我國釀造食品（白酒、黃酒等）生產(chǎn)通常以曲作為發(fā)酵劑，以實現(xiàn)糖化和發(fā)酵的同步進行，該特點是東方釀造區(qū)別于西方釀造的典型特征之一。我國勞動人民在長期的生產(chǎn)實踐中，發(fā)明了許多不同用途和特點的曲，釀造出了品種繁多的各色酒類。曲的制作以谷物作為培養(yǎng)基質在合適的條件下從釀造環(huán)境中富集微生物，并逐步形成獨特的“菌系-酶系-物系”為一體的微生態(tài)系統(tǒng)。我國傳統(tǒng)的制曲技術蘊含著許多科學道理有待深入解析，如“曲中微生物群落和酶系的組成特征、演替規(guī)律和代謝功能是什么？”“制曲過程中微生物成員間及其與環(huán)境的相互作用機制是什么”“傳統(tǒng)生產(chǎn)中微生物群落形成及代謝產(chǎn)酶的驅動機制是什么？”以及“如何構建合成群落復刻原位菌群的代謝特征？”等。

 

　　長期生產(chǎn)實踐與科學研究表明，外部環(huán)境因子與內(nèi)部微生物相互作用是共同維系制曲微生態(tài)穩(wěn)定的關鍵要素，調(diào)節(jié)與控制該系統(tǒng)的穩(wěn)定性對曲的質量起著關鍵作用，對后續(xù)釀造過程具有重要影響。近年來蓬勃發(fā)展起來的微生物組學技術在制曲微生態(tài)研究上取得了一系列重要進展，比如不同曲中微生物群落組成及形成機制研究，揭示了制作工藝、發(fā)酵環(huán)境和地理生態(tài)等因素對功能微生物菌群的選擇作用，明確了外部環(huán)境因子對制曲過程中微生物群落形成及代謝的影響（圖1）。相對外部環(huán)境因子的驅動作用，2022年12月，北京工商大學孫寶國院士團隊王柏文、孫金沅、郝慧宜等在國際食品科技期刊《國際食品微生物學雜志》（International Journal of Food Microbiology）（1區(qū)，IF: 5.911）發(fā)表了題為“中國白酒發(fā)酵過程中揮發(fā)性有機化合物介導的內(nèi)源性微生物相互作用”（Volatile organic compounds mediated endogenous microbial interactions in Chinese baijiu fermentation）的研究論文，介紹了白酒制曲過程中功能微生物的互作機制及潛在調(diào)控策略，探討了群落內(nèi)部相互作用對維持制曲微生態(tài)穩(wěn)定的影響。

 

　　圖1 不同曲中微生物群落結構（A）、功能微生物（B）及群落形成機制（C）

 

　　該論文的研究內(nèi)容包括如下方面：（1）采用擴增子測序技術揭示了該過程中微生物群落組成及演替規(guī)律，進而結合統(tǒng)計學分析明確了原位體系中功能微生物之間的相互作用；（2）以原位體系分離純化的功能微生物為對象，采用雙碟法結合非接觸培養(yǎng)模式，驗證了各微生物成員間的相互作用；（3）在單菌培養(yǎng)模式下鑒定供體微生物產(chǎn)生的主要揮發(fā)性有機化合物，再依次擾動受體微生物的生長，進而基于受體微生物的生長情況確定具有顯著影響的化合物；（4）采用轉錄組學技術比較分析了在化合物擾動與非擾動模式下受體微生物的代謝差異，以關鍵化合物在微生物細胞間的感應與通訊機制。上述研究表明：微生物釋放豐度的揮發(fā)性有機化合物，在微生物種內(nèi)或種間的遠程互動或交流中扮演重要角色；這些物質通過細胞壁或細胞膜擴散，影響微生物細胞生長或代謝，以促進成員間的協(xié)同生長（圖2）。該研究也提供了一種潛在策略，通過調(diào)節(jié)體系內(nèi)揮發(fā)性有機化合物以干預制曲過程中功能微生物的生長或代謝，有待深入研究。

 

 

　　圖2 白酒制曲過程中的微生物相互作用研究

 

　　當前傳統(tǒng)制曲技術依然較多采用開放式、自然式的發(fā)酵方式，其制曲的品質均一性與批次穩(wěn)定性一直受到挑戰(zhàn)。然而，面對制造業(yè)和勞動力成本上升的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)自然發(fā)酵的制備方式已不能滿足當前快速工業(yè)發(fā)展的需求以及對產(chǎn)品質量的期待，生產(chǎn)的標準化和現(xiàn)代化改革之路勢在必行。從上世紀的可培養(yǎng)分析到當前的微生物組學研究，已積累了豐富的知識，明確了傳統(tǒng)曲中的關鍵功能微生物或酶，并從外部環(huán)境因子和內(nèi)部微生物互作等角度揭示制曲微生態(tài)下群落形成的驅動機制。然而，受復雜工藝流程、品控與生產(chǎn)力的波動性影響，優(yōu)質曲的標準化、現(xiàn)代化生產(chǎn)，依然是一個不容易實現(xiàn)的改革過程。相信隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展與新型生物技術的開發(fā)應用，優(yōu)質發(fā)酵劑的從頭設計到標準化生產(chǎn)必將實現(xiàn)，以保證釀造食品的品質均一性及食品安全。

 

　　圖3 制曲研究的趨勢及策略

 

　　論文鏈接：

 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168160522004275?via%3Dihub#f0005

 

　　https://www.researchgate.net/publication/357928510_Chinese_Baijiu_-_Finding_a_channel_to_design_a_defined_starter_culture

 

　　以上工作得到了國家自然科學基金（32102119）和中國酒業(yè)協(xié)會白酒技術創(chuàng)新戰(zhàn)略發(fā)展委員會第四期科研項目的支持。