洋河浓香型白酒发酵过程酒醅微生物群落结构解析及其与有机酸合成的相关性

【目的】解析江苏洋河酒厂浓香型白酒窖内发酵过程酒醅微生物群落结构,建立酒醅微生物与主要有机酸合成的关联性。【方法】通过宏基因组测序获得白酒发酵过程中微生物群落结构变化规律,利用主成分分析和偏最小二乘回归分析寻找酒醅中影响主要有机酸合成的关键微生物。【结果】根据微生物组成结构变化和有机酸合成变化规律,可将白酒窖内发酵分为两个时期(0–14 d和15–60 d)。其中窖内发酵0–15 d与主要有机酸合成相关的微生物数量显著高于15–60 d的。窖内发酵过程与主要有机酸合成相关的微生物包括7个菌属,分别为乳杆菌属(Lactobacillus)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、酵母属(Saccharomyces)、Naumovozyma、伊萨酵母属(Issatchenkia)、嗜冷芽孢杆菌属(Psychrobacillus)和根霉属(Rhizopus)。【结论】本研究识别了白酒窖内发酵过程中与主要有机酸合成相关的核心和关键微生物,可为阐明白酒窖内发酵产酸机理和保障白酒品质的稳定性奠定研究基础和理论依据。     

酒醅中精氨酸利用菌株的分离筛选及其对浓香型白酒中瓜氨酸积累的影响

【目的】分析浓香型白酒酒醅发酵过程中氨基甲酸乙酯前体物质瓜氨酸含量显著增加的原因,确定酒醅中能够利用精氨酸并积累瓜氨酸的微生物,为解析白酒中氨基甲酸乙酯的形成机制提供研究基础和理论依据。【方法】采用高通量筛选技术,从浓香型白酒酒醅中分离具有高精氨酸利用能力和高瓜氨酸积累特性的菌株,并通过基因型和表现型验证以及模拟窖内发酵验证它们对瓜氨酸积累的贡献。【结果】共筛选获得20株具有高精氨酸利用能力的菌株,其中Lactococcus garvieae LD3,Bacillus amyloliquefaciens BG5,Pediococcus acidilactici PH7和Staphylococcus pasteuri SH11具有较高的瓜氨酸生成能力,并可使酒醅中瓜氨酸含量显著增加。【结论】筛选获得的4类微生物均能够通过ADI途径代谢积累瓜氨酸,是导致酒醅瓜氨酸含量增加的原因。     

泸型酒酒醅中梭菌群落的发酵演替规律和功能预测

【目的】研究泸型酒酒醅中梭菌(Clostridia)群落的演替规律,探讨梭菌群落在酒醅发酵过程中的潜在功能。【方法】利用实时荧光定量PCR技术结合高通量测序技术研究不同发酵时间泸型酒酒醅中梭菌丰度变化;通过梭菌16S r RNA基因序列高通量测序数据分析揭示梭菌群落演替规律,并运用LEf Se分析找出标志性OTU;通过PICRUSt分析对梭菌功能组成进行预测。【结果】泸型酒发酵过程酒醅中梭菌的生物量在发酵14 d上升至最高(3.46×10~7 copies/g),梭菌占总细菌的相对丰度在发酵20 d达到最高(6.67%);对梭菌群落结构的聚类分析结果表明,发酵7 d的酒醅梭菌群落结构显著区别于其他发酵时间,主要体现为存在17个标志性OTU,其中大部分分类学地位尚不明确;PICRUSt分析显示梭菌主要参与氨糖与核糖代谢、磷酸戊糖途径,其次是果糖和甘露糖代谢、TCA循环、糖酵解途径、丙酸及丁酸代谢。【结论】泸型酒酒醅中梭菌的生物量和占细菌的相对丰度在发酵开始后的2-3周内逐渐达到最高,而梭菌群落的结构则在发酵1周内便发生了显著改变,并在发酵2-3周内趋于稳定。在发酵2-3周时有较多与丙酸、丁酸等风味物质代谢相关的基因在酒醅梭菌中被预测到。     

