郫县豆瓣发酵过程的微生物多样性及溯源分析

[目的] 解析郫县豆瓣及其酿造半成品-蚕豆醅与辣椒醅微生物多样性和来源,探究郫县豆瓣酿造过程风味化合物特征。[方法] 采用高通量测序法测定蚕豆醅、辣椒醅与混合醅（蚕豆醅-辣椒醅混合物,发酵成熟形成郫县豆瓣）在酿造过程中的微生物群落结构;利用高效气相质谱与高效液相色谱高通量检测蚕豆醅及辣椒醅中基础理化指标及挥发性、非挥发性风味化合物浓度;利用多种生物信息学分析方法对混合醅酿造微生物及风味化合物进行溯源。[结果] 微生物方面：44%–59%的混合醅细菌来源于辣椒醅,5%–22%的混合醅细菌来源于蚕豆醅,其他混合醅细菌来源未知。同时,42%–77%的混合醅真菌来源于辣椒醅,2%–18%的混合醅真菌来源于蚕豆醅,其他混合醅真菌来源未知。另外,16个细菌属由辣椒醅特异性贡献;2个细菌属及2个真菌属由蚕豆醅特异性贡献。化合物方面：1-辛烯-3醇（1-octen-3-ol）、苯乙醛（phenylacetaldehyde）、异丁醛（isobutyraldehyde）、苹果酸（malic acid）与糠醛（furfural）仅由蚕豆醅贡献。辣椒素（capsaicin）、3-甲基-1-丁醇（3-methyl-1-butanol）、已醇（hexanol）与异丁醇（isobutanol）仅由辣椒醅贡献。[结论] 郫县豆瓣发酵中大部分微生物来源于辣椒醅,大部分发酵底物（氨基酸及葡萄糖）来源于蚕豆醅。两种发酵半成品均特异性贡献微生物及风味化合物,形成郫县豆瓣的独特风味密码。     

郫县豆瓣细菌多样性及群落结构动态变化北大核心

【目的】通过检测郫县豆瓣在不同发酵阶段细菌的种类、丰度及数量,探究郫县豆瓣的不同发酵产品发酵过程中细菌的动态变化情况。【方法】采用16S rRNA基因测序对郫县豆瓣4个发酵阶段中细菌种类及丰度进行分析,利用荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,qPCR)方法检测不同发酵阶段的细菌总数。【结果】郫县豆瓣在初期的发酵过程中细菌群落处于动态稳定,在不同发酵阶段细菌群落组成相对丰富,从郫县豆瓣整个初期的发酵过程来看,细菌群落多样性呈现升高的趋势,Shannon指数从1.25升高到3.50;在郫县豆瓣初期发酵过程中细菌群落的数量以及多样性与发酵环境息息相关,不同发酵阶段细菌群落的多样性也有所不同,其中在干辣椒发酵阶段中泛菌属(Pantoea)为最优势菌属,占比为20%;在蚕豆瓣发酵阶段中葡萄球菌属(Staphylococcus)的相对丰度最高,占比为38%;混合发酵后,在红油豆瓣发酵阶段的最优势菌属是乳酸杆菌属(Lactobacillus),占比达到27%,郫县豆瓣发酵阶段的最优势菌属是乳酸杆菌属(Lactobacillus),占比为62%。【结论】推断在郫县豆瓣不同发酵阶段初期相对丰度较大的菌属对郫县豆瓣的质量以及产量可能会产生重大影响。     

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。     

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)...     

浓香型白酒发酵过程微生物合成正丙醇途径解析

【目的】揭示浓香型白酒窖内发酵过程与正丙醇合成相关的微生物和代谢途径。【方法】通过对浓香型白酒窖内发酵过程酒醅中微生物的宏转录组进行分析,解析与正丙醇合成相关的微生物和代谢途径,并验证相关微生物合成正丙醇的能力。【结果】浓香型白酒窖内发酵过程中有3条可能的酒醅微生物合成正丙醇的途径。真菌主要通过2-甲基苹果酸代谢途径和苏氨酸代谢途径合成正丙醇,细菌则主要通过丙酸代谢途径合成并参与苏氨酸代谢途径。宏转录组测序分析表明,这3条途径对白酒窖内发酵过程正丙醇的合成与积累均有贡献,并且微生物通过这3条途径合成正丙醇的时期和能力存在较大差异。此外,对分离自酒醅的酵母和乳酸菌合成正丙醇能力分析发现,它们均与浓香型白酒窖内发酵过程正丙醇的合成有关。【结论】本研究揭示了浓香型白酒窖内发酵过程中正丙醇合成相关的微生物和代谢途径,为阐明白酒发酵过程中正丙醇的形成机制奠定了理论基础。     

