《食品科學》：茅臺學院楊亮副教授等：多組學解析醬香型大曲空間異質性

醬香型大曲以小麥、水和母曲為原料，壓制成龜背型后用稻草包裹再經發酵、貯存而成。醬香型大曲在生產過程中能夠形成獨特的微生物群落結構，這是醬香型白酒釀造中發酵動力和風味物質的重要來源。通過微生物代謝進一步形成醬香型大曲特有的代謝物譜系。

近年來，針對醬香型大曲的研究聚焦于不同感官特征醬香型大曲、發酵過程中大曲微生物、代謝物演替等。值得關注的是，發酵過程中同一曲塊不同區域的溫度、濕度及氧氣分布的差異，形成了顯著的曲塊空間異質性。

茅臺學院釀酒工程學院的唐佳代、楊亮*和貴州黔莊酒業集團有限公司的王龍等研究結合高通量測序、超高效液相色譜-質譜（UPLC-MS）非靶向代謝組學技術，探究醬香型大曲曲塊空間的微生物群落、代謝物異質性。綜合大曲理化指標，進一步分析優勢微生物與理化指標及差異代謝物間的相關性，以識別出醬香型大曲關鍵的代謝物質產生菌，揭示微生物群落間復雜的相互作用模式。旨在為探明微生物及其代謝物在醬香型大曲曲塊內部分布情況提供數據支撐，優化曲坯功能分區，為大曲的科學配伍使用奠定理論基礎。

1 醬香型大曲理化指標空間異質性

理化指標是評價醬香型大曲品質及釀造性能的核心參數，對白酒風味形成與工藝調控具有重要指導意義。由表1可知，醬香型大曲曲皮和曲心的理化指標均具有顯著差異，曲皮水分質量分數顯著低于曲心，其余指標均顯著高于曲心。溫度、溶氧等因素驅動大曲中的水分與代謝活性差異。曲皮受曲倉中高溫及通風影響，水分蒸發速率顯著高于曲心，導致曲皮水分含量顯著低于曲心。水分含量直接影響微生物代謝活性及酶促反應速率，水分含量過高易導致雜菌增殖，過低則會抑制曲坯發酵效能。曲皮中較高的溶氧量有利于好氧微生物的定植，其分泌的胞外酶降解淀粉，生成還原糖，并伴隨產酸菌代謝提升酸度。曲心氧含量較低促使其代謝以糖酵解為主，導致還原糖消耗增加，酸度及發酵力較低。

糖化力、液化力可共同表征原料大分子降解能力，曲皮中的糖化力、液化力均顯著高于曲心，與徐千惠等報道一致。發酵力則體現微生物將還原糖轉化為乙醇的綜合效能，與糖化力協同決定出酒率及代謝產物豐度。大曲酯化力是指大曲微生物所代謝的酯化酶催化酸醇合成乙酯類物質的能力，曲皮的酯化力顯著高于曲心，與程偉等的研究結果不同，可能與其生產工藝不同有關。曲皮的良好化特征為后續糖化發酵提供物質基礎，影響乙醇的生成及美拉德反應進程。

2 醬香型大曲微生物的空間異質性

采用試劑盒提取醬香型大曲基因組DNA，對ITS、16S rRNA進行測序，經雙端拼接獲得優質序列，再經去除嵌合體后，真菌共獲得451 704 條有效序列，細菌共獲得365 303 條有效序列。OTU聚類結果顯示，樣品中共存在1 403 個真菌OTU、2 637 個細菌OTU。

Chao1指數和ACE指數表征物種豐富度，Shannon指數和Simpson指數反映物種多樣性。由表2可知，曲皮和曲心的覆蓋率均為1.000 0，表示測序結果能夠真實反映樣品物種豐度及物種多樣性。曲皮中真菌的Chao1指數、ACE指數、Shannon指數和Simpson指數均高于曲心，而細菌的多樣性指數低于曲心，表明曲皮中真菌多樣性均高于曲心，細菌多樣性低于曲心。

PCA得分圖能夠將醬香型大曲微生物群落結構空間異質性可視化。由圖1可知，曲皮和曲心中細菌、真菌的PC1和PC2共能解釋99.21%、98.80%的物種差異。曲皮和曲心在PC1上距離較大，說明醬香型大曲曲皮、曲心的微生物群落結構具有顯著差異。