乙醇与酸度协同作用推动芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演替

【背景】揭示白酒固态发酵过程中微生物组装规律及其环境驱动因素,对于解析白酒酿造微生物特征具有重要作用。【目的】揭示芝麻香型白酒固态发酵过程中微生物群落的演变规律及其演替的环境推动力。【方法】通过高通量测序揭示固态发酵过程中的优势微生物及群落结构演变过程;通过PICRUSt预测固态发酵过程中原核微生物群落代谢途径分布变化;通过关联分析揭示酒醅理化因子对微生物群落结构演变的解释率;通过实验室模拟发酵验证理化因子对群落组成的影响。【结果】芝麻香型白酒固态发酵过程包括2个阶段:阶段I (0-5 d),乙醇合成速率和还原糖消耗速率最高,Bacillus和Pichia是丰度最高的微生物属,酸度是群落演替最关键推动力;阶段II(5-30d),Lactobacilus和Saccharomyces是丰度最高的微生物属,乙醇是群落演替最关键推动力。在固态发酵过程中酒醅理化因子对群落演替的解释率为68.27%,其中乙醇(最高解释变量)和酸度的解释率分别为13.76%和4.43%,二者的共同解释率为23.17%,对推动微生物群落演替具有协同作用。【结论】揭示了芝麻香型白酒固态发酵过程的微生物群落演变规律及其演替的环境推动力,为提高白酒固态发酵过程可控性提供依据。     

配糟对清香型白酒发酵中环境因子及微生物群落的影响

【背景】环境因子是影响微生物生长代谢的重要因素,解析半开放条件下酿造过程中环境因子对微生物群落演替的作用对于清香型白酒生产调控具有重要意义。配糟在白酒发酵过程中起着调节发酵速度的作用,其对微生物群落组成变化的影响尚不明确。【目的】揭示使用不同发酵周期配糟对清香型白酒发酵过程中环境因子及微生物群落演替的影响。【方法】采用PacBio测序平台和多元统计分析比较使用2种配糟酒醅中微生物群落结构组成,结合蒙特卡洛置换检验明确环境因子对微生物群落的影响。【结果】与使用正常发酵周期配糟酒醅相比,使用延长发酵周期配糟酒醅水分较低,而酸度、氨基酸态氮、总游离氨基酸、还原糖和残余淀粉较高;微生物多样性和丰富度分析发现,使用延长发酵周期配糟酒醅中细菌α多样性极显著高于使用正常发酵周期配糟酒醅(P<0.001),而真菌α多样性显著/极显著低于使用正常发酵周期配糟酒醅(P<0.05, P<0.001);通过组间差异性分析发现,细菌群落共产生28个差异指示种,而真菌群落共产生15个差异指示种;水分、酸度、氨基酸态氮、还原糖、残余淀粉和总游离氨基酸对微生物群落结构的影响显著(P<0.05)...     

酒醅来源酵母菌合成异戊醇能力与途径解析

【背景】异戊醇是酵母菌在白酒发酵过程中通过氨基酸合成代谢途径和氨基酸分解代谢途径合成的主要高级醇,其含量影响白酒饮用的舒适度。【目的】分析和比较分离自浓香型白酒酒醅中的酵母菌合成异戊醇的能力,揭示酵母菌合成异戊醇的途径。【方法】从酒醅中分离具有异戊醇合成能力的酵母菌株,比较不同生长时期酵母菌合成异戊醇的能力,通过前体物代谢分析它们合成异戊醇的途径。【结果】分离自酒醅的5株酵母的异戊醇合成能力从强到弱依次为Naumovozyma castellii JP3-1、Saccharomyces cerevisiae JP3、Pichia fermentans JP22、Pichia kudriavzevii JP1和Naumovozyma dairenensis CBS421。这些酵母合成异戊醇的时期主要在对数生长期,N. castellii JP3-1、P. fermentans JP22和N. dairenensis CBS421在稳定生长期也合成异戊醇。S. cerevisiae JP3、N. castellii JP3-1和N. dairenensis CBS421在整个生长时期主要通过Harris途径合成异戊醇;P. kudriavzevii JP1在整个时期主要通过Ehrlich途径合成异戊醇;P. fermentans JP22在对数生长期通过Harris途径和Ehrlich途径合成异戊醇的能力接近,在稳定生长期主要通过Harris途径合成异戊醇。【结论】本研究揭示了酒醅来源5个属种酵母合成异戊醇的途径、能力与其生长时期的关系,研究结果可为解析浓香型白酒发酵过程异戊醇合成、积累机制及实施白酒发酵过程异戊醇合成的精准调控提供理论依据。     