微生物复合菌剂的制备

【背景】微生物复合菌剂比单一菌剂更能够在土壤中高效、稳定发挥作用促进作物生长,是微生物菌剂发展的趋势,但是目前对构建微生物复合菌剂的研究不够深入。【目的】研制可显著促进水稻生长的微生物复合菌剂,并构建微生物复合菌剂的数学模型。【方法】将解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens) FH-1与7株植物促生细菌按照生物量1:1的比例复配成微生物复合菌剂,利用水稻盆栽实验筛选高效复合微生物菌剂。利用生化方法对各个菌株的促生特性进行测定。分析植物特征和菌株促生特性间的相关性关系,并据此利用一般线性方程构建复合菌剂的数学模型。【结果】与空白对照CK相比,复合菌剂FN显著提升水稻的苗长20.79%、根长26.67%和鲜重74.84%(P0.05),是7种微生物复合菌剂中综合效果最佳的微生物复合菌剂。偏相关分析结果表明解无机磷能力、产铁载体能力和产ACC脱氨酶能力在促进植物生长过程中可能发挥着更重要的作用。根据菌剂促生特性与植物特征的偏相关性结果,构建了微生物复合菌剂数学模型,预测准确率可达97%以上。【结论】成功研制了高效促进水稻生长的微生物复合菌剂,并构建了微生物复合菌剂的数学模型,可为微生物复合菌剂的研制提供一定的科学指导。     

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。     

油藏样本潜在核心功能微生物群的宏基因组挖掘

【背景】识别出具有驱油功能的内源性微生物群是当前设计高效微生物采油技术的迫切需求。【目的】通过宏基因组分析找出原位油藏微生物中具有产酸/产气功能的潜在核心微生物群。【方法】利用室内模拟体系,对原位油藏微生物进行有机营养(从有氧到无氧)的激活,运用生物信息、多元统计分析以及网络分析等方法,寻找潜在内源性核心功能微生物群。【结果】有机营养激活了原位油藏样本中以Bacillus licheniformis为核心的产酸菌群(包括Coprothermobacter proteolyticus、Marinobacterspp.、Anaerobaculumhydrogeniformans和Petrotogamobilis),该菌群具有以丙酮酸/乙酰辅酶A为原料发酵乳酸、乙酸以及甲酸的功能;激活了以Enterococcus faecium为核心的产气菌群(包括Shinella zoogloeoides、Paracoccus denitrificans、Paracoccus spp.和Enterobacter cloacae),该菌群具备以(亚)硝酸盐、(亚)硫酸盐、石油烃为原料生产含氮/硫/碳等气体的能力。2个核心菌群内部分菌同时具有产酸和产气通路基因,激活过程中2个菌群的丰度变化呈负相关关系。【结论】利用有机营养激活体系及宏基因组测序分析技术,筛选出了油藏样本中具备产酸、产气能力的核心功能菌群,为后续进一步的功能菌株研究提供了潜在靶标及功能指向。     

镇江香醋醋醅抑菌活性及机理的初步分析

【目的】评价镇江香醋醋酸发酵过程中醋醅及其主要酿醋功能微生物的抑菌活性。【方法】采用琼脂扩散法评价醋醅和功能微生物的抑菌效果,并考察加热、蛋白酶解、透析等不同处理对发酵液抑菌活性的影响。【结果】醋醅水提取液及4种酿醋功能微生物(Acetobacter pasteurianus、A.pomorum、Lactobacillus helveticus、L.plantarum)的发酵上清液对4种指示菌具有明显的生长抑制效果。发酵上清液中的抑菌活性物质具有一定耐热性和蛋白酶敏感性,分子量小于8 k D。【结论】镇江香醋醋醅及其所含醋酸杆菌和乳酸杆菌对环境微生物具有生长抑制活性,且抑菌活性物质的种类具有多样性。     

