陳紹依,郎 瑩,邱樹毅,吳伯天,胡勝蘭,周鴻翔,
(1.貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院,貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點(diǎn)實(shí)驗室,貴州 貴陽 550025;2.貴州王茅酒曲研究院有限公司,貴州 貴陽 550025)
大曲作為白酒糖化發(fā)酵的發(fā)酵劑和主要原料,是經(jīng)過粉碎、潤糧、踩曲以及自然接種發(fā)酵而成[1],在固態(tài)發(fā)酵過程中從周圍環(huán)境將功能微生物富集并導(dǎo)入最終成品中,在白酒釀造過程中起著至關(guān)重要的作用[2]。醬香大曲實(shí)則是一種高溫大曲,其獨(dú)特的微生物結(jié)構(gòu)及代謝活動,決定了醬香白酒風(fēng)味的形成[3]。
茅臺鎮(zhèn)盛產(chǎn)醬香白酒,也是優(yōu)質(zhì)醬香大曲的主要生產(chǎn)地,其大曲的微生物組成和生產(chǎn)性能在一定程度上使醬香白酒具有風(fēng)味醇厚、口感細(xì)膩、醬香突出、空杯留香等特點(diǎn)[4],而影響大曲微生物結(jié)構(gòu)的因素包括原料、環(huán)境、工藝、生產(chǎn)季節(jié)、貯藏期等[5-7]。近年來,大曲的微生物群落構(gòu)成已成為一個研究熱點(diǎn),如Hu Yunan等[8]采用核磁共振和高通量測序分析3 種清香型大曲的微生物菌群,研究顯示3 種大曲中均以乳桿菌(Lactobacillus)、魏斯氏菌(Weissella)為優(yōu)勢細(xì)菌,畢赤酵母屬(Pichia)、覆膜孢酵母屬(Saccharomycopsis)為優(yōu)勢真菌。Yao Jin等[9]研究14 種醬香大曲的微生物群落多樣性與揮發(fā)性成分的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)茅臺酒廠曲樣的含氮化合物與芽孢桿菌(Bacillus)和曲霉(Aspergillus)豐度呈正相關(guān),而其他樣品的酯類與乳桿菌和曲霉豐度相關(guān)。吳樹坤等[10]利用高通量測序技術(shù)對四川不同區(qū)域濃香大曲的微生物菌群進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)瀘州和宜賓曲樣具有相似的微生物群落結(jié)構(gòu),以高溫放線菌屬(Thermoactinomyces)、嗜熱真菌屬(Thermomyces)、魏斯氏菌屬、嗜熱子囊菌屬(Thermoascus)為優(yōu)勢菌屬,而遂寧的兩個曲樣的微生物群落結(jié)構(gòu)更相似,以芽孢桿菌屬、曲霉屬、葡萄球菌屬(Staphylococcus)為優(yōu)勢菌屬。
有研究表明,位于茅臺鎮(zhèn)不同主釀區(qū)的茅臺、釣魚臺、國臺醬香白酒特征風(fēng)味物質(zhì)存在較大差異[11],而醬香大曲決定醬香型白酒的風(fēng)格和品質(zhì),故研究茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域醬香大曲的微生物構(gòu)成與生產(chǎn)性能對醬香型白酒的發(fā)展有一定推動意義。采用第3代Nanopore測序平臺分析茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域醬香大曲的微生物構(gòu)成,并分析優(yōu)勢微生物與微生物、生產(chǎn)性能和特征風(fēng)味物質(zhì)的相關(guān)性,旨在為醬香大曲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及個性化和后期研究大曲功能性微生物提供一定理論依據(jù)。
1.1.1 樣品
TS、WS、WM、MH、DJ成品曲均為貯存3 個月以上的陳曲,分別由茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域的酒廠提供,若以茅臺鎮(zhèn)人民政府為起始點(diǎn),5 種大曲的生產(chǎn)位置與起始點(diǎn)直線距離和地理描述如表1、圖1所示。大曲樣品從企業(yè)采樣后經(jīng)粉碎混勻后裝入無菌密封袋置于4 ℃冰箱備用。
圖1 不同醬香大曲采樣分布圖Fig.1 Sampling distribution of five Daqu samples
表1 5 種大曲樣品地理描述Table 1 Geographical description of five Daqu samples
1.1.2 試劑