卡西霉素生物合成基因簇中调控基因calR1的功能

【背景】卡西霉素(calcimycin)是重要的离子载体抗生素,其生物合成基因簇已从教酒链霉菌NRRL3882的基因组DNA中成功克隆,但基因簇内的部分生物合成基因及调控基因的功能有待研究。【目的】研究卡西霉素产生菌教酒链霉菌NRRL3882中编码TylR家族同源转录调控蛋白的calR1基因的功能。【方法】通过PCR-targeting的方法,构建calR1基因敲除突变株及回补菌株,对突变菌株及回补菌株进行发酵,通过HPLC分析其代谢产物。利用荧光定量PCR检测ΔcalR1突变菌株和野生菌株的生物合成基因转录水平。【结果】calR1基因敲除突变株丧失产生卡西霉素的能力,但仍有中间产物噻唑霉素的积累,回补菌株中卡西霉素的产量有一定程度的恢复。RT-qPCR结果表明,卡西霉素合成相关的一些重要基因calC、calG、calU3等基因的表达量明显改变。【结论】TylR家族转录调控基因calR1是卡西霉素生物合成的调控基因。     

洛伐他汀工业菌株土曲霉HZ01的次级代谢产物合成分析

【目的】分析洛伐他汀工业生产菌株土曲霉HZ01的次级代谢产物合成能力,为后期的遗传改造、次级代谢产物及其基因簇挖掘提供指导。【方法】对洛伐他汀发酵条件下的样品进行了转录组分析,同时运用色谱分离技术及波谱学方法对主要次级代谢产物进行了分离和结构鉴定。【结果】洛伐他汀合成相关基因转录水平非常高,还有4个聚酮合酶(PKS)、6个非核糖体多肽合成酶(NRPS)和1个PKS-NRPS杂合酶基因进行了转录,其他PKS和NRPS基因都处于沉默状态。此外,从该菌的发酵产物中分离鉴定了10个主要副产物并确定了其结构。【结论】土曲霉HZ01是一株优良的洛伐他汀生产菌株,在构建次级代谢产物异源合成细胞工厂和鉴定次级代谢产物生物合成途径方面具有很好的应用潜力。     

荧光定量PCR法定量白酒固态发酵过程中产土味素的链霉菌

【目的】荧光定量PCR法具有特异性高、灵敏度高等优点,在定量复杂环境中微生物数量方面得到广泛应用。本文采用荧光定量PCR方法对固态白酒发酵过程产土味素链霉菌进行定量分析并验证其准确性。【方法】通过优化大曲和酒醅中微生物基因组提取方法,并建立相应的大曲和酒醅两种基质条件下的荧光定量PCR标准曲线,并对方法的精度和准确度进行验证分析。采用荧光定量PCR方法对大曲和酒醅中产土味素链霉菌进行定量分析。【结果】结果表明大曲中产土味素链霉菌数量在105数量级,并且清茬曲中此类链霉菌数量最高。酒醅发酵起始阶段产土味素链霉菌数量在104数量级,而后随着发酵的不断进行,酒醅中此类链霉菌数量有所减少。【结论】荧光定量PCR方法能够对白酒固态发酵过程中产土味素链霉菌准确进行定量分析,对采用此方法定量其他微生物具有借鉴意义。     