曲皮與曲心在優勢微生物組成上呈現顯著空間異質性。由圖2A可知，在細菌屬水平方面，曲皮的優勢細菌屬（相對豐度超過1%）包括枝芽孢桿菌屬（Virgibacillus，25.12%）、大腸志賀菌屬（Escherichia-Shigella，19.90%）、葡萄球菌屬（Staphylococcus，15.37%）和海洋芽孢桿菌屬（Oceanobacillus，11.18%）等7 個優勢細菌屬。曲心則以克氏桿菌屬（Kroppenstedtia，53.76%）、Escherichia-Shigella（14.38%）、Virgibacillus（5.18%）為優勢菌屬。由圖2B可知，在真菌屬水平群落方面，曲皮的優勢菌屬包括嗜熱子囊菌屬（Thermoascus，64.89%）、嗜熱絲孢菌屬（Thermomyces，7.28%）、枝孢霉屬（Cladosporium，3.95%）等7 個優勢真菌屬。曲心的優勢真菌屬為Thermoascus（89.07%）和毛霉菌屬（Rhizomucor，1.61%）。

空間分布特征表明，溫度、溶氧等因素驅動差異菌群分化。曲皮中富集耐高溫、專性好氧/兼性厭氧菌屬，如Virgibacillus、Staphylococcus、糖多孢菌屬（Saccharopolyspora）、Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium與鐮刀菌屬（Fusarium）等。曲心則形成耐高溫、厭氧/兼性好氧菌主導的群落結構，如Kroppenstedtia、Rhizomucor、Thermoascus等。在共有的優勢細菌屬中，Virgibacillus和Kroppenstedtia等優勢細菌屬的相對豐度具有顯著差異。在共有的優勢真菌屬中，Thermoascus的相對豐度具有顯著差異，不同香型高溫大曲的曲皮和曲心中皆以Virgibacillus、Kroppenstedtia和Thermoascus等為主要優勢菌屬。其中，Virgibacillus為專性好氧菌，故在曲皮中相對豐度顯著高于曲心。Kroppenstedtia為兼性好氧菌，在曲心中其相對豐度顯著上升。溫度可能是導致曲皮、曲心中Thermoascus相對豐度具有差異的主要因素。

本研究采用LEfSe分析方法對醬香型大曲曲皮與曲心的微生物類群進行差異檢驗，通過LDA得分反映組間顯著差異物種及其生物學效應量。設定lg LDA得分＞4.0為顯著性閾值，結果顯示細菌與真菌群落均呈現顯著空間分異特征（圖3）。

在細菌群落層面，曲皮中顯著富集的細菌屬類群包括Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus和Saccharopolyspora，曲心中高豐度細菌屬為Kroppenstedtia（圖3A）。驅動細菌群落空間異質性的關鍵類群包括Kroppenstedtia、Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora以及若干低豐度菌屬。在真菌群落層面，曲皮中顯著富集的真菌屬類群為Thermomyces、Cladosporium、Fusarium和假皮司霉菌屬（Pseudopithomyces），而曲心中相對高豐度真菌屬為Thermoascus（圖3B）。驅動真菌群落空間異質性的關鍵類群是Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces和若干豐度較低的菌屬。

微生物的空間分異可能通過代謝互補機制影響大曲品質。醬香型大曲長時間的高溫發酵有利于Thermomyces和Thermoascus等嗜熱菌屬存活，其作為優勢菌屬可增加耐熱酶的活性，加強美拉德反應。

3 醬香型大曲代謝物空間異質性

3.1 代謝物PCA

圖4展示了醬香型大曲曲塊不同空間代謝異質性。正離子模式下前2 個主成分（PC1和PC2）累計方差貢獻率達78.80%，負離子模式下累計方差貢獻率達78.19%。曲皮和曲心樣品在PC1上的距離較大，表明曲皮、曲心二者代謝物組成存在本質性差異。

