尋“微”六年 他們找到了比茅臺(tái)酒庫更貴重的……

一個(gè)長達(dá)六年的校企產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目，終于告一段落。

3月20日是個(gè)無可替代的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。這個(gè)很可能重塑了白酒產(chǎn)業(yè)底層科技的重大項(xiàng)目，正式接受檢驗(yàn)，成敗終有定論。

見|尋“微”之旅路轉(zhuǎn)溪橋忽見

于釀酒行業(yè)而言，得微生物者得天下。

此刻，茅臺(tái)站到了全球釀酒微生物研究的最前排。

在醬香型酒的釀造過程中，肩負(fù)著發(fā)酵產(chǎn)醇、產(chǎn)酯生香功能的微生物——酵母菌，一直是行業(yè)研究熱點(diǎn)。

回到2016年10月，貴州茅臺(tái)酒股份有限公司與中國科學(xué)院微生物研究所合作，開展《茅臺(tái)酒釀造過程酵母菌全程解析與資源挖掘》項(xiàng)目。

項(xiàng)目由茅臺(tái)集團(tuán)副總經(jīng)理、總工程師、首席質(zhì)量官王莉與中國科學(xué)院微生物研究所研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師白逢彥領(lǐng)銜，13位團(tuán)隊(duì)成員參與實(shí)施。

王莉，先后主導(dǎo)構(gòu)建完善了釀造過程與產(chǎn)品相關(guān)的檢測(cè)體系，組織對(duì)釀造微生物與工藝、風(fēng)味與品質(zhì)研究、新產(chǎn)品開發(fā)三個(gè)領(lǐng)域展開白酒釀造全面研究，以風(fēng)味化學(xué)思路引導(dǎo)醬香型白酒科研工作，將醬香型白酒酒體研究從單純的微量成分分析全面推進(jìn)到風(fēng)味研究時(shí)代。

白逢彥，建成了國內(nèi)最大的酵母菌資源庫和遺傳多樣性全球最高的釀酒酵母資源庫；重建了酵母菌重要類群的分類系統(tǒng)，為酵母菌的生物多樣性研究和分類鑒定制定了新的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；確立了釀酒酵母的中國/東亞起源說和拉格啤酒酵母的青藏高原起源說。

六年后，2022年2月，項(xiàng)目結(jié)題。

這場(chǎng)針對(duì)酵母菌的耗時(shí)日久的研究，一次又一次讓業(yè)界驚訝：六年間共申請(qǐng)國家發(fā)明專利5項(xiàng)（已授權(quán)4項(xiàng)）；在國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表論文8篇，SCI收錄5篇，其中1篇被釀酒領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Journal of the Institute of Brewing（《釀造研究院學(xué)報(bào)》）評(píng)為2019-2020年高被引論文。

3月20日，中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織專家組對(duì)《茅臺(tái)酒釀造過程酵母菌全程解析與資源挖掘》成果進(jìn)行鑒定。

由中國工程院院士吳豐昌、陳堅(jiān)和中國酒業(yè)協(xié)會(huì)理事長宋書玉帶隊(duì)的鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：項(xiàng)目成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平，建議進(jìn)一步擴(kuò)大推廣與應(yīng)用。

話音剛落，一片掌聲激蕩，有人眼角濕潤。

實(shí)際上，茅臺(tái)對(duì)酵母菌的研究，早在上世紀(jì)六十年代便拉開序幕。

1964年，國家輕工業(yè)部組織工作組入駐茅臺(tái)，開展兩期“茅臺(tái)酒試點(diǎn)”工作，其中就有關(guān)于酵母菌的篩選與“中草藥對(duì)酒精酵母的影響”研究。

微生物，種類繁多、數(shù)目龐大，混居于生態(tài)系統(tǒng)中。2到3個(gè)成年人的腸道微生物，把它們挨個(gè)兒拼接起來，可以搭一座從地球到月球的橋。

更別說茅臺(tái)酒廠，廣泛存在于制曲、堆積、窖池、晾堂等釀造環(huán)境中、甚至是空氣里都擁擠著的微生物。

陳良強(qiáng)，茅臺(tái)科學(xué)與技術(shù)研究院釀造微生物中心主任，也是《茅臺(tái)酒釀造過程酵母菌全程解析與資源挖掘》項(xiàng)目組成員之一。他對(duì)此前的研究困境有個(gè)形象的比喻，“巧婦難為無米之炊”。

