酵的酒曲建立空间质量控制体系。引言江香型白酒具有独特
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本地化的芽孢杆菌强化处理与达曲独特的空间特征存在关联。
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QH5在中间层表现出较为均衡的热度和吡嗪含量特征。
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不同层次呈现出的模式表明存在非线性的剂量相关差异。
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多组学分析将微生物生态位与代谢物及功能潜力联系起来。
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建议为固态发酵的酒曲建立空间质量控制体系。
引言
江香型白酒具有独特的酱油般香气和持久的余味（Zhu, Chen等，2022），这些特性主要源自其独特的酿造工艺以及高温达曲（P. Tang等，2024）。高温达曲为江香型白酒的发酵提供酶类、包含耐热细菌在内的多种微生物群落、风味物质前体以及有机酸前体（Tang, Li等，2025）。与低温和中等温度达曲相比，高温达曲通常在60℃以上的发酵条件下制成（Yuan等，2025）。这种高温环境不仅影响微生物群落的构成，还决定了达曲在糖化、蛋白质分解、有机酸转化以及风味形成等方面的关键功能特性（S. Wu等，2023；Yan等，2025）。先前的研究显示，高温达曲中常见耐热或嗜热微生物，如Kroppenstedtia、Virgibacillus、Bacillus、Oceanobacillus、Thermoascus、Thermomyces和Aspergillus等（Niu, Li等，2025；Shi等，2022；Yang, Fan & Xu，2024）。这些微生物与风味物质的积累密切相关，包括酸类、醇类、酚类和吡嗪类物质。因此，阐明高温达曲中微生物群落、理化性质、有机酸、代谢物及风味化合物之间的关联，对于理解江香型白酒酒曲的质量差异具有重要意义。
高温达曲主要依靠自然接种和开放式发酵，其微生物来源较为复杂。其发酵过程易受环境因素、原料及工艺条件的影响，从而导致不同批次的功能微生物富集程度和品质稳定性存在差异（H. Du等，2019）。功能微生物强化被认为是提升达曲发酵性能、改善其品质与稳定性的有效方法（Tian等，2020）。在众多候选微生物中，芽孢杆菌因其强大的耐热性、多样的代谢功能、显著的产酶能力以及与白酒风味形成的密切关联而备受关注（D. Li等，2026）。值得注意的是，与外源功能菌株相比，源自江香型白酒传统酿造生态系统的本地化芽孢杆菌具有更明显的应用优势（Q. Tang等，2026；L. Wang，2022）。由于长期适应固态发酵中的高温、低湿度、酸性环境以及复杂的微生物竞争等选择压力，这类本地化菌株可能与高温达曲具有更好的生态适应性，并能保持稳定的代谢活性（Chen等，2025）。同时，它们与原始达曲的微生物群落及风味形成系统也具有更高的生态兼容性。在保持传统发酵微生态连续性的前提下，这类菌株能够促进底物转化、风味前体的积累以及特色香气的形成（Ren等，2026；H. Zhang等，2021）。因此，通过定向强化本地化功能芽孢杆菌，有望结合功能提升与生态适应性，为高温达曲提供品质调控策略。
尽管经过功能菌强化的达曲越来越受到重视，但本地化芽孢杆菌强化处理在不同层次上的效应仍不明确。首先，目前大多数研究聚焦于强化处理对整体达曲样品或后续发酵系统的影响（Li, Liu等，2023），而对强化后达曲在不同层次上的特异性反应了解不足。在高温达曲发酵过程中，由于热量积累、空气流动、湿度分布及水分流失等方面的差异，上层、中层和下层可能会形成不同的微环境（Y. H. Wei等，2025；Wen等，2024）。这些空间差异进一步影响了达曲的温度变化、理化特性、微生物演替以及代谢物积累情况。其次，不同接种水平下本地化芽孢杆菌强化处理对达曲理化性质、风味特征、有机酸组成、微生物群落及功能潜力的影响尚不清楚。此外，单一组学方法无法完全解释强化后达曲的品质形成机制（Huang, Li等，2025）。因此需要结合理化性质、挥发性化合物、有机酸、代谢组学、16S/ITS扩增子分析以及宏基因组功能潜力分析进行综合研究。目前仍有三个问题有待解答：强化后达曲的空间结构是否与非强化达曲存在差异？不同层次的剂量响应是否呈单调变化？层次特有的风味变化是否对应着协调的多组学特征？
为解决这些问题，本研究构建了含有六种本地化功能芽孢杆菌的强化高温达曲系统，这六种菌株的接种浓度分别为6×10?、6×10?、6×10? CFU/mL，随后通过理化分析、挥发性化合物分析、有机酸分析、非靶向代谢组学分析、16S/ITS扩增子分析以及鸟枪法宏基因组分析，对达曲的上层、中层和下层样本进行了全面检测。本研究提出了三个假设：（i）强化处理后的达曲与非强化达曲在空间异质性方面存在显著差异；（ii）强化处理带来的差异在不同接种水平及不同层次上呈现非线性变化；（iii）与芽孢杆菌相关的风味差异与微生物、代谢以及预测的EC值方面的相应变化相一致。
章节要点
强化高温达曲的制备
本研究以小麦作为主要基质来制备高温达曲。根据其在模拟小麦发酵过程中的不同表现，选择了六种本地化功能芽孢杆菌，这些菌株在酶活性、吡嗪生成、香气特征以及潜在的群落作用方面各有优势（表S1）。这些菌株分别进行培养，然后以10,000×g的离心力离心10分钟分离出来，再悬浮在无菌生理盐水中，并按相同细胞密度混合，从而得到复合菌液。
强化达曲的温度与理化特性
对照组与添加芽孢杆菌的组在温度变化及理化性质方面存在一定差异。所有处理组在发酵第7天时达到温度峰值。上层温度峰值从对照组的58.5℃上升至60.6–61.4℃（图1A），中层温度峰值从58.8℃上升至62.0–63.3℃（图1B），下层温度峰值则从56.9℃上升至58.7–60.0℃（图1C，图S1）。线性混合效应模型分析表明，处理类型、空间层次以及发酵阶段都对相关指标有显著影响。
结论
本研究表明，本地化芽孢杆菌的强化处理会导致高温达曲在理化性质、微生物组成、代谢特征、挥发性物质以及预测功能特性等方面出现与层次相关的差异。在所测试的不同接种水平中，QH5的表现相对最为均衡，其高温环境下的特性更为稳定，且多种与风味相关的挥发性标志物含量较高，尤其是吡嗪类物质。不同空间层次是影响微生物分布的重要因素。
CRediT作者贡献说明
史浩：写作——审阅与编辑、可视化分析、实验研究、正式分析。 沈玉玲：验证、数据整理。 叶青青：资源获取、实验研究。 于辉：验证。 田茂玲：数据整理。 王红梅：资源获取。 魏阳：项目管理。 严世英：写作——审阅与编辑。 张杰：指导。 李舒：写作——审阅与编辑、指导、资金筹集。 杨阳：项目管理。 赵健：指导、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了国家固态酿造技术工程研究中心的横向科研项目（2025NB09）的支持。
史浩|沈玉玲|叶青青|于辉|田茂玲|王红梅|魏阳|严世英|陈一平|张杰|李舒|杨阳|赵健