芝麻香型酒醅堆积过程中微生物结构变化分析

【背景】高温堆积发酵过程是芝麻香型白酒生产过程中的一个重要环节,是芝麻香型白酒典型风格形成的关键工序。【目的】解析堆积发酵过程中原核和真核微生物群落的演替规律。【方法】分别对高温堆积酒醅样本的细菌16S rDNA V3-V4区和真菌ITS2区进行Illumina高通量测序,解析高温堆积过程中酒醅的真菌和细菌菌群结构变化规律,同时解析发酵过程中温度、水分、酸度、淀粉、还原糖的变化规律。【结果】酒醅堆积初期0-6 h,占优势的原核微生物菌属是Bacillus、Weissella和Acetobacter。堆积20 h后微生物群落结构变化显著,Weissella的比例降低,Acetobacter的比例显著增加。堆积初期,占优势的真核微生物菌属是Aspergillus、Saccharomyces和Pichia。堆积6 h后,Aspergillus比例下降,而Pichia和Saccharomyces则逐步增多,其绝对优势地位一直保持至堆积结束。酒醅微生物群落结构受翻堆操作的短暂影响(堆积20 h时),最终恢复至平衡状态。高温堆积36 h以后,酒醅中的原核和真核微生物群落均趋于稳定。还原糖数据显示堆积前期微生物糖化作用迅速,36 h后糖化趋于稳定,温度、酸度、淀粉含量参数基本平稳。【结论】酒醅高温堆积发酵过程中,原核微生物和真核微生物有其不同的变化规律。原核微生物的变化是以20 h时的翻堆为结点,翻堆前的优势菌属是Bacillus、Weissella和Acetobacter;堆积后的优势菌属是Weissella和Acetobacter,其中后者占绝对优势。与原核微生物相比,真菌微生物的结构逐步集中,到发酵结束时毕赤酵母和酵母两者占真菌总量的93%以上。芝麻香型白酒发酵过程的高温堆积环节,原核和真核微生物的菌种繁殖以及相应的菌群结构变化为稍后的高温发酵奠定了微生物基础。     

洋河酒窖泥细菌群落结构与菌株产酸能力分析

【背景】窖泥微生物的种类及其代谢产物类型是影响浓香型白酒发酵过程中丁酸和己酸等白酒中主要有机酸合成的影响因素之一。【目的】揭示浓香型白酒不同窖龄窖泥细菌群落结构,研究厌氧细菌产酸性能,阐明窖泥细菌与白酒中有机酸合成的相关性。【方法】通过Illumina HiSeq高通量测序,基于16S rRNA基因序列分析不同窖龄窖泥细菌的组成。分离获得厌氧细菌,通过比较菌株产丁酸和己酸能力来分析窖泥的微生物代谢特性。【结果】洋河酒窖泥细菌主要分布于梭菌纲(Clostridia)、拟杆菌纲(Bacteroidia)、互营养菌纲(Synergistia)和芽孢杆菌纲(Bacilli)。20年窖龄的窖泥中氢孢菌属(Hydrogenispora)和瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)丰度显著增加。窖泥细菌间相关性分析表明,瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)为窖泥中影响最大的核心微生物,很多微生物与梭菌属(Clostridium)菌株之间多为相互促进关系。通过传统可培养方法共分离得到梭菌目(Clostridiales)的20株厌氧菌。其中梭菌属(Clostridium)菌株产酸能力高于其他菌属,酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)和丁酸梭菌(Clostridium butyricum)产丁酸和己酸的能力最强。产丁酸能力最高的菌主要分离自5年和20年窖龄窖泥,产己酸能力最高的菌分离自20年窖龄窖泥。【结论】解析了浓香型白酒不同窖龄窖泥的细菌组成,并对菌株产丁酸和己酸的能力进行了比较,为揭示窖泥微生物功能及其对白酒风味物质合成的影响奠定了相关的研究基础。     