中国白酒发酵过程中的核心微生物群及其与环境因子的关系

【目的】揭示白酒酿造过程复杂微生物群落中的核心微生物群(core microbiota),定量分析核心微生物群的环境调控因素。【方法】通过高通量测序揭示发酵过程中的微生物群落结构,使用气相色谱-质谱联仪(GC-MS)测定发酵过程中的挥发性化合物。采用微生物群落与挥发性化合物轮廓关联分析获得风味代谢的功能微生物群(functional microbiota);通过微生物共现性网络分析,获得群落组成中的共现微生物群(co-occurring microbiota),两类微生物群的集合即为白酒酿造的核心微生物群。利用冗余分析(redundancy analysis)和蒙特卡洛置换检验(Monte Carlo permutation test)研究每个环境因素对该核心微生物群的影响。【结果】白酒发酵过程中的核心微生物群主要包含10个属,分别是Lactobacillus、Saccharomyces、Candida、Rhizopus、Saccharomycopsis、Pichia、Dipodascus、Bacillus、Thermoascus和Lactococcus。冗余分析和蒙特卡洛置换检验表明,化学因素(还原糖和乙醇)对核心微生物群的变化比物理因素(水分、温度和酸度)具有更加重要的影响作用,此外物理-化学因素的相互作用对核心微生物群的驱动也有很大的影响。【结论】本研究揭示了白酒发酵过程中的微生物群落组成和代谢物轮廓的变化规律及其二者之间的相关关系,确立了发酵过程中的核心微生物群并量化了影响核心微生物群变化的环境因素,为实现合成微生物组生产白酒及其定向调控奠定理论基础。     

拉曼光谱分析技术在资源微生物发酵性能评价中的应用

微生物发酵过程是细胞新陈代谢进行物质转化的过程,为了提高目标产物的转化率,需要对微生物发酵动态特性进行实时分析,以便实时优化发酵过程。拉曼光谱(Raman spectroscopy)量化测试作为一种有应用前景的在线过程分析技术,可以在避免微生物污染的条件下,实现精准监测,进而用于优化控制微生物发酵过程。【目的】以运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)为例,建立微生物发酵过程中葡萄糖、木糖、乙醇和乳酸浓度拉曼光谱预测模型,并进行准确性验证。【方法】采用浸入式在线拉曼探头,收集运动发酵单胞菌发酵过程中多个组分的拉曼光谱,采用偏最小二乘法对光谱信号进行预处理和多元数据分析,结合离线色谱分析数据,对拉曼光谱进行建模分析和浓度预测。【结果】针对运动发酵单胞菌,首先实现拉曼分析仪对单一产品乙醇发酵过程的精准检测,其次基于多元变量分析,建立葡萄糖、乙醇和乳酸浓度变化的预测模型,实现对发酵过程中各成分浓度变化的准确有效分析。【结论】成功建立了一种评价资源微生物尤其是工业菌株发酵液多种组分的拉曼光谱分析方法。该方法为运动发酵单胞菌等工业菌株利用多组分底物工业化生产不同产物的实时检测,以及其他微生物尤其工业菌株的选育和过程优化提供了新方法。     

不同生境草鱼肠道微生物组成和群落特征分析

【目的】分析不同生境来源的草鱼前肠、中肠和后肠的微生物组成和群落特征。【方法】利用16S rRNA高通量测序技术比较河流、湖泊、高密度池塘养殖与水库低密度养殖4种不同生境来源的草鱼其前、中、后肠的微生物组成和群落特征。【结果】Venn图、稀释性曲线和Alpha指数分析结果显示,前肠微生物群落多样性以养殖生境草鱼更高,而后肠微生物群落多样性以自然生境草鱼更高。不同生境草鱼前肠微生物组成和群落特征差异较大,自然生境的草鱼前肠微生物优势菌群都是不动杆菌属和贪铜菌属;高密度池塘养殖生境优势菌群是鲸杆菌属、希瓦氏菌属;低密度水库养殖生境的草鱼前肠优势菌群是链球菌属、消化链球菌属等。【结论】不同生境的环境因子不同,养殖方式不同,饵料不同,导致草鱼前肠微生物组成和群落特征的差异较大,该结果可为草鱼肠道微生物的研究提供基础数据。高密度养殖生境的草鱼存在潜在的感染风险,建议优化养殖模式以减少有害菌的产生。     

基于DNA高通量测序分析生料酿醋过程中的真菌多样性

【目的】了解生料酿醋不同阶段的真菌群落结构及其变化规律,为生料酿醋工艺优化提供理论指导。【方法】从山西一家生料酿醋企业采集原料、麸曲、发酵缸醋醅、熏醋样、淋醋样等涉及生料酿醋各阶段的样品共51份,扩增真菌ITS1区序列并利用高通量测序技术分析真菌多样性。【结果】除5份样品未扩增成功外,在剩余46份样品中共检测到489个真菌OTU,以子囊菌为主(占88.3%)。原料、麸曲、发酵缸醋醅、熏醋样、淋醋样等不同组别间在真菌群落结构方面存在显著差异。原料和麸曲中的真菌物种丰富度最低,发酵缸醋醅的真菌物种丰富度最高,熏醋样和淋醋样中的真菌物种丰富度又有所降低。原料和麸曲中的优势真菌分别为酿酒酵母和黑曲霉,是发酵阶段真菌的重要来源,但发酵缸醋醅中也检测到大量可能来源于发酵室环境的真菌。发酵缸醋醅在不同发酵时期间也存在明显的真菌群落结构差异,并可据此划分成发酵前期(包括发酵第2–13天的样品)和发酵后期(包括发酵第17–46天的样品)。酿酒酵母和亮白曲霉的丰度在发酵前期显著高于发酵后期,而黑曲霉、一种小戴卫霉科真菌等的丰度在发酵后期显著高于发酵前期。【结论】生料酿醋的不同阶段和发酵缸醋醅发酵的不同时期,其真菌群落结构都存在明显差异。酿酒酵母和黑曲霉是发酵阶段的优势真菌。本研究为生料酿醋工艺优化提供了理论依据。     