以傳統(tǒng)的鑒定技術(shù)，酵母菌的研究要?dú)v經(jīng)重重難關(guān)：分離、純化、培養(yǎng)、鑒定——先從“混居”群體中分離出單個(gè)微生物，對(duì)它們進(jìn)行培養(yǎng)，獲得純度高、數(shù)量多的樣品后，再進(jìn)行形態(tài)鑒定，或者是利用已知的特征分子身份，對(duì)它們進(jìn)行識(shí)別。

然而，傳統(tǒng)鑒定手段從茅臺(tái)發(fā)酵物中分離出來的微生物，實(shí)際上不足2%；大部分微生物生活在較為嚴(yán)苛的環(huán)境中，人工模擬條件無法對(duì)它們進(jìn)行“養(yǎng)活”。

養(yǎng)|它們竟然愛喝“配方奶”

能“養(yǎng)活”進(jìn)而被鑒定的微生物，少之又少——這就是陳良強(qiáng)說的“無米”。

高通量測(cè)序技術(shù)，成為酵母菌研究的“拐點(diǎn)”。

科研團(tuán)隊(duì)直接從原生環(huán)境中獲取含有總體微生物的混合樣品，運(yùn)用高通量測(cè)序的方式，即可獲得所有微生物的基因數(shù)據(jù)；使用生物信息，對(duì)應(yīng)到不同的微生物上，樣品中有哪些微生物，一目了然。

茅臺(tái)酒釀造過程中異常豐富的菌群江湖，像一幅久藏深閨的名畫，忽然現(xiàn)身于世人眼前，美輪美奐。

與中科院微生物研究所攜手走過的六年里，茅臺(tái)對(duì)原生生境獲取的菌株進(jìn)行高通量測(cè)序，挖掘到95%和白酒釀造相關(guān)的酵母，共獲得酵母菌3168株。經(jīng)分子生物學(xué)鑒定，這些菌株歸屬于20個(gè)屬41個(gè)種，遠(yuǎn)超于已有白酒文獻(xiàn)所報(bào)道的25種，實(shí)現(xiàn)了酵母菌資源分離數(shù)量多的突破。

科研人員據(jù)此建立起發(fā)酵體系菌譜鑒定的方法，并構(gòu)建了發(fā)酵菌群的菌譜。

接下來的挑戰(zhàn)更加動(dòng)人心魄，要將這些簇?fù)碓谝黄鸬男〖一铮蛛x、純化、培養(yǎng)、保存，看清那一張張靈氣十足的面孔，如同將《清明上河圖》的煙火人間，分離成許許多多高清人物肖像。

這是從大寫意到大寫實(shí)的超級(jí)轉(zhuǎn)換。

畢赤酵母，是第一株從混合菌群里分離得到的酵母。分離之后的培養(yǎng)，花費(fèi)了科研團(tuán)隊(duì)很大一番心血。

常規(guī)的人工合成培養(yǎng)基，在多次的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)后，均以失敗告終。

某一天，一瞬間的閃動(dòng)、觸發(fā)，靈感來了，畢赤酵母菌來自于酒醅，要讓它存活，或許也需要來點(diǎn)“酒”。他們通過設(shè)置、模擬、研究實(shí)際生產(chǎn)條件，優(yōu)化培養(yǎng)基，盡量地模擬畢赤酵母的“鄉(xiāng)愁”。

“這是一個(gè)不斷試錯(cuò)的過程?！标惲紡?qiáng)說，進(jìn)行溫度梯度設(shè)置，加入浸提液的濃度、方式，使用不同輪次的酒糟混合等等，總歸就是要盡可能地接近真實(shí)。

酵母菌活體菌株終于出現(xiàn)在顯微鏡下的視野里。

得到的活體菌株，需要保存。“就像種子一樣，讓它們處于休眠狀態(tài)，放一年、三年，甚至更久，拿出來活化后，還能繼續(xù)生長?！标惲紡?qiáng)說。

此前，菌種冷凍保藏常出現(xiàn)菌株活化率低，甚至無法活化等問題。

這些“野”慣了的小家伙，在人的世界里，其實(shí)脆弱無比。

呵護(hù)“種子”命運(yùn)的是保護(hù)劑。此次合作，其中一項(xiàng)內(nèi)容便是基于微生物組學(xué)與培養(yǎng)組學(xué)聯(lián)用，構(gòu)建醬香型白酒釀造過程中特殊生境可培養(yǎng)微生物篩選與保藏技術(shù)體系。