宜宾浓香型白酒酿造过程中可培养细菌的系统发育多样性

【目的】为较系统地了解宜宾浓香型白酒酿造过程中可培养细菌的多样性,得到一些潜在的微生物资源。【方法】采用改良的NA培养基和高氏I号培养基分离、去除冗余,测定所得细菌纯培养物的16S rRNA基因,进行系统发育分析。【结果】分离得到603株细菌,4株菌的序列与GenBank中典型菌株序列相似性低于97%,代表着潜在新类群;599株菌与GenBank中34个属、101个种的典型菌株序列相似性大于97%,其中以Bacillus为绝对优势菌(315株),Streptomyces(121株)、Lysinibacillus(35株)、Staphylococcus(45株)为次优势菌,其余各属菌株均在10株以下。而且有16个属均只检测到1株菌。【结论】宜宾浓香型白酒发酵过程中的细菌呈现出较为丰富的多样性和一定的稳定性。     

芝麻香型白酒微生物多样性及其与胁迫因子相关性

【背景】近年来芝麻香型白酒的生产工艺日臻成熟,然而相应的科学研究却没有同步发展起来。高通量测序技术越来越多地应用于物种多样性的研究,但偏重于研究物种的相对丰度,没有关注物种的生物数量。【目的】深度解析芝麻香型白酒发酵过程微生物群落结构变化及其与胁迫因子相关性,并研究主要酵母菌与细菌的相关性,为揭示芝麻香型白酒发酵机理和控制发酵质量提供理论支撑。【方法】使用Thermofisher的Ion S5~(TM)XL测序平台进行16S rDNA和ITS rDNA扩增子高通量测序,结合微生物传统的定量方法,测定芝麻香型白酒发酵过程微生物群落结构的变化,同时监测发酵过程乳酸、乙酸、乙醇的含量变化,通过样品复杂度分析、多样品比较分析、环境因子关联性分析探究发酵过程微生物群落及其与胁迫因子的关系。通过Pearson相关性分析酵母菌与细菌的相关性。【结果】发酵前期纤维素菌、魏斯氏菌和芽孢杆菌占主要优势,发酵中后期乳杆菌占绝对优势,其次是纤维素菌、魏斯氏菌和芽孢杆菌。整个发酵过程伊萨酵母占绝对优势,其次是维克霉菌、酿酒酵母、假丝酵母。大部分微生物与胁迫因子呈负相关,只有乳杆菌与乙酸呈极显著性正相关。酵母菌与部分细菌呈正相关性。【结论】白酒发酵过程胁迫因子和微生物间的相互作用促进了群落演替过程,发酵后期乳杆菌和芽孢杆菌发酵产酸抑制了大部分不耐酸菌,有机酸是影响群落结构变化的主要胁迫因子。微生物数量结合相对丰度揭示了发酵过程群落结构演替及其与环境因子相关性的更多信息。     

A comprehensive survey on isoleucine biosynthesis pathways in seven epidemic Leptospira interrogans reference strains of China

Previous studies have indicated that different species of Leptospira synthesize isoleucine via either pyruvate and/or threonine pathways. Seven epidemic Leptospira interrogans reference strains from China belonging to different serovars, together with three saprophytic strains of Leptospira biflexa and Leptospira meyeri, were analysed. The isoleucine biosynthesis properties were studied firstly by measuring the key enzymes of the two pathways, citramalate synthase (CimA, CE4.1.3.-) and threonine deaminase (IlvA, CE4.2.1.16), from cell extracts of the bacteria. Meanwhile, alpha-isopropylmalate synthase (LeuA, CE4.2.1.12), the key enzyme of leucine biosynthesis, was also measured as a control. It was found that all L. interrogans strains synthesized isoleucine via the pyruvate pathway exclusively, but L. biflexa and L. meyeri used both pathways. Dot-Blot and PCR amplification of both cimA and ilvA genes in the corresponding strains provided additional evidence consistent with the data of enzymatic assays. Although it is evident that leptospires' isoleucine biosynthesis may preferentially adapt either to the pyruvate pathway exclusively for pathogens or to the combination of both pyruvate and threonine pathways for saprophytes, broader sampling with careful genomospecies identification is needed for a solid conclusion.     

