合成微生物群落介导的群落组装调控清香型白酒发酵中风味化合物的形成

《Food Bioscience》：Synthetic microbial community-mediated community assembly regulates flavor compound formation in light-aroma type baijiu fermentation

　　

摘要

在白酒发酵过程中，酵母和乳酸菌在风味化合物的形成中起着重要作用，但其潜在调控机制仍不明确。为了阐明这些微生物如何影响白酒发酵中风味化合物的形成，我们建立了酵母合成微生物群落和酵母 - 乳酸菌合成微生物群落，并将其应用于清香型白酒发酵。结果表明，合成微生物群落与细菌（P = 0.004）和真菌群落结构（P = 0.002）的显著变化相关，涉及 6 个差异细菌属和 4 个差异真菌属。随机森林分析鉴定了 14 种差异风味化合物，预测准确率为 96.30%，主要包括酯类、酸类和醇类。与真菌群落相比，细菌群落对合成微生物群落接种显示出更显著的反应。酵母 - 乳酸菌合成微生物群落将细菌同质化选择从无接种发酵的 51.5% 增加到接种发酵的 97.3%，并增加了发酵结束时细菌网络边数从 83 到 130。结构方程模型显示，合成微生物群落对定殖微生物产生积极影响（路径系数 = 0.804, P < 0.01），随后增强了同质化选择（路径系数 = 0.898, P < 0.001），并进一步促进风味化合物的形成（路径系数 = 0.935, P < 0.001）。本研究为风味化合物形成的调控提供了深刻见解，并为改进白酒发酵中风味化合物的形成提供了生态学基础。

引言

风味化合物是发酵食品感官质量和消费者接受度的关键贡献者，其形成很大程度上由发酵过程中微生物的代谢活动驱动（Hu et al., 2025; van Wyk, 2024; Zheng, Wei, et al., 2024）。更清楚地了解微生物群落如何调控风味化合物的形成对于提高食品质量至关重要。微生物在发酵食品风味化合物的形成中起核心作用。发酵食品中风味化合物的形成由细菌、酵母和丝状真菌的多样化代谢活动驱动（Malekijahan et al., 2025）。它们在发酵食品系统中的演替和相互作用最终决定了最终产品的风味化合物特征谱。在食品发酵中，风味化合物越来越多地被理解为一种源于动态微生物相互作用的涌现生态特性，而不是单个分类群活动的简单结果（Guo et al., 2025）。微生物群与风味化合物之间的联系突显了微生物调控的重要性，并为构建合成微生物群落作为可控系统提供了基础。

合成微生物群落提供了定义明确且复杂性降低的系统，用于研究复杂微生物组的功能和稳定性（Huang et al., 2022）。在食品发酵中，合成微生物群落已被用于重建与风味化合物生产相关的功能关键成员和共存模式，从而改善风味化合物代谢的可重复性（Li et al., 2024; Liu et al., 2025; Wu et al., 2023）。例如，接种乳酸菌可以重塑优势微生物种群并改变风味化合物特征谱（Lee et al., 2020; Randazzo et al., 2021; Wang et al., 2024）。这些发现表明合成微生物群落是风味化合物稳定的有前景策略。然而，大多数目前的研究仍然集中在微生物分类群与风味化合物之间的相关性上。关于合成微生物群落如何重塑微生物群落结构、改变微生物相互作用，进而影响食品发酵系统中的风味化合物的知识仍然有限。

群落组装理论提供了一个有用的框架来解决这些问题。Vellend 的统一框架将群落组装描述为基本过程的结果，即异质化选择（HeS）、同质化选择（HoS）、扩散限制（DL）、同质化扩散（HD）和漂变（DR）（van Wyk, 2024），已被广泛用于解释多样化生态系统中的微生物演替（Nemergut et al., 2013）。该框架也被应用于食品发酵中，包括发酵蔬菜、奶酪和酸面团启动剂，以识别发酵过程中群落形成和演替的生态驱动因素（Louw et al., 2023）。在食品发酵中，群落组装分析提供了一个面向过程的框架，用于解析与合成微生物群落诱导的微生物群落结构变化相关的生态机制。

在本研究中，我们以清香型白酒发酵为模型系统，研究不同的合成微生物群落如何驱动微生物群落重构并调控风味化合物的形成。我们建立了两个合成微生物群落，即酵母合成微生物群落和酵母 - 乳酸菌合成微生物群落，并系统比较了它们对微生物群落结构和风味化合物的影响。我们应用 Vellend 的统一框架来表征接种两个合成微生物群落后的微生物群落组装，并使用分子生态网络分析来描述微生物相互作用模式的变化。我们进一步进行随机森林分析以识别差异微生物和差异风味化合物，并使用 Mantel 分析和结构方程模型来阐明连接微生物群落变异与风味化合物形成的途径。我们的目标是阐明不同的合成微生物群落如何通过生态机制改善风味化合物的形成，从而为清香型白酒发酵中的靶向微生物调控和质量稳定提供理论依据。

章节片段

微生物菌株和培养条件

Saccharomyces cerevisiae D0105, Pichia kudriavzevii JNJY2, Wickerhamomyces anomalus FJ-3, Lactiplantibacillus plantarum #37, and Levilactobacillus brevis NL4 分离自清香型白酒发酵。酵母菌株在酵母提取物 - 蛋白胨 - 葡萄糖（YPD）培养基中培养，乳酸菌菌株在 Man-Rogosa-Sharpe (MRS) 培养基中厌氧培养。

合成微生物群落的接种和样本收集

构建了两个合成微生物群落：酵母合成微生物群落（Y 组），

合成微生物群落对微生物群落结构的影响

我们通过将它们分别接种到白酒发酵中来研究两个合成微生物群落对微生物群落结构的影响（图 1A）。对于细菌，在无接种（CK）的白酒发酵中，优势属（平均相对丰度 > 10%）为 Lentilactobacillus (21.49%), Pediococcus (19.95%), Leuconostoc (17.79%), and Lactobacillus (10.12%)。它们变成了 Lactiplantibacillus (23.59%), Lentilactobacillus (18.35%), Pediococcus (14.69%), Leuconostoc

讨论

本工作表明，合成微生物群落可以通过重构微生物群落组成、群落组装过程和微生物相互作用网络来调控清香型白酒发酵中的风味化合物形成。特别是，接种酵母 - 乳酸菌合成微生物群落促进了以 Lactiplantibacillus, Lactobacillus, Saccharomyces 和 Saccharomycopsis, 为特征的群落结构，并增强了积累

CRediT 作者贡献声明

余静欣：写作 – 审查与编辑。韩江南：写作 – 审查与编辑，形式分析。田丽娜：写作 – 审查与编辑。吴群：写作 – 审查与编辑，项目管理。张旭：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，调查，形式分析，数据整理。顾铁钢：写作 – 审查与编辑。郑一夫：写作 – 审查与编辑，形式分析

未引用参考文献

Zheng et al., 2024.

数据可用性

原始测序数据已提交至中国国家生物信息中心 (CNCB)，提交 ID 为 subPRO095274。

利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

资金

本工作得到了国家自然科学基金（32172175）、中央高校基本科研业务费（JUSRP202404014）、江苏省高等教育优势学科建设以及111 计划（编号111–2-06）的支持。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

我们衷心感谢江南大学生物技术学院高性能集群平台的支持。

张旭 | 顾铁钢 | 郑一夫 | 余静欣 | 韩江南 | 田丽娜 | 吴群

教育部工业生物技术重点实验室，食品科学与工程国家重点实验室，江南大学生物技术学院，中国无锡 214122