神奇的是，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些小家伙也喜歡“喝奶”。

在查閱文獻(xiàn)后，團(tuán)隊(duì)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，決定試用脫脂乳粉與海藻糖作為冷凍保藏過程的保護(hù)劑，探究在20%甘油冷凍保藏的基礎(chǔ)上保護(hù)劑添加對(duì)酵母菌存活率的影響。

但脫脂乳粉、海藻糖究竟應(yīng)該以什么樣的比例與 20%的甘油混合，這又是一輪枯燥漫長的試錯(cuò)，從成百上千的實(shí)驗(yàn)中，去找到那唯一的答案。

結(jié)論是：在20%的甘油中，復(fù)合添加5%的脫脂乳粉與5%的海藻糖，能夠更好的保證酵母菌在冷凍保藏過程中的存活率。

這是獨(dú)屬于它們的“配方奶”。

酵母菌“吃”上了新型保護(hù)劑，庫氏畢赤酵母存活率達(dá)79%，盔形畢赤酵母存活率82%，釀酒酵母存活率88%，酒香酵母存活率78%……本次研究所獲取的3168株酵母，在這一保護(hù)劑中存活率達(dá)70%以上，刷新了酵母菌的保藏存活率。

這一實(shí)驗(yàn)成果——《一種酒醅中酵母菌分離培養(yǎng)基及其制備方法》獲得國家專利。

這一突破，為研究茅臺(tái)酒釀造過程中酵母菌的功能特性，積累了充分的“原材料”，也為其他香型白酒釀造微生物資源的挖掘提供了借鑒。

奇| 這個(gè)酵母家族有“不老”之術(shù)

此次研究，科研人員充分探索了茅臺(tái)酒釀造過程中酵母菌的功能，“就是要弄清楚這些酵母菌在釀造茅臺(tái)酒時(shí)，宏觀表象背后的機(jī)理。”陳良強(qiáng)說。

茅臺(tái)酒釀制，料堆在晾堂堆積發(fā)酵時(shí)，制酒工人會(huì)將料堆表面是否出現(xiàn)“白層”作為入窖依據(jù)。

“他們把‘白層’形象稱作‘螞蟻蛋’，前期輪次酒釀造時(shí)，‘螞蟻蛋’生長速度快于后期輪次酒”，科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是發(fā)酵過程中值得研究的重要時(shí)刻。

取樣研究后發(fā)現(xiàn)，“螞蟻蛋”實(shí)際上是海量的畢赤酵母堆積?！爱叧嘟湍赶矚g氧氣。在茅臺(tái)酒前期輪次的時(shí)候，高粱蒸得還沒那么糊，空隙比較大，料堆含氧量大，因而畢赤酵母生長速度快?！?/p>

除二輪次酒外，一、三、四、五輪次酒醅樣品中，均以畢赤屬酵母數(shù)量最多。

此外，科研團(tuán)隊(duì)將畢赤酵母放在不同的溫度、酸度下進(jìn)行培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，總會(huì)散發(fā)出濃郁的糧食的香氣，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)是乙酯類物質(zhì)。

將研究結(jié)果與生產(chǎn)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)起來，畢赤酵母的“本領(lǐng)”也一清二楚：畢赤酵母產(chǎn)生的乙酯類物質(zhì)，是茅臺(tái)輪次酒糧香的來源。

茅臺(tái)科研者通過原位仿生培養(yǎng)技術(shù)，模擬茅臺(tái)酒釀造環(huán)境，設(shè)置不同釀造條件，選取相對(duì)豐度占比前10的畢赤酵母、釀酒酵母、假絲酵母等共計(jì)202株，進(jìn)行代謝產(chǎn)風(fēng)味特性解析，發(fā)現(xiàn)酵母類微生物不僅決定了茅臺(tái)酒的產(chǎn)量，也在茅臺(tái)酒風(fēng)味形成過程中起到重要作用。

茅臺(tái)釀酒酵母的功能解析之外，科研人員還進(jìn)行了一項(xiàng)頗有意思的研究，從“時(shí)、空”兩個(gè)維度，解析茅臺(tái)釀酒酵母獨(dú)特之處，從而解開茅臺(tái)酒不可復(fù)制的秘密。

