《食品科学》：茅台学院杨亮副教授等：多组学解析酱香型大曲空间异质性

酱香型大曲以小麦、水和母曲为原料，压制成龟背型后用稻草包裹再经发酵、贮存而成。酱香型大曲在生产过程中能够形成独特的微生物群落结构，这是酱香型白酒酿造中发酵动力和风味物质的重要来源。通过微生物代谢进一步形成酱香型大曲特有的代谢物谱系。

近年来，针对酱香型大曲的研究聚焦于不同感官特征酱香型大曲、发酵过程中大曲微生物、代谢物演替等。值得关注的是，发酵过程中同一曲块不同区域的温度、湿度及氧气分布的差异，形成了显著的曲块空间异质性。

茅台学院酿酒工程学院的唐佳代、杨亮*和贵州黔庄酒业集团有限公司的王龙等研究结合高通量测序、超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）非靶向代谢组学技术，探究酱香型大曲曲块空间的微生物群落、代谢物异质性。综合大曲理化指标，进一步分析优势微生物与理化指标及差异代谢物间的相关性，以识别出酱香型大曲关键的代谢物质产生菌，揭示微生物群落间复杂的相互作用模式。旨在为探明微生物及其代谢物在酱香型大曲曲块内部分布情况提供数据支撑，优化曲坯功能分区，为大曲的科学配伍使用奠定理论基础。

1 酱香型大曲理化指标空间异质性

理化指标是评价酱香型大曲品质及酿造性能的核心参数，对白酒风味形成与工艺调控具有重要指导意义。由表1可知，酱香型大曲曲皮和曲心的理化指标均具有显著差异，曲皮水分质量分数显著低于曲心，其余指标均显著高于曲心。温度、溶氧等因素驱动大曲中的水分与代谢活性差异。曲皮受曲仓中高温及通风影响，水分蒸发速率显著高于曲心，导致曲皮水分含量显著低于曲心。水分含量直接影响微生物代谢活性及酶促反应速率，水分含量过高易导致杂菌增殖，过低则会抑制曲坯发酵效能。曲皮中较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，生成还原糖，并伴随产酸菌代谢提升酸度。曲心氧含量较低促使其代谢以糖酵解为主，导致还原糖消耗增加，酸度及发酵力较低。

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、液化力均显著高于曲心，与徐千惠等报道一致。发酵力则体现微生物将还原糖转化为乙醇的综合效能，与糖化力协同决定出酒率及代谢产物丰度。大曲酯化力是指大曲微生物所代谢的酯化酶催化酸醇合成乙酯类物质的能力，曲皮的酯化力显著高于曲心，与程伟等的研究结果不同，可能与其生产工艺不同有关。曲皮的良好化特征为后续糖化发酵提供物质基础，影响乙醇的生成及美拉德反应进程。

2 酱香型大曲微生物的空间异质性

采用试剂盒提取酱香型大曲基因组DNA，对ITS、16S rRNA进行测序，经双端拼接获得优质序列，再经去除嵌合体后，真菌共获得451 704 条有效序列，细菌共获得365 303 条有效序列。OTU聚类结果显示，样品中共存在1 403 个真菌OTU、2 637 个细菌OTU。

Chao1指数和ACE指数表征物种丰富度，Shannon指数和Simpson指数反映物种多样性。由表2可知，曲皮和曲心的覆盖率均为1.000 0，表示测序结果能够真实反映样品物种丰度及物种多样性。曲皮中真菌的Chao1指数、ACE指数、Shannon指数和Simpson指数均高于曲心，而细菌的多样性指数低于曲心，表明曲皮中真菌多样性均高于曲心，细菌多样性低于曲心。

PCA得分图能够将酱香型大曲微生物群落结构空间异质性可视化。由图1可知，曲皮和曲心中细菌、真菌的PC1和PC2共能解释99.21%、98.80%的物种差异。曲皮和曲心在PC1上距离较大，说明酱香型大曲曲皮、曲心的微生物群落结构具有显著差异。

