浓香型大曲发酵过程中挥发性风味化合物及其相关功能微生物群落的时空动态

《Food Microbiology》：Spatiotemporal dynamics of volatile flavor compounds and associated functional microbial communities during strong-flavor Daqu fermentation

　　

摘要

大曲是 白酒 生产的关键发酵剂，含有协调风味形成的分层微生物群落。本研究整合了顶空固相微萃取气相色谱 - 质谱（HS-SPME-GC-MS）、宏基因组学以及 PacBio 全长 16S rRNA 和 ITS 测序，以表征浓香型 大曲 在 90 天发酵期间跨越三层——表层（QP）、中层（HQ）和核心层（QX）的挥发性风味化合物（VFCs）和功能性微生物群落的时空异质性。共鉴定出 47 种 VFCs，其中醇类、醛类和酯类为主要成分。VFCs 在 2-4 天达到峰值，随后下降并趋于稳定，显示出从 QP 到 QX 的渐进积累梯度。醛类和吡嗪类在 HQ 和 QX 中富集，而酯类和酸类在 QX 中最高。宏基因组分析表明，风味相关酶基因的丰度遵循 VFCs 的时空趋势。尽管丝状真菌和乳杆菌科构成了所有层中风味相关酶基因的主要微生物来源，但它们的群落组成和演替动态表现出显著的时空特异性。正向微生物相互作用从 QP（71.70%）增加到 HQ（76.73%）再到 QX（89.95%），表明 QX 中的合作更强。这些发现为 大曲 中风味分层的生态基础提供了机制见解，并为未来浓香型 白酒 发酵的定向优化提供了科学框架。

引言

浓香型 白酒 是最著名和备受推崇的中国蒸馏酒，以其浓郁的香气和平衡的口感而备受推崇，主要通过发酵和蒸馏工艺生产（Qiao 等，2023；Yan 等，2021）。其独特风味主要在发酵阶段产生，其中发酵 starter（浓香型 大曲）的质量在塑造最终酒体风格方面起决定性作用（Kang 等，2022；Zheng 和 Han，2016）。浓香型 大曲 提供了发酵所需的多样化微生物群落、酶系统和风味前体化合物（Ali 等，2024；Zhong 等，2024）。在 白酒 酿造的复杂微生态系统中，微生物通过复杂的酶催化和代谢活动作用于原料，产生多种挥发性风味化合物（VFCs）（如醇类、酯类、酸类、醛类和吡嗪类），共同定义了该酒的特征香气（Gao 等，2025；Zhang 等，2024）。

近年来，关于 大曲 发酵期间微生物多样性、群落演替和理化性质的研究取得了显著进展（Han 等，2023；Shi 等，2026；Tang 等，2025）。然而，大多数研究将 大曲 视为均质基质，忽略了由温度、水分、氧气和其他微环境因素梯度引起的 大曲 块内部明显的分层特性（Soccol 等，2017）。这导致缺乏对 大曲 不同层中风味形成和功能性微生物群落时空异质性的系统理解。特别是，现有研究缺乏对核心功能微生物的种级鉴定及其在风味生物合成中代谢作用的清晰表征（Han 等，2024a,b；Zeng 等，2024）。这一差距阻碍了 大曲 发酵的精确控制和定向风味优化（Wen 等，2024）。传统的短读长扩增子测序仅提供属级分类分辨率，无法区分单个属内功能不同的亲缘物种（Yan 等，2023）。亲缘关系密切的物种在糖化、有机酸合成和含氮杂环香气生成方面存在巨大差异（Van Rossum 等，2020）；仅凭属级群落数据无法阐明 大曲 中分层风味异质性的微生物驱动因素。

