北方酱酒第五轮次细菌群落解析与功能研究

作     者：陈博超 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张翠英;宋国卿

授予年度：2023年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 083203[工学-农产品加工及贮藏工程] 

主      题：北方酱香型白酒 扩增子测序 细菌群落 关联分析 功能菌剂 

摘      要：酱香型白酒具有悠久的酿造历史,工艺独特,深受中国消费者的喜爱。由于南北方气候条件的不同,导致北方酱香型白酒与南方酱香型白酒在微生物群落结构和酒体风格特点上具有明显差异。为了探究北方酱香型白酒独特风格的形成机制,本研究通过高通量测序技术对北方某酒厂酱香型白酒第五轮次“大回酒堆积和窖池发酵过程中酒醅进行研究,监测理化指标与风味物质及细菌群落结构特征及代谢特征的变化情况,运用关联分析方法挖掘微生物与理化指标和风味代谢物之间的关系,并通过功能菌剂添加实验验证部分细菌的功能,为提高北方酱香型的质量和安全奠定理论基础。主要研究内容如下: (1)对第五轮次酱香型白酒酒醅的酸度、水分、淀粉和还原糖指标进行测定,发现五轮次堆积阶段水分从46.99%上升至50.16%,酸度先降低后增加(2.07mmol/10g～2.12 mmol/10g),淀粉含量从22.89%减少至21.77%,还原糖含量在堆积阶段一直升高(2.75%升至3.12%);而窖池阶段水分从49.48%升至52.07%,酸度从2.10 mmol/10g上升2.51 mmol/10g。淀粉含量从21.27%降为17.73%,还原糖则从2.76%降低到2.60%。 (2)采用气相色谱技术对酒醅香气物质进行定量分析研究,液相色谱技术检测有机酸。共检测到33类挥发性化合物,五轮次酒醅的挥发性成分中,乙酸、2,3-丁二醇、乳酸乙酯、糠醛分别是酸类、醇类、酯类、醛类中含量最高的物质,在堆积初始的含量为3795.38 mg/kg、680.22 mg/kg、260.55 mg/kg、69.16 mg/kg,到窖池发酵结束升高至4382.34 mg/kg、815.45 mg/kg、664.28 mg/kg、96.98 mg/kg,在窖池阶段增速较大。乳酸是检出的主要有机酸,其含量远高于其他物质,从开始10.19 g/kg不断波动变化至发酵结束的12.47 g/kg。 (3)根据16S扩增子测序物种注释结果,北方酒厂第五轮次酱香白酒发酵过程细菌门水平主要由厚壁菌门Firmicutes(73.52%)、变形菌门Proteobacteria(23.24%)、放线菌门Actinobacteriota(1.78%)等组成,它们从堆积初始相对丰度93.30%、4.86%、1.21%变为发酵30天后的65.44%、42.67%、2.37%。属水平上的优势菌属有Lactobacillus、Bacillus、Oceanobacillus、Virgibacillus、Acinetobacter、Kroppenstedtia和Thermoactinomyces。前三个优势属为Lactobacillus、Bacillus和Oceanobacillus,它们的相对丰度整个酿造过程中从3.5%、23.45%和21.93%变化到窖池发酵结束的24.16%、6.06%和3.64%。基于主成分分析和热图分析结果表明,窖池阶段第5到第7天之间细菌群落组成变化较大。在所有环境样品中,门水平上厚壁菌门(Firmicutes)占据绝对优势,变形菌门(Proteobacteria)是次优势菌,工人手臂样品细菌门多样性最高,是发酵微生物的重要来源。溯源分析表明车间地面、工具和大曲是发酵过程中关键节点S00、S02主要细菌来源,而窖池发酵结束酒醅细菌主要是未知来源,其次来源于堆积结束酒醅。 (4)分析细菌群落之间及与理化因子、风味物质在白酒酿造过程中相互作用。微生物群落之间的相关性分析表明,Lactobacillus的生长代谢对多数菌有抑制作用,而Virgibacillus、Oceanobacillus、Anaerosalibacter、Thermoactinomyces等好氧菌能相互促进生长。冗余分析表明水分、酸度、淀粉、还原糖、温度均对细菌群落结构存在重要调控。酸度、水分和Lactobacillus有显著正相关,而多数细菌呈负相关。淀粉与Virgibacillus、Bacillus、Oceanobacillus呈正相关,还原糖与Paracoccus有显著的正相关性。根据微生物与代谢产物之间网络关联分析,Virgibacillus、Oceanobacillus等好氧细菌多与醛类物质存在正相关,Lactobacillus、Pseudomonas与多种关键的醇、酸、酯类化合物有显著正相关。 (5)采用传统可培养方法在北方酱香型白酒酒醅和大曲中获得数株酿造性能优良的细菌。通过原位发酵试验发现索诺拉沙漠芽孢杆菌(Bacillus sonorensis)ZB2和地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)ZB3具有良好的降酸效果,总酸度分别降低了21.1%和37%,而ZB3还具有明显的降正丙醇作用,与对照组相比降低了46%。鼠