曲皮与曲心在优势微生物组成上呈现显著空间异质性。由图2A可知，在细菌属水平方面，曲皮的优势细菌属（相对丰度超过1%）包括枝芽孢杆菌属（Virgibacillus，25.12%）、大肠志贺菌属（Escherichia-Shigella，19.90%）、葡萄球菌属（Staphylococcus，15.37%）和海洋芽孢杆菌属（Oceanobacillus，11.18%）等7 个优势细菌属。曲心则以克氏杆菌属（Kroppenstedtia，53.76%）、Escherichia-Shigella（14.38%）、Virgibacillus（5.18%）为优势菌属。由图2B可知，在真菌属水平群落方面，曲皮的优势菌属包括嗜热子囊菌属（Thermoascus，64.89%）、嗜热丝孢菌属（Thermomyces，7.28%）、枝孢霉属（Cladosporium，3.95%）等7 个优势真菌属。曲心的优势真菌属为Thermoascus（89.07%）和毛霉菌属（Rhizomucor，1.61%）。

空间分布特征表明，温度、溶氧等因素驱动差异菌群分化。曲皮中富集耐高温、专性好氧/兼性厌氧菌属，如Virgibacillus、Staphylococcus、糖多孢菌属（Saccharopolyspora）、Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium与镰刀菌属（Fusarium）等。曲心则形成耐高温、厌氧/兼性好氧菌主导的群落结构，如Kroppenstedtia、Rhizomucor、Thermoascus等。在共有的优势细菌属中，Virgibacillus和Kroppenstedtia等优势细菌属的相对丰度具有显著差异。在共有的优势真菌属中，Thermoascus的相对丰度具有显著差异，不同香型高温大曲的曲皮和曲心中皆以Virgibacillus、Kroppenstedtia和Thermoascus等为主要优势菌属。其中，Virgibacillus为专性好氧菌，故在曲皮中相对丰度显著高于曲心。Kroppenstedtia为兼性好氧菌，在曲心中其相对丰度显著上升。温度可能是导致曲皮、曲心中Thermoascus相对丰度具有差异的主要因素。

本研究采用LEfSe分析方法对酱香型大曲曲皮与曲心的微生物类群进行差异检验，通过LDA得分反映组间显著差异物种及其生物学效应量。设定lg LDA得分＞4.0为显著性阈值，结果显示细菌与真菌群落均呈现显著空间分异特征（图3）。

在细菌群落层面，曲皮中显著富集的细菌属类群包括Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus和Saccharopolyspora，曲心中高丰度细菌属为Kroppenstedtia（图3A）。驱动细菌群落空间异质性的关键类群包括Kroppenstedtia、Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora以及若干低丰度菌属。在真菌群落层面，曲皮中显著富集的真菌属类群为Thermomyces、Cladosporium、Fusarium和假皮司霉菌属（Pseudopithomyces），而曲心中相对高丰度真菌属为Thermoascus（图3B）。驱动真菌群落空间异质性的关键类群是Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces和若干丰度较低的菌属。

微生物的空间分异可能通过代谢互补机制影响大曲品质。酱香型大曲长时间的高温发酵有利于Thermomyces和Thermoascus等嗜热菌属存活，其作为优势菌属可增加耐热酶的活性，加强美拉德反应。

3 酱香型大曲代谢物空间异质性

3.1 代谢物PCA

图4展示了酱香型大曲曲块不同空间代谢异质性。正离子模式下前2 个主成分（PC1和PC2）累计方差贡献率达78.80%，负离子模式下累计方差贡献率达78.19%。曲皮和曲心样品在PC1上的距离较大，表明曲皮、曲心二者代谢物组成存在本质性差异。