随着多组学技术的快速发展，整合代谢组学、宏基因组学和全长扩增子测序为揭示传统发酵食品风味形成机制提供了有力工具（Go 等，2024；Sanches 等，2024）。PacBio 全长 16S rRNA 和 ITS 测序可实现种级的准确分类分辨率（Buetas 等，2024；Han 等，2024a,b），而宏基因组学可以系统分析与底物降解和风味合成相关的功能基因概况（Chen 等，2026；Kumar 等，2025）。因此，这些技术的综合应用可以实现对 大曲 中微生物群落结构、功能潜力和代谢物动态的综合表征。

本研究绘制了关键挥发性风味代谢物的时间轨迹和空间分布模式；鉴定了控制底物降解和 VFCs 生物合成的核心代谢途径和功能基因，并解析了它们的时空概况；在种级分辨率下表征了分层 大曲 层中的微生物组组成和演替动态；并采用共现网络分析推断不同微生境中的微生物相互作用模式和潜在合作关系。

章节摘要

样本采集

本研究的样本采集和分层方案与之前的研究一致（Jiang 等，2025）。简而言之，在每个时间点，独立采集并分层九个 大曲 块。每个块被解剖成三层：表层（QP，0-1 cm 深度）、中层（HQ，1-2.5 cm 深度，由成熟 大曲 中的特征深棕色带区分）和核心层（QX，>2.5 cm 深度）。分层边界是基于逐渐发展的

浓香型 大曲 中挥发性风味化合物的分析

在浓香型 大曲 中共鉴定出 47 种 VFCs，包括醇类（12 种）、醛类（4 种）、酯类（4 种）、酸类（4 种）、芳香族化合物（10 种）、吡嗪类（3 种）、酮类（2 种）和其他（8 种）。其中，醇类（主要是异戊醇、乙醇和异丁醇）、醛类（主要是异戊醛）和酯类（主要是乙酸乙酯和乙酸异戊酯）含量较高，而芳香族化合物（主要是吡啶）、酸类（主要是醋酸）、酮类（主要是乙酰甲基甲醇）和吡嗪类（主要是

讨论

本研究提供了浓香型 大曲 发酵期间 VFCs 动态及其相关功能性微生物群落最全面的时空表征之一，整合了 HS-SPME-GC-MS 谱分析、宏基因组学以及种级的 PacBio 全长 16S rRNA 和 ITS 测序。结果表明，VFCs 的形成在空间上不均匀，而是遵循明确的梯度：QP < HQ < QX。它由高度结构化的微生物

结论

本研究利用多组学阐明了浓香型 大曲 中 VFCs 和功能性微生物群落的时空动态。VFCs 在 2-4 天达到峰值，并以 QP < HQ < QX 的梯度积累。分层微生物群落表现出明显的演替，丝状真菌主导 QP 和 HQ，而乳杆菌科和耐热微生物主导 QX。正向微生物相互作用从 QP（71.70%）到 QX（89.95%）显著增加。这些发现推进了机制理解

CRediT 作者贡献声明

Wenyi Jiang: 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Zhihua Li: 撰写 – 初稿，可视化。Yi Dong: 方法论。Zonghua Ao: 撰写 – 审查与编辑，项目管理，资金获取。Junjie Jia: 撰写 – 审查与编辑，项目管理，资金获取。Zhilin Chen: 撰写 – 审查与编辑，概念化。Chuan Song: 撰写 – 审查与编辑，

资金来源

本研究得到了 省级转移支付重点研发项目（22ZFSHFZ0002）、宜宾市农业科技与创新项目（2024NYHZ007）以及 泸州老窖股份有限公司。 科技合作项目 的支持。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

本研究得到了 生物工程学院、四川工程职业技术大学、泸州老窖股份有限公司 以及 固态酿造全国工程研究中心 的支持。

Wenyi Jiang|Zhihua Li|Yi Dong|Zonghua Ao|Junjie Jia|Zhilin Chen|Chuan Song|Lei Yang|Ruidi Liu|Jie Peng|Suyi Zhang|Zhiping Feng

四川工程职业技术学生物工程学院，四川，宜宾，644005，中国