谷氨酸代谢调控及hemA过表达促进大肠杆菌血红素合成

【背景】大肠杆菌(Escherichia coli)以谷氨酸为前体经C5途径合成有限的血红素。【目的】探究胞内谷氨酸代谢及谷氨酰-tRNA还原酶基因(hem A)过表达对5-氨基乙酰丙酸(5-Aminolevulinic Acid,ALA)和血红素合成的影响。【方法】通过Red同源重组敲除与谷氨酸代谢有关的mscS与aroG,构建hemA表达载体并导入基因缺失菌株中。【结果】mscS单敲除或mscS与aroG双敲除对菌体生长无显著影响。与出发菌株相比,单敲除与双敲除菌株的谷氨酸含量均有所增加,ALA含量略微下降,血红素含量分别增加了11.6%和35.7%。在双敲除菌株中进一步过表达hemA后,胞内血红素含量增至47.603μmol/L。【结论】通过调控谷氨酸代谢流量与过表达hemA可促进血红素的合成,该结果为增强C5途径的血红素合成提供了新的思路。     

浓香型白酒两个产区窖泥微生物群落结构分析

【目的】探索浓香型白酒两个典型产区窖泥微生物群落结构和多样性,分析窖泥微生物群落地域特征及对白酒风格形成的影响。【方法】分别提取四川和安徽两个产区窖泥样品总DNA,应用PCR-ARDRA和16S rRNA基因克隆测序技术对两个产区窖泥细菌和古菌进行研究。【结果】两个浓香型白酒产区窖泥细菌丰富,包括:厚壁菌门(Firmicute)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、互养菌门(Synergistetes)、Armatimonadetes类群和未分类细菌(Unclassified bacteria)。两个产区窖泥绝对优势种群均为厚壁菌门中梭菌纲(Clostridia)细菌,在四川产区窖泥中检出较多的互营单胞菌属(Synthrophomonas)和紫单胞菌属(Petrimonas)。古菌的群落组成较为简单,主要是甲烷囊菌属(Methanoculleus)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷鬃菌属(Methanosaeta)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)4个产甲烷古菌类群,四川产区窖泥优势古菌为甲烷囊菌和甲烷八叠球菌,安徽产区则为甲烷八叠球菌属和甲烷鬃菌。【结论】四川和安徽两个产区窖泥微生物的16S rRNA基因克隆文库系统地反映了两者微生物群落的相似性和差异性,对揭示浓香型白酒两个产区的酒体风格差异形成有一定的参考价值。     

A general method for determining the contribution of split pathways in metabolite production in the yeast Saccharomyces cerevisiae

We describe a simple method using (13)C labeling and NMR spectroscopy to determine the flux contributions of alternative pathways in Saccharomyces cerevisiae that produce the same metabolite with identical labeling patterns. Cells were incubated with a (13)C-labeled precursor for one of the branches, and the absolute enrichment of the product and its metabolic precursor(s) was quantified. The ratio of the absolute enrichment of the product to that of its precursor reflects the contribution of the pathway. The method was applied to the biosynthesis of glycine in yeast, which can occur from threonine via threonine aldolase or from serine via serine hydroxymethyltransferase. [2-(13)C]Aspartate and [2-(13)C]serine were used as labeled precursors for the threonine aldolase and serine hydroxymethyltransferase pathways, respectively. The data show that in cells possessing both pathways, the serine hydroxymethyltransferase pathway contributes 65-75% of the total glycine production. In comparison with other approaches, this method provides an inexpensive, flexible alternative to determining the flux contributions of split pathways under controlled conditions and should have wide applicability in the metabolic engineering of microorganisms.