一区Top项目文章丨宏基因组解析大曲菌群--风味关联
文章导读：
中温大曲（MTD）是浓香型白酒酿造中的核心发酵剂，其风味形成高度依赖复杂微生物群落的代谢活动。由于不同产区和工艺会显著影响微生物组成与风味特征，目前对于关键功能微生物及其作用机制仍缺乏系统认知。近年来，宏基因组学与代谢组学的发展，为解析大曲中“微生物-风味”关系提供了新的研究思路。
齐鲁工业大学研究团队近日在食品领域著名期刊Food Research International上发表标题为“Integrating multi–omics to link core and region-specific microbiota to flavor metabolism in medium-temperature Daqu”的研究性论文，本研究通过多组学分析揭示了中温大曲核心微生物群与风味代谢的关联，并通过实验验证了关键菌株的酯类合成功能。华命生物为本项目提供了宏基因组测序分析服务。
主要研究成果
1.微生物群落结构、多样性及地理分布
本研究通过宏基因组测序分析了中温大曲微生物群落，共鉴定8024种微生物，包括细菌、真菌、古菌和病毒。结果表明，区域间群落结构存在明显差异，细菌多样性高于真菌。真菌主要由子囊菌门和毛霉菌门组成，各地区相对稳定；细菌则以厚壁菌门占优势，且整体多样性更高。在属水平上，曲霉属和横梗霉属在多数样品中丰度约50%；山东和浙江样品富集根霉属，四川样品罗氏霉属丰度较高。芽孢杆菌属广泛存在，不同地区还富集特定菌属，如四川和山东的嗜热放线菌属、泛菌属、葡萄球菌属，以及江苏和山东的乳酸菌属。总体来看，中温大曲真菌群落较为稳定，而细菌群落则呈现出高度的多样性和区域特异性。
2.微生物群落多样性分析
山东和泸州样品的alpha多样性最高，浙江样品最低。基于 Bray-Curtis 距离的 PCoA 和层级聚类分析显示，样品间beta多样性存在显著差异，但聚类模式与地理来源无明确关联，提示原料、生产工艺及当地环境微生物可能是主要驱动因素。冗余分析（RDA）表明酯化力对微生物群落差异影响最为显著，并明显区分了浙江样品，说明酯化力是影响中温大曲微生物群落结构的关键理化因子。
图1：不同产区中温大曲的微生物群落结构与多样性
3.生物标志物与核心微生物群
在门、属及物种水平，LEfSe分析鉴定出多种真菌和细菌可作为样品区分的标志物。曲霉属（Aspergillus）和芽孢杆菌属（Bacillus）在多数样品中丰度较高，表明它们在微生物群落中发挥大曲的基础功能作用。各产区也存在特异性富集的微生物，例如安徽亳州富集总状共头霉和多个乳酸菌属，江苏宿迁富集植物乳杆菌属，浙江样品富集根霉属、酿酒酵母和黑曲霉。共现网络分析显示微生物之间存在复杂的相互作用关系，关键枢纽物种主要属于子囊菌门，并形成高度关联的功能模块。
图2：中温大曲核心微生物群和生物标志物的鉴定
4.微生物功能潜力分析
CAZy注释显示，GT2和GH18在所有样品中丰度均较高（>20%），属于核心功能基因。eggNOG注释结果表明，安徽和浙江样品在“复制、重组与修复”基因相对较少，而“信号转导机制”基因较为富集。KEGG功能谱整体相似，但“氨基酸代谢”和“碳水化合物代谢”等通路存在区域差异，其中山东和浙江样品基因丰度较高，河南样品较低。进一步分析显示，山东样品在“淀粉与蔗糖代谢”和“丁酸酯代谢”方面显著富集，河南样品则偏向富集“α-亚麻酸代谢”和“醚脂质代谢”。NMDS聚类表明，代谢功能差异与微生物群落结构变化相关联。
图3：宏基因组基因的功能注释及比较分析
图4：中温大曲的理化特性与挥发性代谢物谱
5.大曲理化特性与挥发性代谢物谱
中温大曲的理化特性与挥发性代谢物在不同产区样品间呈现显著差异：浙江样品酸度与糖化力最高，但酯化力最低；山东样品酯化力则最高。通过HS-SPME-GC-MS分析鉴定出94种挥发性化合物，其中酯类物质占比突出，各地区酯类与酸类比例存在差异。所有样品中共同检出包括苯乙醇与棕榈酸甲酯等12种挥发物，可能构成中温大曲的基础风味轮廓。相关性网络分析显示，以2-辛酮、棕榈酸甲酯和十四烷酸为核心的高度正相关簇包含多种酯类和酸类，表明酯类与酸类物质可能协同参与风味形成过程。
图5：多组学相关性整合分析及功能微生物的体外验证
6.微生物群落、代谢物与理化性质的整合相关分析
Pearson 相关网络分析表明，Talaromyces、Bacillus 和 Aspergillus 等属作为关键枢纽，与多种酯类和酸类化合物（如己酸、棕榈酸甲酯、十二酸乙酯）呈显著正相关。糖化力和酸度主要与核心挥发物（如 棕榈油酸乙酯、3-甲基-1-丁醇）呈正相关，酯化力和水分含量则与部分代谢物呈负相关。同时，理化指标间也存在显著关联：糖化力与酸度、酯化力与水分含量呈正相关，而酸度与酯化力及水分呈负相关。这些结果揭示了微生物群落在大曲风味形成中的关键驱动作用，为后续功能验证与定向调控提供了科学依据。
7.功能微生物的分离培养与验证
通过产酯培养基复筛后，从大曲中分离到12株产酯酶菌株。基于网络分析中关键风味酯的正相关性，选取Bacillus velezensis L6和Wickerhamomyces anomalus L5，在模拟发酵培养基(甘蔗汁)中进行小规模发酵验证。HS-SPME-GC-MS分析表明，与不加菌的对照组相比，W. anomalus L5挥发性代谢谱中共鉴定18种差异代谢物（VIP > 1），W. anomalus L5能合成乙酸乙酯和棕榈酸乙酯（6.48 mg/L）。与酿酒酵母共培养时，对棕榈酸乙酯的合成有叠加效应，产量达到最高（13.68 mg/L）。同样，B. velezensis L6挥发性代谢谱共鉴定11种差异物质（VIP > 1），当B. velezensis L6，与酿酒酵母共培养时，显著提高月桂酸乙酯和癸酸乙酯的产量。这些体外实验结果，为关联网络中预测的Bacillus velezensis和Wickerhamomyces anomalus与特定风味酯合成的潜在关联提供了初步的、实验性的支持。
文章小结
本研究整合宏基因组学与代谢组学，系统解析中温大曲的微生物群落及风味代谢机制。研究发现，不同产区虽存在微生物差异，但 Aspergillus、Rhizopus 和 Bacillus 等核心菌群稳定存在，并富集于碳水化合物、氨基酸及酯类代谢相关通路。多组学关联分析揭示了关键微生物与风味酯类生成的潜在联系，体外实验进一步验证了 Wickerhamomyces anomalus 与 Bacillus velezensis 的酯类合成能力。本研究为大曲功能微生物筛选及风味品质调控提供了理论依据。