传统豆瓣酱微生物群落发酵演替规律及其功能分析

【目的】解析中国传统豆瓣酱发酵过程中的微生物群落演替规律和理化代谢物质变化,探讨不同发酵阶段影响豆瓣酱风味的核心功能微生物。【方法】采用高通量测序解析豆瓣酱发酵过程中的微生物群落结构和演替,并跟踪检测发酵过程中的理化代谢物质,然后分析微生物群落和理化代谢物质变化之间的相关性,最后在体外分离核心微生物并对其功能特性进行验证。【结果】细菌和真菌群落结构在发酵前期显著变化,并在中后期逐渐趋于稳定。优势细菌主要是Staphylococcus、Bacillus和Weisiella,其中Staphylococcus在整个发酵过程中呈上升趋势,而Bacillus和Weisiella呈下降趋势。真菌群落结构较为简单且稳定,其中Aspergillus在整个发酵过程中的平均丰度占真菌总群落的97%以上,Zygosaccharomyces呈先上升后下降的趋势。相关性分析和体外功能验证表明,功能微生物(Aspergillus oryzae、Bacillus subtilis、Staphylococcus gallinarum、Weisiella confusa和Zygosaccharomyces rouxii)在不同发酵阶段发挥着不同的关键作用。【结论】在成曲和发酵前期Aspergillus oryzae、Bacillus subtilis分泌各种酶来降解大分子物质,Aspergillus oryzae、Staphylococcus gallinarum和Weisiella confusa导致了酱醅的酸化和氨基酸的生成,而耐盐的Zygosaccharomyces rouxii在发酵中后期对风味物质的形成起重要作用。     

镇江香醋核心酿造微生物醋酸杆菌和乳酸杆菌共培养对生长代谢的影响

[目的] 研究镇江香醋酿造过程核心功能微生物醋酸杆菌属与乳酸杆菌属菌株之间的相互作用关系。[方法] 本文以分离到的镇江香醋酿造中的核心微生物2株醋酸杆菌和8株孔酸杆菌为研究对象,构建醋酸杆菌和乳酸杆菌共培养发酵体系,比较异位与原位条件下,纯培养及共培养中菌株的生长和代谢（包括还原糖、乙醇和总酸等含量）差异;采用GC-MS检测原位共培养中挥发性物质的变化,分析微生物间的交互作用对镇江香醋主要风味物质形成的潜在影响。[结果] 醋酸杆菌和乳酸杆菌之间的交互作用具有种间特异性和环境特异性,A.pasteurianus G3-2和L.helveticus M3-1、L.plantarum M10-1、L.pontis M17-5及L.reuteri GE7-1在异位及原位模拟共培养中整体的生长和代谢优于纯培养;A.pomorum G15-6和L.paracasei E1-1在异位和原位共培养下还原糖利用率和总酸的产生率都低于纯培养,和L.helveticus M3-1、L.reuteri GE7-1、L.plantarum M10-1、L.fermentum M10-3、L.casei E10-1、L.pontis M17-5、L.hilgardii M3-4共培养在异位和原位模拟中代谢不一致。根据GC-MS分析显示,A.pasteurianus G3-2和L.helveticus M3-1及L.reuteri GE7-1原位模拟共培养时异戊酸、乙酸乙酯、甲酸辛酯等风味物质的含量明显优于纯培养,其中一种重要风味物质2,3-丁二酮只在共培养时被检出,其含量分别达到了9.87 mg/L及14.28 mg/L。[结论] 镇江香醋醋醅中的醋酸杆菌和乳酸杆菌之间的交互作用能够影响菌株生长和主要代谢产物生成,这一研究有助于深入剖析镇江香醋风味形成的酿造机理,为理性调控酿造菌群以改善镇江香醋风味品质奠定了理论基础。