3.2 OPLS-DA

OPLS-DA是利用預測變量和響應之間協方差的潛在變量回歸方法，從而有效檢測到相關性較小的變量，得到樣本組間的特征變量即VIP值。評估模型預測能力的指標

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3.3 差異代謝物的篩選

火山圖展示了醬香型大曲曲皮與曲心中代謝物含量差異的整體態勢及其統計學顯著性水平。圖6中各點分別代表一種代謝物，散點大小與OPLS-DA模型的VIP值呈正比，散點越大，VIP值越高，所篩選的差異表達代謝物的可信度越強。以VIP＞1和P＜0.05為篩選條件，篩選出差異代謝物共計1 022 種，其中上調差異代謝物共524 種，下調差異代謝物共636 種。正離子模式下，篩選出差異代謝物649 種，其中上調的有386 種，下調的有263 種；負離子模式下，篩選出差異代謝物373 種，其中上調的有183 種，下調的有190 種。正離子模式下，篩選出的差異代謝物包括脂質和類脂分子130 種，有機雜環化合物72 種，有機酸及其衍生物64 種，苯環型化合物34 種，有機含氧化合物30 種，苯丙素類和聚酮類19 種，核苷、核苷酸和類似物11 種，含氮有機物11 種，生物堿和衍生物4 種，烴類4 種，木脂素、新木脂素及相關化合物1 種，其他化合物269 種；負離子模式下，篩選出的差異代謝物包括脂質和類脂分子70 種，有機酸及其衍生物54 種，有機雜環化合物23 種，苯環型化合物19 種，有機含氧化合物16 種，核苷、核苷酸和類似物8 種，苯丙素類和聚酮類7 種，含氮有機物6 種，生物堿和衍生物2 種，有機硫化合物2 種，同質非金屬化合物1 種，其他化合物165 種。

醬香型白酒中的風味物質種類豐富多樣，對其主體香成分的認定至今尚未形成定論。吡嗪類化合物具有類似堅果香氣和烘焙香等，對醬香型白酒風味的形成起到關鍵作用。本研究重點分析了醬香型大曲吡嗪類物質的空間異質性，在曲皮和曲心樣品中共檢測出3,5-二甲基-2-乙烯基吡嗪、2-異丙基-3,5-二甲氧基-6-甲基吡嗪、3-異丙基-2-甲氧基-5-甲基吡嗪、2-異丙基-5-甲氧基吡嗪、2-甲基-3-(2-甲基丙基)吡嗪、3-乙基-5-甲基-2-乙烯基吡嗪、3,5-二甲基-2-丙基吡嗪、2,5-二甲基-3-丙基吡嗪、2,5-二乙基吡嗪、三甲基吡嗪10 種吡嗪類化合物（圖7）。結果表明，曲皮中的吡嗪類化合物相對含量較高。這種差異可歸因于高溫驅動的美拉德反應，該反應產生的物質對醬香型大曲的風味物質組成有顯著影響。

4 理化指標、微生物及代謝物相關性分析

通過Mantel測試分析理化指標與微生物間的相關性，結果如圖8所示。細菌與水分含量呈極顯著正相關（P＜0.01），與淀粉含量、還原糖含量和酯化力呈顯著負相關（P＜0.05）。真菌與水分含量、淀粉含量和還原糖含量呈顯著負相關（P＜0.05）。

使用RDA進一步探究優勢微生物與理化指標之間的關聯性。由圖9A可知，淀粉含量、酸度、還原糖含量、酯化力與擬桿菌屬（Bacteroides）、Virgibacillus、Staphylococcus、Saccharopolyspora及Oceanobacillus呈正相關。淀粉含量、酸度、還原糖含量與酯化力之間呈正相關，且均與水分呈負相關。Saccharopolyspora具有分解能力，可以將淀粉、纖維素等多糖類物質分解為可利用的糖類。Staphylococcus在白酒生產中起何作用鮮見報道，但Staphylococcus中的腐生葡萄球菌屬可通過產生酸性蛋白酶降低環境酸度。真菌與理化指標的相關性如圖9B所示。淀粉含量、酸度、還原糖含量、酯化力與Fusarium、帚枝霉屬（Sarocladium）、Cladosporium、鏈格孢屬（Alternaria）及一些未分類的真菌屬呈正相關；Thermoascus、Rhizomucor與水分含量呈正相關。結果表明，影響淀粉含量、酸度、還原糖含量、酯化力的真菌屬主要是Sarocladium，影響水分的真菌屬主要是Thermoascus。

