通过设计的微生物群落共聚提升白酒发酵效率：增强底物转化率和风味产出

《Food Microbiology》：`Boosting baijiu fermentation efficiency through designed microbial community coalescence: Enhanced substrate conversion and flavor output

　　

摘要

在这项研究中，我们设计了一个合成菌群（SynCom），用于定向监测白酒中酚类化合物和其他风味化合物的产量。通过将合成菌群与本地发酵菌种（Daqu）结合使用来促进发酵过程。与传统的发酵方法相比，这个由Wickerhamomyces anomalus、Pantoea agglomerans和Bacillus altitudinis组成的SynCom显著提高了底物的利用率和代谢产物的生成量。具体来说，淀粉和蛋白质的消耗量分别增加了42.68%和24.37%，这是基于模型组从初始到发酵结束阶段相对于对照组的变化百分比。同时，目标芳香物质的产量提高了25.9%，其中4-甲基 Guaiacol 的含量从微量水平显著增加。此外，我们发现W. anomalus在菌群中起到了主导作用，占据了超过90%的生态位，并在发酵前期减少了其他菌种（P. agglomerans和B. altitudinis）的多样性。因此，这种主导菌种通过竞争性排斥和代谢机制限制了后者的生长，而它们的协同作用则有助于在发酵后期增强特定酚类化合物和酯类物质的生成。我们的研究为通过设计合适的菌群与常见发酵菌种结合来监测和控制目标化合物的形成提供了新见解，并为理性设计用于控制和改进复杂发酵食品质量和功能的菌群组合提供了验证框架。

引言

发酵食品，如白酒、奶酪、面包、酱油、酸奶和醋，数千年来一直是人类社会的重要组成部分（Chessa et al., 2023; Marco et al., 2021）。这些产品通常是由来自原材料和环境中的复杂本土微生物群落自然发酵产生的。理解这些微生物群落与目标代谢产物形成之间的功能关系对于提高食品发酵系统的控制效率和安全性能至关重要。然而，传统的发酵方法往往依赖自然发生的微生物组装，缺乏有意识的菌群设计和功能调控（Alekseeva et al., 2021）。最近对关键酿造微生物的代谢作用的研究使得我们可以采取有针对性的生物强化策略，从而引导白酒发酵过程，以增加特定风味化合物的产量（Yuan et al., 2025）。这种方法能够带来更可预测和一致的发酵结果，有助于传统发酵饮料的智能化发展。

近年来，使用已建立的功能性菌株或合成微生物群落来平衡发酵食品的风味成为生物强化领域的主要方法（Marco et al., 2021; Zhang et al., 2021）。这些方法展现出巨大的潜力，但也面临一些瓶颈。首先，直接应用具有明确益生元或代谢功能的单一菌株（例如特定的乳酸菌或酵母），或者通过代谢工程部署“细胞工厂”，可以实现目标功能性成分（如维生素、肽）的高效生产（Liang et al., 2024; Xin and Qiao, 2025; Yu et al., 2023），但单一菌株发酵在复杂食品基质中存在生存能力差、效率不稳定以及产生的风味化合物不符合产品要求的问题（Pang et al., 2023; Qiu et al., 2024; Zhang et al., 2020）。其次，合成设计的微生物群落可以模拟或重建自然发酵中的核心微生物群落，从而有针对性地调节产品的风味、营养价值和安全性（Jin et al., 2024; Luo et al., 2025），并且它们简化复杂生态系统和提高传统发酵可控性的潜力已经得到验证（Wu et al., 2021）。然而，将这些理论成果转化为实际应用的主要障碍在于如何有效筛选和合理组合组成菌株（Lu et al., 2023）。微生物相互作用的复杂机制尚未完全理解，这导致构建的菌群结构不稳定（Hu et al., 2024; Melkonian et al., 2023; Ruan et al., 2024），从而影响其在发酵过程中的功能稳定性，难以大规模可靠地再现设计效果。因此，通过合成微生物组技术阐明设计合成菌群在白酒酿造环境中的整合机制，不仅有助于我们更深入地理解微生物群落的组装过程，也为开发与应用基于合成微生物组的技术提供了科学基础。尽管之前已经成功构建了用于增强酚类化合物的合成微生物群落，但其在白酒酿造系统中的内部整合机制仍不清楚（Yan et al., 2024）。

章节摘要

菌株和实验设计

我们从北京工业大学酿酒微生物组和酶分子工程实验室获得了三种菌株：Wickerhamomyces anomalus（CGMCC No. 25203）、Pantoea agglomerans（GenBank No. OR105498）和Bacillus altitudinis（GenBank No. OR105500）。这些菌株被用于增强发酵过程：W. anomalus能够产生4-乙烯基 Guaiacol，Pantoea agglomerans和Bacillus altitudinis能够产生4-甲基/乙基 Guaiacol。

发酵过程中物理化学参数和风味化合物的动态

我们发现，引入合成菌群（SynCom）显著提高了发酵过程中的底物利用率（图1）。与仅使用Daqu的对照组相比，模型组（含有SynCom和Daqu）的淀粉消耗量增加了34.78%和42.68%，糖分消耗量减少了87.81%和97.99%，蛋白质消耗量减少了3.74%和24.37%（图1A-D）。同时，模型组的水分含量增加较少（增加了11.1%），而对照组的水分含量增加了13.58%。

结论

通过引入包含Wickerhamomyces anomalus、Pantoea agglomerans和Bacillus altitudinis的合成菌群，我们提高了底物的利用率，尤其是淀粉和蛋白质的利用率。SynCom驱动的发酵产生了独特的风味特征：芳香化合物含量增加了25.9%，总酯类含量增加了15.8%，并且 erfolgreich合成了4-甲基 Guaiacol。从机制上看，W. anomalus发挥了主导作用，占据了菌群中的超过90%的生态位。

CRediT作者贡献声明

严瑞玉：撰写原文、数据可视化、方法设计和概念构建。孙金源：监督和资金争取。孙宝国：监督。赵兴竹：数据可视化。王博文：写作、审稿和编辑、资金争取。张宇航：数据验证。李泽阳：数据管理。李乐乐：方法研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们非常感谢江南大学生物技术学院酿酒微生物学与应用酶学实验室的金光远博士和泸州职业技术学院的刘敬成博士对本文的细心审阅。本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC）（项目编号: 32472476）的支持。

Ruyu Yan|Yuhang Zhang|Zeyang Li|Xingzhu Zhao|Bowen Wang|Hehe Li|Jinyuan Sun|Baoguo Sun北京工业大学老年营养与健康重点实验室，北京，中国北京100048