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酒香不怕巷子深?细菌&真菌菌群是关键!

2019-05-24

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文案 | 微生物组产品线


正 文


最近,派森诺生物与四川大学合作,在《Frontiers in Microbiology》(最新影响因子4.019)上再次发表文章,利用高通量测序技术,探究强化大曲对中国浓香型白酒酿酒过程中的微生物群落和风味的影响。


研究背景


浓香型白酒,是中国最著名的白酒,年产量占中国白酒的70%以上。浓香型白酒的酿造过程主要涉及大曲的酿造和粮食发酵。大曲是一种重要的发酵剂,也是白酒的专用原料,对白酒的品质起着至关重要的作用。大曲中的粗酶制剂和各种微生物为酿酒提供了大量的风味化合物以及有益的代谢产物,是大分子水解和代谢所必需的。


大曲是在开放的环境下自然发酵而成,生产模式包括简单的手工操作和大规模的工业过程。到目前为止,传统大曲的生产无论采用何种模式,都主要依靠熟练的技术人员对工艺参数的调控,微生物主要来自于非无菌原料和环境。这些生产过程中的不可预测性和不可控制性,造成了白酒质量的不稳定。因此,研究强化大曲(接种了Bacillus velezensis Bacillus subtilis)和功能性菌群对酿酒过程的影响,进而通过生物强化提高白酒的品质,是当务之急。

 

研究目的


1、研究三种发酵谷物(FG)中微生物群落的组成;

2、研究功能性微生物群落与白酒风味之间的关系。

 

研究方法


测序技术:Illumina MiSeq高通量测序平台


测序模式:微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS1区测序‍


实验设计


分别使用传统大曲、混合大曲和强化大曲作为发酵剂,混合大曲由50%的传统大曲和50%的强化大曲组成。发酵后得到的相应FG分别称为FG0、FG50和FG100。将蒸熟的谷物冷却到40℃以下,与大曲4:1混合后放入泥窖中,厌氧发酵2个月。取FG中、底层各7个位置,混合均匀,作为一个样品。这些样本分别编号为FG0-M、FG50-M和FG100-M(中间层样本),以及FG0-B、FG50-B和FG100-B(底层样本)。


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图1 白酒酿造过程和样本收集示意图

 

研究结果


▶ 不同样本的微生物丰富度和多样性


稀疏曲线


对样本进行质量控制之后绘制稀疏曲线,可以看到所有的稀疏曲线都是饱和的,如图2所示,这表明获得的序列reads足以代表这些样本的群落多样性。


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图2 稀疏曲线

 

Alpha多样性指数


表1描述了不同样品中微生物群落的Alpha多样性。对于原核微生物群落,数据显示,同一泥窖的中层微生物丰富度(Chao1)和多样性(Shannon)高于底层。对于真核微生物群落,添加强化大曲后,中间层的丰富度和多样性增加,而底层减少。

 

表1  Alpha多样性指数


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▶ 不同FG中细菌和真菌的物种组成


如图3(A)所示,细菌群落丰度在不同层间存在显著差异,中层以Bacillus 为优势属,底层以Lactobacillus 为优势属。添加大曲后,底层Lactobacillus 的相对丰度显著下降,Bacillus、Lactococcus Ochrobactrum 的相对丰度显著增加。如图3(B)所示,真菌优势属Aspergillus、Candida、Thermoascus 等菌属在这些样品中也表现出显著差异。

 

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图3 不同FG中的物种组成

 

▶ 微生物群落与风味化合物的关系


通过RDA分析揭示微生物群落与风味化合物之间存在的关系。对于原核生物,如图4(A)所示,己酸、1-己醇和一些酯类是FG50-B中与乳酸菌呈强正相关的重要化合物;在FG50-M中,苯甲醛、4-甲基苯酚、2,4-二叔丁基苯酚等芳香族化合物与Bacillus 等群落组成有关。对于真核生物,如图4(B)所示,FG50-B中的乙酯和1-己醇与Candida 呈强正相关,在FG100-B中,己酸己酯主要与Thermomyces 成呈正相关。

 

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图4  RDA分析

 

▶ 强化大曲对微生物群落和风味化合物的调控


强化大曲在酿造过程中对微生物群落结构及其代谢进行了显著调控,如图5所示,且Bacillus 可以产生淀粉酶对淀粉进行降解,从而加速啤酒的酿造过程。


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图5 强化大曲的调控作用图

 

结论


在本研究中,我们以适当比例的强化大曲(接种了Bacillus velezensis Bacillus subtilis)发酵,研究了Bacillus 对啤酒酿造过程中微生物群落和挥发性化合物形成的影响。研究表明,50%强化大曲发酵液中芳香族化合物和主要酯类含量较高,主要与Bacillus、Aspergillus、Lactobacillus 和Candida 有关。

 

本研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。

 

文章索引


He G, Huang J, Zhou R, et al. Effect of Fortified Daqu on the Microbial Community and Flavor in Chinese Strong-Flavor Liquor Brewing Process[J].Frontiers in Microbiology, 2019.