空間維度——科研團(tuán)隊(duì)將來自茅臺(tái)釀造過程、野生環(huán)境、茅臺(tái)鎮(zhèn)其他酒廠及清香型、濃香型、青稞酒等其他香型的釀酒酵母進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)在構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹中，茅臺(tái)酒釀酒酵母形成獨(dú)立分支，與其它來源的釀酒酵母存在明顯差異，證明茅臺(tái)酒廠酒醅中釀酒酵母具有獨(dú)特性。

時(shí)間維度——茅臺(tái)科研者將1963年茅臺(tái)“兩期試點(diǎn)”期間保存的酵母菌株和今天的酵母菌株分別進(jìn)行了全基因組水平測(cè)序，并對(duì)它們的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了對(duì)比。六十年過去，茅臺(tái)酒釀酒酵母在基因組層面相似度仍達(dá)99.81%，今天的這個(gè)“它”依舊保持著“青春”的模樣。

不僅如此，代謝產(chǎn)物的分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，如今的酵母在風(fēng)味物質(zhì)代謝方面更為豐富。

這說明，茅臺(tái)酒釀造過程微生物種類、數(shù)量與活力，一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而保障了茅臺(tái)酒發(fā)酵的不偏不差。

至此，科研團(tuán)隊(duì)在發(fā)酵微生物“菌落江湖”的基礎(chǔ)上，摸清了貢獻(xiàn)者們的脾氣秉性，證明了茅臺(tái)酒長期釀造活動(dòng)對(duì)釀酒酵母類群能夠產(chǎn)生差異性馴化，佐證了茅臺(tái)酒核心產(chǎn)區(qū)無法復(fù)制的科學(xué)性。

嘆|它們是自帶“春風(fēng)”的珍寶

1906年，日本化學(xué)家本滿丸在鯊魚的肝臟里發(fā)現(xiàn)一種有機(jī)化合物——角鯊烯，學(xué)名三十碳六烯。

它具有類似紅細(xì)胞的攜氧功能，相當(dāng)于一個(gè)“增氧機(jī)”，具有增強(qiáng)機(jī)體免疫能力、抗衰老、抗疲勞、抗腫瘤等多種生物功能，被廣泛應(yīng)用在食品、化妝品、保健品等領(lǐng)域。

有前期研究表明，茅臺(tái)酒釀造過程中，可能存在具有合成角鯊烯能力的微生物。

此次研究，科研人員通過對(duì)釀造核心功能微生物的合成代謝途徑及關(guān)鍵基因解析，挖掘了粟酒裂殖酵母具有產(chǎn)角鯊烯的代謝潛能，酒醅中的乙酸是可能促進(jìn)茅臺(tái)酒中角鯊烯合成的重要條件，實(shí)現(xiàn)了基于生物信息學(xué)的微生物功能預(yù)測(cè)。

此次研究還發(fā)現(xiàn)，釀酒酵母、異常威克漢姆酵母、粟酒裂殖酵母產(chǎn)醇類物質(zhì)含量高于其他種類酵母菌，庫氏畢赤酵母、異常威克漢姆酵母、拜耳接合酵母產(chǎn)酯類物質(zhì)含量高于其他種類酵母，而庫氏畢赤酵母、盔形畢赤酵母、異常威克漢姆酵母產(chǎn)酸類物質(zhì)含量高于其他種類酵母。

研究發(fā)現(xiàn)，只要葡萄糖存在，庫氏畢赤酵母除了可以產(chǎn)生大量的醇外，同時(shí)也為茅臺(tái)酒獨(dú)有的風(fēng)味貢獻(xiàn)了更多的酯類物質(zhì)……

研究是為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。隨著茅臺(tái)酒釀造微生物的面容逐漸清晰，茅臺(tái)的科研者們掌握其功能特性、代謝機(jī)制等，通過不斷的工藝調(diào)控試驗(yàn)摸索他們的脾氣，引導(dǎo)其以更精準(zhǔn)、更高效的方式服務(wù)茅臺(tái)酒的釀造。

為了盡可能滿足微生物菌群的生長條件，摸索試驗(yàn)在發(fā)酵池就地開展，驗(yàn)證了粟酒裂殖酵母、畢赤酵母等4株功能酵母菌，在高酸、高溫等條件下的正常產(chǎn)醇機(jī)理，通過定向干預(yù)、翻堆等調(diào)控措施，優(yōu)化并提升了堆積過程產(chǎn)酒酵母菌群結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基酒的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)。近五年來，茅臺(tái)酒第三輪次酒，平均班產(chǎn)提升4噸多，醬香占比提高超過4個(gè)百分點(diǎn)。