3.2 OPLS-DA

OPLS-DA是利用预测变量和响应之间协方差的潜在变量回归方法，从而有效检测到相关性较小的变量，得到样本组间的特征变量即VIP值。评估模型预测能力的指标

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3.3 差异代谢物的筛选

火山图展示了酱香型大曲曲皮与曲心中代谢物含量差异的整体态势及其统计学显著性水平。图6中各点分别代表一种代谢物，散点大小与OPLS-DA模型的VIP值呈正比，散点越大，VIP值越高，所筛选的差异表达代谢物的可信度越强。以VIP＞1和P＜0.05为筛选条件，筛选出差异代谢物共计1 022 种，其中上调差异代谢物共524 种，下调差异代谢物共636 种。正离子模式下，筛选出差异代谢物649 种，其中上调的有386 种，下调的有263 种；负离子模式下，筛选出差异代谢物373 种，其中上调的有183 种，下调的有190 种。正离子模式下，筛选出的差异代谢物包括脂质和类脂分子130 种，有机杂环化合物72 种，有机酸及其衍生物64 种，苯环型化合物34 种，有机含氧化合物30 种，苯丙素类和聚酮类19 种，核苷、核苷酸和类似物11 种，含氮有机物11 种，生物碱和衍生物4 种，烃类4 种，木脂素、新木脂素及相关化合物1 种，其他化合物269 种；负离子模式下，筛选出的差异代谢物包括脂质和类脂分子70 种，有机酸及其衍生物54 种，有机杂环化合物23 种，苯环型化合物19 种，有机含氧化合物16 种，核苷、核苷酸和类似物8 种，苯丙素类和聚酮类7 种，含氮有机物6 种，生物碱和衍生物2 种，有机硫化合物2 种，同质非金属化合物1 种，其他化合物165 种。

酱香型白酒中的风味物质种类丰富多样，对其主体香成分的认定至今尚未形成定论。吡嗪类化合物具有类似坚果香气和烘焙香等，对酱香型白酒风味的形成起到关键作用。本研究重点分析了酱香型大曲吡嗪类物质的空间异质性，在曲皮和曲心样品中共检测出3,5-二甲基-2-乙烯基吡嗪、2-异丙基-3,5-二甲氧基-6-甲基吡嗪、3-异丙基-2-甲氧基-5-甲基吡嗪、2-异丙基-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 种吡嗪类化合物（图7）。结果表明，曲皮中的吡嗪类化合物相对含量较高。这种差异可归因于高温驱动的美拉德反应，该反应产生的物质对酱香型大曲的风味物质组成有显著影响。

4 理化指标、微生物及代谢物相关性分析

通过Mantel测试分析理化指标与微生物间的相关性，结果如图8所示。细菌与水分含量呈极显著正相关（P＜0.01），与淀粉含量、还原糖含量和酯化力呈显著负相关（P＜0.05）。真菌与水分含量、淀粉含量和还原糖含量呈显著负相关（P＜0.05）。

使用RDA进一步探究优势微生物与理化指标之间的关联性。由图9A可知，淀粉含量、酸度、还原糖含量、酯化力与拟杆菌属（Bacteroides）、Virgibacillus、Staphylococcus、Saccharopolyspora及Oceanobacillus呈正相关。淀粉含量、酸度、还原糖含量与酯化力之间呈正相关，且均与水分呈负相关。Saccharopolyspora具有分解能力，可以将淀粉、纤维素等多糖类物质分解为可利用的糖类。Staphylococcus在白酒生产中起何作用鲜见报道，但Staphylococcus中的腐生葡萄球菌属可通过产生酸性蛋白酶降低环境酸度。真菌与理化指标的相关性如图9B所示。淀粉含量、酸度、还原糖含量、酯化力与Fusarium、帚枝霉属（Sarocladium）、Cladosporium、链格孢属（Alternaria）及一些未分类的真菌属呈正相关；Thermoascus、Rhizomucor与水分含量呈正相关。结果表明，影响淀粉含量、酸度、还原糖含量、酯化力的真菌属主要是Sarocladium，影响水分的真菌属主要是Thermoascus。

