基于宏基因组分析增温对食醋大曲固态发酵过程中微生物菌群的影响

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中国传统大曲是一类经开放式环境形成的菌系、酶系和物系复合的糖化发酵剂,在食醋的固态发酵中占有重要的地位。发酵温度直接影响着大曲发酵进程、质量及最终产品的风味。提高制曲过程中大曲的最高品温(增温)成为一种酿造工艺的创新,而食醋大曲普遍采用低的制曲温度且缺乏对食醋大曲中原料降解和风味物质的代谢途径研究。本论文通过在实验室模拟食醋大曲固态发酵过程,以增温实验组(HT)和对照组(MT)两批次大曲为研究对象,结合宏基因组技术分析增温对食醋大曲发酵过程微生物菌群的影响,研究结果表明:(1)这两批次食醋大曲发酵温度达到预期,糖化酶酶活在MT和HT批次大曲中呈现相似的变化趋势且批次间没有显著性差异(P>0.05);虽在发酵第9 d MT大曲中乙醇的相对含量显著性(P<0.05)高于HT大曲,但异丁醇的相对含量在发酵第4 d(14.89±1.36μg/10 g daqu)显著性(P<0.05)高于MT大曲(8.03±0.61μg/10 g daqu),且乙酸乙酯在HT批次大曲发酵第9 d和第14 d的相对含量显著性(P<0.05)高于MT批次大曲。(2)根据制曲过程中温度的转变,两批次大曲共10个样品进行宏基因组测序,获得230,843条Unigenes序列。通过物种注释发现这两批次食醋大曲整个发酵过程中乳酸菌目,酵母菌目和肠杆菌目占优势,与MT批次大曲相比,HT批次大曲中存在更高丰度的嗜热散囊菌目;通过功能注释发现大曲发酵过程中主要代谢过程分类为碳水化合物代谢和氨基酸代谢。(3)利用宏基因组数据,深入挖掘大曲中微生物降解原料和主要风味代谢途径相关酶并进行物种注释,发现主要风味乳酸、乙酸、乙醇的形成与碳水化合物代谢相关。虽在MT批次大曲中存在更高丰度将糊精分解成葡萄糖的蔗糖酶-异麦芽糖酶,但HT批次大曲发酵过程中注释到α-淀粉酶和葡聚糖1,4-α-麦芽糖水解酶的相对丰度高于MT批次大曲,且HT大曲注释到更高丰度降解纤维素的β-葡萄糖苷酶和纤维素1,4-β-纤维二糖苷酶,说明增温发酵可能有助于原料中纤维素的降解而提高原料的利用率。对功能微生物分析,发现Bacillus注释到的功能酶种类最多,且散囊菌目(特别是Aspergillus和Thermoascus)在食醋大曲发酵过程中对纤维素降解有不可取代的重要作用。本论文揭示了增温对食醋大曲发酵过程中的微生物菌群的影响,为大曲微生物及酶系形成机理提供参考依据,对传统酿造工艺改进和提升食醋的品质具有重要的意义。
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