使用年限对浓香型白酒车间中微生物和糟醅代谢差异的影响

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浓香型白酒的酿造是复杂的多菌种自然发酵过程,涉及多种微生物种群,在发酵过程各司其职,共同推进白酒发酵的进行。其中不仅涉及到大曲和窖池中的微生物,车间环境中的微生物也有机会进入发酵体系中,进而影响白酒的品质。然而目前对于浓香型白酒的环境中的微生物种群结构及其演替规律缺少系统全面的研究。因此,本课题选取了3个不同使用年限(分别为70年、30年及1年)的浓香型白酒车间作为研究对象,收集白酒车间中包括糟醅、原料和车间环境样品在内的多种样本,利用16S r RNA和内部转录间隔(Internal Transcribed Spacer,ITS)基因扩增子全长测序和非靶向代谢组学,对浓香型白酒车间中的微生物群落进行解析与比较,探究不同白酒车间中微生物对于糟醅发酵的影响,为实现酿造过程的高度可控性提供见解。研究结果如下:(1)浓香型白酒车间中包含丰富多样的微生物群,白酒发酵糟醅中微生物群受到多种来源微生物的影响。对3个不同使用年限浓香型白酒发酵车间中微生物群落在种水平进行解析,发现不同环境下,白酒入窖糟中主要的细菌为耐酸乳杆菌(Lactobacillus acetotolerans)、巴氏醋杆菌(Acetobacter pasteurianus)和直杆糖多孢菌(Saccharopolyspora rectivirgula)等,细菌在原料大曲和设备工具表面也大量检测到。随着发酵的进行,耐酸乳杆菌(L.acetotolerans)成为出窖糟中最主要的细菌种群。白酒车间中真菌群落的组成相似,以扣囊复膜孢酵母(Saccharomycopsis fibuligera)、汉逊德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)、横梗霉(Lichtheimia ramosa)、伞状毛霉菌(Lichtheimia corymbifera)和库德里阿兹威毕赤酵母(Pichia kudriavzevii)等为主。Source Tracker溯源分析结果显示除了大曲、窖泥和设备表面等是发酵微生物的主要来源外,来自地面和空气等环境的微生物群也是入窖糟中微生物的重要组成部分。(2)微生物对于特定环境具有偏好性,车间不同位置形成独具特色的微生物群落聚集,使用年限久的车间中细菌微生物种群趋于稳定,以独特的非酿造功能菌群为主。随着使用年限的增加,车间环境中,地面和空气中微生物的多样性增加。微生物种群差异分析显示不同车间的环境样品独具特色,对于车间地面样品,70年车间和新车间的微生物群落表现出显著差异,差异标志物分别为70年车间的红色杆菌(Rubrobacter)、汉逊德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)与新车间的短杆菌属(Brevibacterium)、短状杆菌属(Brachybacterium)。新车间墙壁和空气样品中地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)含量明显高于其他车间。Source Tracker分析结果显示,随着使用年限增加,车间环境中细菌趋于独特,来源无法追踪,而入窖糟、工具表面和窖泥中的细菌是新车间环境细菌的主要来源。白酒车间的真菌来源广泛,发酵糟醅、原料和工具设备表面均对其有贡献。Beta最近分类单元指数(Beta Nearest Taxon Index,βNTI)与基于Bray-Curtis非相似性的Raup-Crick指数(RCbray)结果表明,随着车间使用年限的增加,内部环境中细菌群落受变量选择的确定性过程主导占比增加,变量选择主导的群落演替成为70年车间(80.77%)最主要的构建过程,70年车间的细菌群落结构趋于稳定,使用年限较短的新车间中同质选择(48.57%)与均质化扩散(31.43%)为主导因素。相反,环境中真菌群落受白酒大曲和发酵糟醅中的常驻功能真菌的影响,老车间中的真菌群落结构与新车间中的群落结构构建过程相似,处于变量主导的群落演替中,没有显示出受到年限差异的影响。(3)不同环境下,微生物种群结构的差异是导致两个不同车间中糟醅代谢图谱差异的直接原因。基于非靶向代谢组学结果显示,70年车间的出窖糟与30年车间相比,有38种代谢物显著上调,28种代谢物显著下调,代谢途径分析得到18条差异代谢途径。Pearson相关性分析和冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)表明,两个车间中不同的微生物种群结构导致糟醅代谢差异,其中丝孢酵母属、Trichosporon coremiiforme、库德里阿兹威毕赤酵母和蜂生假丝酵母(Candida apicola)对于70年车间的差异代谢物有显著贡献,而谢瓦曲霉(Aspergillus chevalieri)和帚状曲霉(Aspergillus penicillioides)为代表的曲霉菌属和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)为30年车间糟醅差异代谢物的主要贡献菌属。
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