如图10所示，Staphylococcus、Virgibacillus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces、Sarocladium和Alternaria与吡嗪类化合物表达趋势呈正相关。Kroppenstedtia、Thermoascus和Rhizomucor与吡嗪类化合物的表达趋势呈负相关。研究发现，大曲发酵过程中微生物群落与吡嗪类物质相关微生物之间存在互利或竞争的相互作用模式，吡嗪类化合物的表达与处于互利共生关系的微生物呈正相关，而与处于竞争关系的微生物呈负相关。Virgibacillus是大曲中吡嗪类、芳香类等风味物质的重要产生菌，其与吡嗪的产生呈正相关。此外，Ren Qing等研究发现，吡嗪类化合物与Cladosporium等微生物之间总共建立了88 种相关性。但要阐明大曲发酵过程中菌属的具体作用机制仍需深入研究。

结论

基于高通量测序技术和UPLC-MS非靶向代谢组学技术对酱香型大曲曲块的理化性质、微生物群落及代谢物空间异质性进行分析。结果表明，除水分指标外，曲皮样品在发酵力等其余理化指标上均优于曲心。曲皮真菌多样性均高于曲心，细菌多样性低于曲心，且细菌和真菌的群落结构在属水平上存在显著差异。进一步通过LEfSe分析发现，驱动微生物群落空间异质性的关键类群包括Kroppenstedtia、Virgibacillus、Staphylococcus、Oceanobacillus、Saccharopolyspora、Thermoascus、Thermomyces、Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces和若干丰度较低的菌属。代谢物差异分析表明，曲皮中的吡嗪类化合物相对含量较高。

对酱香型大曲的理化性质、微生物群落构成及其代谢物之间的关联性进行剖析。水分、淀粉及还原糖含量对细菌和真菌群落均产生显著影响，尤其是水分含量对细菌群落的影响最为显著。Bacteroides、Virgibacillus、Staphylococcus、Saccharopolyspora、Oceanobacillus、Fusarium、Sarocladium、Cladosporium和Alternaria与大曲的淀粉含量、酸度、还原糖含量及酯化力呈正相关；而Thermoascus和Rhizomucor则与水分含量呈正相关。本研究揭示了与吡嗪表达量相关的细菌为Staphylococcus、Virgibacillus、Oceanobacillus和Saccharopolyspora；与吡嗪表达量相关的真菌为Cladosporium、Fusarium、Pseudopithomyces、Sarocladium和Alternaria。

综上所述，本研究揭示了酱香型大曲曲块在理化性质、微生物群落及代谢物方面的空间异质性，并深入探讨了“理化-微生物-代谢”三者间的关联性，为进一步优化酱香型大曲的制备工艺、提升白酒品质提供了理论依据和实践指导。

作者简介

通信作者

杨亮 副教授

茅台学院酿酒工程学院

杨亮，男，茅台学院酿酒工程学院专任教师，贵州省“千”层次人才，硕士研究生导师，国家一级品酒师。长期从事酿造微生物及白酒风味相关研究。主持国家自然科学基金（2 项）、贵州省科技厅基础研究重点项目&一般项目、贵州省教育厅科技拔尖人才、江苏省（博士）研究生科研创新计划等基金项目11 项，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 讲师\工程师

茅台学院酿酒工程学院专任教师

唐佳代，女，茅台学院酿酒工程学院专任教师，主要研究方向为酿造微生态，主持省部级科研课题1 项、市厅级科研课题2 项。以第一作者发表学术论文12 篇，其中EI收录3 篇，中文核心期刊9 篇，荣茅台学院科研先进个人。

本文《多组学解析酱香型大曲空间异质性》来源于《食品科学》2025年46卷第16期126-134页，作者：唐佳代，王龙，赵益梅，吴成，乔林，肖新瑞，郭敏，杨亮*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250221-094。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网