如圖10所示，Staphylococcus、Virgibacillus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces、Sarocladium和Alternaria與吡嗪類化合物表達趨勢呈正相關。Kroppenstedtia、Thermoascus和Rhizomucor與吡嗪類化合物的表達趨勢呈負相關。研究發現，大曲發酵過程中微生物群落與吡嗪類物質相關微生物之間存在互利或競爭的相互作用模式，吡嗪類化合物的表達與處于互利共生關系的微生物呈正相關，而與處于競爭關系的微生物呈負相關。Virgibacillus是大曲中吡嗪類、芳香類等風味物質的重要產生菌，其與吡嗪的產生呈正相關。此外，Ren Qing等研究發現，吡嗪類化合物與Cladosporium等微生物之間總共建立了88 種相關性。但要闡明大曲發酵過程中菌屬的具體作用機制仍需深入研究。

結論

基于高通量測序技術和UPLC-MS非靶向代謝組學技術對醬香型大曲曲塊的理化性質、微生物群落及代謝物空間異質性進行分析。結果表明，除水分指標外，曲皮樣品在發酵力等其余理化指標上均優于曲心。曲皮真菌多樣性均高于曲心，細菌多樣性低于曲心，且細菌和真菌的群落結構在屬水平上存在顯著差異。進一步通過LEfSe分析發現，驅動微生物群落空間異質性的關鍵類群包括Kroppenstedtia、Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora、Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces和若干豐度較低的菌屬。代謝物差異分析表明，曲皮中的吡嗪類化合物相對含量較高。

對醬香型大曲的理化性質、微生物群落構成及其代謝物之間的關聯性進行剖析。水分、淀粉及還原糖含量對細菌和真菌群落均產生顯著影響，尤其是水分含量對細菌群落的影響最為顯著。Bacteroides、Virgibacillus、Staphylococcus、Saccharopolyspora、Oceanobacillus、Fusarium、Sarocladium、Cladosporium和Alternaria與大曲的淀粉含量、酸度、還原糖含量及酯化力呈正相關；而Thermoascus和Rhizomucor則與水分含量呈正相關。本研究揭示了與吡嗪表達量相關的細菌為Staphylococcus、Virgibacillus、Oceanobacillus和Saccharopolyspora；與吡嗪表達量相關的真菌為Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces、Sarocladium和Alternaria。

綜上所述，本研究揭示了醬香型大曲曲塊在理化性質、微生物群落及代謝物方面的空間異質性，并深入探討了“理化-微生物-代謝”三者間的關聯性，為進一步優化醬香型大曲的制備工藝、提升白酒品質提供了理論依據和實踐指導。

作者簡介

通信作者

楊亮 副教授

茅臺學院釀酒工程學院

楊亮，男，茅臺學院釀酒工程學院專任教師，貴州省“千”層次人才，碩士研究生導師，國家一級品酒師。長期從事釀造微生物及白酒風味相關研究。主持國家自然科學基金（2 項）、貴州省科技廳基礎研究重點項目&一般項目、貴州省教育廳科技拔尖人才、江蘇省（博士）研究生科研創新計劃等基金項目11 項，以第一作者在

Compr. Rev. Food Sci. Safe、Food Chem., Food Microbiol、Food Res. Int.、Food Biosci.、LWT-Food Sci. Technol.

第一作者

唐佳代 講師\工程師

茅臺學院釀酒工程學院專任教師

唐佳代，女，茅臺學院釀酒工程學院專任教師，主要研究方向為釀造微生態，主持省部級科研課題1 項、市廳級科研課題2 項。以第一作者發表學術論文12 篇，其中EI收錄3 篇，中文核心期刊9 篇，榮茅臺學院科研先進個人。

本文《多組學解析醬香型大曲空間異質性》來源于《食品科學》2025年46卷第16期126-134頁，作者：唐佳代，王龍，趙益梅，吳成，喬林，肖新瑞，郭敏，楊亮*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250221-094。點擊下方 閱讀原文 即可查看文章相關信息。

實習編輯：劉芯；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網