“酵母菌是一個(gè)寶庫，我們正在挖掘其在茅臺(tái)酒之外的延伸應(yīng)用?！标惲紡?qiáng)說。

茅臺(tái)酒糟堆肥便是茅臺(tái)釀酒酵母菌大顯身手的場(chǎng)景之一。

酒糟，釀酒行業(yè)的主要副產(chǎn)物，大量的釀酒原料在發(fā)酵過程中未被完全利用，含蛋白質(zhì)、脂肪和氨基酸等成分，具有很高的利用價(jià)值。

距離茅臺(tái)集團(tuán)60公里外，遵義市播州區(qū)鴨溪鎮(zhèn)，茅臺(tái)集團(tuán)出資建設(shè)了茅臺(tái)生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)示范園。茅臺(tái)的酒糟在這里被加工成有機(jī)肥。

其他原料制作有機(jī)堆肥時(shí)，需要額外添加菌種，使有機(jī)物降解，同時(shí)達(dá)到升溫、除臭、消除病蟲害、提高養(yǎng)分的目的。

茅臺(tái)酒糟堆肥，無需預(yù)處理、無需添加功能菌劑。茅臺(tái)科研人員將本次研究中發(fā)現(xiàn)的耐高溫酵母，與其他功能性微生物進(jìn)行復(fù)配應(yīng)用，促進(jìn)了丟糟有機(jī)肥堆肥升溫腐熟，縮短堆肥發(fā)酵周期，降低氮素?fù)p失率，提高纖維素降解率，有效地提高了堆肥發(fā)酵速率及有機(jī)肥品質(zhì)。

“使用純茅臺(tái)酒糟生物發(fā)酵制成的有機(jī)肥，營養(yǎng)成分全面，重金屬、農(nóng)殘指標(biāo)低，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)75%以上，遠(yuǎn)超40%的國家標(biāo)準(zhǔn)，回到土壤里能夠被植物充分吸收，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，避免板結(jié)、硬化?！辟F州茅臺(tái)酒廠（集團(tuán)）循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)投資開發(fā)有限公司黨委書記、董事長周小農(nóng)介紹。

目前，茅臺(tái)已建成年處理12萬噸酒糟的有機(jī)肥生產(chǎn)線，每年可節(jié)約酒糟處理成本2400萬元，年均凈利潤770多萬元。茅臺(tái)的酒糟堆肥，除了保障茅臺(tái)高粱用肥之外，還為遵義市的茶葉、辣椒基地提供肥料保障。

此外，科研人員對(duì)此次研究發(fā)現(xiàn)的酵母菌株進(jìn)行復(fù)配，應(yīng)用到葡萄酒、藍(lán)莓酒釀造體系中，提升葡萄酒、藍(lán)莓酒中醇、酸、酯、醛類物質(zhì)種類與含量，促進(jìn)發(fā)酵酒體花香、水果香的風(fēng)味體現(xiàn)。

這場(chǎng)持續(xù)六年的研究，推動(dòng)了白酒釀造領(lǐng)域微生物資源的挖掘、特征性物質(zhì)代謝機(jī)理解析、靶向調(diào)控及微生物資源產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研究進(jìn)度，對(duì)深入解析白酒釀造機(jī)制，實(shí)現(xiàn)可控發(fā)酵起到了典型示范作用。

隨著研究的不斷深入和推廣應(yīng)用，《茅臺(tái)酒釀造過程酵母菌全程解析與資源挖掘》的成果將在白酒行業(yè)，乃至于整個(gè)傳統(tǒng)釀造領(lǐng)域的生產(chǎn)、質(zhì)量等方面發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)傳統(tǒng)釀造產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

《茅臺(tái)酒釀造過程酵母菌全程解析與資源挖掘》項(xiàng)目結(jié)束，但茅臺(tái)對(duì)微生物的研究不會(huì)止步于此。

陳良強(qiáng)說，“醬香型白酒釀造過程極其復(fù)雜，涉及微生物眾多，有一些豐度較低但可能起著重要作用的酵母菌或者其他類群的微生物在高通量測(cè)序技術(shù)中‘漏網(wǎng)’，后續(xù)需要借助更多先進(jìn)技術(shù)對(duì)此類微生物進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究?！?/p>