传统酿造食醋主要以糯米、高粱等淀粉含量较高的谷粮类为主要原料,通过开放式多菌种混合发酵方式酿造而成。目前国内外对食醋酿造的微生物菌群以及食醋的风味组成已经展开了很多工作,但是对于食醋酿造微生物菌群和风味组成之间的相关性认识仍然不足。本文以典型的天然多菌种混合发酵食醋——镇江香醋为研究案例,从分子生态学角度对醋酸发酵阶段的微生物群落结构和功能进行研究,在此基础上探讨了微生物菌群组成与风味物质组成之间的相关性。本论文研究结果如下:1、通过高通量测序分析,细菌的菌群丰富度和多样性随着醋酸发酵进行不断变化。在属水平,醋醅中细菌群落总共包括151个属,乳杆菌属和醋酸杆菌属在细菌群落中占优势地位(相对丰度之和平均85%);乳杆菌属在种水平共有19个物种信息(74%为瑞士乳杆菌),醋酸菌在种水平共有15个物种信息(93%为巴斯德醋杆菌)。除此外,还有一些丰度相对较低的细菌包括乳球菌属、葡糖醋杆菌属、肠球菌属、黄单胞菌属和芽孢杆菌属最终能适应环境而保留在醋醅群落中。根据不同发酵阶段细菌群落结构的变化规律(乳酸菌为主导的菌群过渡到醋酸菌为主导的菌群),可以将醋酸发酵过程分为3个阶段,各阶段比较均具有显著的统计学差异(p<0.0002*)。另外,不同批次醋酸发酵过程醋醅样本的细菌群落结构和变化情况基本相同(p>0.1),说明不同批次醋酸发酵细菌群落的组成以及变化是相对稳定的,同时也说明了镇江香醋固态酿醋工艺的稳定性。2、通过高通量测序分析,醋酸发酵过程中的真菌菌群的丰富度和多样性随着发酵的进行不断变化。在分类学上,醋醅中的真菌菌群在属水平共包括202个属,其中曲霉属(Aspergillus)和链格孢霉属(Alternaria)在醋酸发酵中的相对丰度较大;其次为Fungi_unclassified和Unidentified,除此外还有很多低丰度的属一直存在于整个发酵过程中。醋醅中的酵母菌群落由21个属组成,其中相对占比大于20%的为隐球酵母属(Cryptococcus)和红酵母属(Rhodotorula)。根据真菌群落结构的变化轨迹,将醋酸发酵过程分为3个阶段,任意两阶段比较其统计量p均具有显著的统计学差异(p<0.01*)。另外,不同批次醋酸发酵醋醅样本的真菌群落结构和变化情况基本一致(p>0.1),说明不同批次醋酸发酵真菌群落的组成以及变化整体水平是相对稳定的。3、通过对镇江香醋醋酸发酵阶段风味物质检测分析,醋醅中总酸含量呈逐渐上升趋势,醋醅pH在开始3天迅速下降,之后pH维持在3.60左右。通过HPLC、GC-MS分析,共检测到86种物质,包括9种有机酸、18种游离氨基酸和59种挥发性风味物质。有机酸总含量在醋酸发酵阶段呈一直上升趋势,从发酵初期的1.90±0.93 g/100 g干醅增长到发酵结束时的12.99±0.53 g/100 g干醅;乳酸和乙酸是含量最多的两种有机酸,二者总含量约占有机酸总含量68%~91%。氨基酸总量随着醋酸发酵的进行逐渐增加,从发酵起始时的386.52±23.93 mg/100 g干醅增长到发酵结束时的2031.65±103.44 mg/100 g干醅。氨基酸的含量远远小于有机酸,但其味感阈值较低,可以缓冲乙酸的刺激并能提味提鲜。谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和缬氨酸在醋醅中含量较高,其总含量保持在氨基酸总量的50%以上。挥发性物质分别属于醇类、羧酸类、酯类、醛类、酮类、杂环类以及其他;除乙醇和乙酸外,其他58种挥发性物质的总含量相对有机酸、氨基酸低很多,整个发酵阶段其含量在3.88±0.13~5.02±0.24 mg/100 g干醅之间变化。通过主成分和聚类分析,醋酸发酵过程中的物质组成和变化趋势主要反应在第一个主成分轴上(50%),这种变化趋势和微生物的变化趋势接近。根据醋醅样本的聚类可以将醋酸发酵分为3个阶段,其中与发酵阶段iii相关的风味物质有60种,包括9种有机酸、18种氨基酸和33种挥发性物质,这说明醋酸发酵中后期是风味物质生成和积累的重要时期。另外,不同批次醋酸发酵之间风味物质的变化情况具有很大相似性(p>0.1),说明不同批次醋酸发酵风味物质变化是相对稳定的。4、醋醅中的物质变化可造成酿醋环境的变化,进而会影响微生物群落的演替。通过对3个重要的环境因子(酸度、乙醇含量和温度)对微生物群落的影响进行相关分析,表明酸度和乙醇浓度是影响微生物群落演替的重要环境因子,酸度与微生物群落的演替趋势呈现出高度显著性的正相关关系(p<0.0001*);而乙醇含量与微生物群落的变化趋势呈现出高度显著性的负相关关系(p<0.0001*)。而温度与微生物群落变化趋势的相关性不大(p>0.1),说明温度对微生物群落结构变化的影响比较小。5、采用O2PLS模型对镇江香醋醋酸发酵阶段的微生物和风味物质之间的相关性分析,微生物自变量重要性指标(VIP(pred))的变化范围在0.15~1.63之间。VIP(pred)大于1.0的微生物有77个属,细菌种属远远多于真菌,并且细菌的VIP(pred)值比真菌大。VIP(pred)大于1.4的微生物有28个属,其中细菌27个属,真菌1个属,这说明醋酸发酵阶段与风味物质相关的重要微生物主要是细菌群落。通过相关性系数分析,与风味物质有相关性(|ρ|>0.7)的微生物有94个属,其中细菌61个属,真菌33个属。与有机酸、氨基酸和挥发性风味物质高度相关(|ρ|>0.8)的微生物共有66个属,其中细菌46个属,真菌20个属。与有机酸、氨基酸高度相关(|ρ|>0.8)的微生物分别有23和37个属,主要为细菌菌群;与挥发性风味物质高度相关(|ρ|>0.8)的微生物有62个属,其中细菌有44个属,真菌有18个属。与3类风味物质共有的呈高度相关的微生物有21个属,其中细菌有19个属和真菌有2个属。通过分析,醋酸发酵阶段风味物质的变化主要与细菌群落中的微生物具有较强的相关性,而真菌仅与很小一部分氨基酸和挥发性物质的变化有相关性,说明酿醋环境中细菌群落变化是影响风味物质变化的本质原因。6、通过对核心功能微生物的条件界定,锚定了与风味物质合成高度相关的核心微生物菌群包括7个属,分别为醋酸杆菌属、乳杆菌属、水栖菌属、乳球菌属、葡糖醋杆菌属、芽孢杆菌属和葡萄球菌属。与7个属微生物高度相关的风味物质可达69种,涵盖了9种有机酸、16种氨基酸和44种挥发性风味物质。通过PICRUSt预测分析,发现醋醅微生物群落的大部分功能(80%)是由7个属构成的核心功能微生物菌群来完成,而非核心微生物菌群的功能仅执行一小部分。这说明核心功能微生物菌群对醋醅微生物群落的功能有重要的作用,以此为基础可以建立基于核心功能微生物菌群的监控方法对镇江香醋醋酸发酵阶段进行理性监测和调节。