氫氧化鈉、鹽酸、硫酸(均為分析純)重慶川東化工有限公司;葡萄糖(分析純)天津市永大化學(xué)試劑有限公司;己酸(分析純)、標(biāo)準(zhǔn)品(2-戊醇、異戊醇、正戊醇、2-壬醇、1,2-丙二醇、糠醇、壬醇、苯乙醇、乙酸乙酯、苯甲酸乙酯、丁二酸二乙酯、乙酸苯乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、丙酸、戊酸、己酸、癸酸、苯甲醛、苯乙醛、2-壬酮、苯乙酮、愈創(chuàng)木酚、2-乙?;秽?、5-甲基-2-乙?;秽┥虾R锥骰瘜W(xué)技術(shù)有限公司;無水乙醇(分析純)天津市富宇精細(xì)化工有限公司;乙酸(分析純)、2,3-丁二醇、壬酸乙酯 上海麥克林生化科技有限公司;乙酸鈉(分析純)成都金山化學(xué)試劑有限公司;可溶性淀粉(優(yōu)級純)天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;正丁醇、辛醇、丁酸乙酯、乳酸乙酯、己酸異戊酯、癸酸乙酯、苯乙酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、乙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、乙縮醛、乙偶姻、4-乙基愈創(chuàng)木酚、三甲基吡嗪、四甲基吡嗪、叔戊醇(內(nèi)標(biāo))上海阿拉丁生化科技有限公司;2-甲基丁酸乙酯 上海賢鼎生物科技有限公司;乙醛 美國Sigma-Aldrich公司;以上標(biāo)準(zhǔn)品均為色譜純且純度不小于97.0%。
PHS-3C精密酸度計 上海大普儀器有限公司;81-2 恒溫磁力攪拌器 上海司樂儀器有限公司;7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatograph-mass spectrometry,GC-MS)聯(lián)用儀、7890A GC儀 美國安捷倫科技有限公司。
1.3.1 大曲樣品總DNA的提取和質(zhì)檢
使用OMEGA DNA提取試劑盒直接提取大曲樣品總DNA,然后采用瓊脂糖電泳檢測DNA片段大小分布,使用NanoDrop儀器進(jìn)行質(zhì)量檢驗,當(dāng)所提DNA的熒光強(qiáng)度比值A(chǔ)260nm/A280nm在2.0~2.2范圍內(nèi)時,即認(rèn)為所提DNA的質(zhì)量達(dá)到測序要求。
1.3.2 高通量測序
將提取合格的曲樣DNA送至上海派森諾生物科技有限公司,利用Ampure XP beads純化DNA后,使用LSK109連接試劑盒中接頭進(jìn)行連接反應(yīng),然后用Qubit檢測建好的DNA文庫并定量,最后在Oxford Nanopore PromethION測序儀上進(jìn)行高通量測序。
1.3.3 大曲理化指標(biāo)的測定
發(fā)酵力根據(jù)呂亞楠等[12]的方法測定,其他理化指標(biāo)依照QB/T 4257—2011《釀酒酒曲通用分析方法》進(jìn)行檢測。
1.3.4 特征風(fēng)味物質(zhì)的檢測1.3.4.1 曲樣預(yù)處理
根據(jù)蘇寧等[13]方法處理并稍作修整:準(zhǔn)確量取45 mL體積分?jǐn)?shù)25%乙醇溶液,加入10.00 g曲樣于100 mL三角瓶中,超聲30 min后,7000 r/min離心5 min,將上層清液過0.22 μm濾膜,吸取990 μL濾液和10 μL內(nèi)標(biāo)(叔戊醇、乙酸正戊酯、2-乙基丁酸,體積分?jǐn)?shù)為1%)至頂空瓶中,供GC-MS、GC分析。
1.3.4.2 GC-MS定性
色譜條件:SHIMADZU 221-75893-30 SH-Rtx-Wax色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度250 ℃;檢測器溫度300 ℃;高純氮?dú)猓?9.999%);空氣流量300 mL/min,氫氣流量30 mL/min,尾吹氣流量 30 mL/min;升溫程序:初始溫度為30 ℃,保持3 min,以3 ℃/min升溫至180 ℃,再以15 ℃/min升溫至210 ℃,保持8 min;分流進(jìn)樣,分流比30∶1。
質(zhì)譜條件:電子電離源;全掃描模式(分子質(zhì)量范圍35.0~550.0 u);離子源溫度230 ℃;電離能量70 eV;四極桿溫度150 ℃。
1.3.4.3 GC定量
根據(jù)張曉婕等[14]方法對大曲風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定量,GC條件如下:SHIMADZU 221-75893-30 SH-Rtx-Wax色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);進(jìn)樣口溫度250 ℃;檢測器溫度300 ℃;高純氮?dú)猓?9.999%);空氣流量300 mL/min,氫氣流量30 mL/min,尾吹氣流量30 mL/min;升溫程序:初始溫度為30 ℃,保持3 min,以3 ℃/min升溫至180 ℃,再以15 ℃/min升溫至210 ℃,保持8 min;分流進(jìn)樣,分流比30∶1。定量方法:以待測物與內(nèi)標(biāo)物的含量比為橫坐標(biāo),峰面積比為縱坐標(biāo),建立各揮發(fā)性物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,以1.3.4.1節(jié)方法處理曲樣,采用內(nèi)標(biāo)法定量曲樣中各揮發(fā)性物質(zhì)的含量,所有曲樣重復(fù)測定3 次。
1.4.1 數(shù)據(jù)處理
使用Flye(version:v2.8)對三代測序數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組拼接,同時Flye會對原始拼接結(jié)果進(jìn)行5 輪糾錯,得到最終的拼接結(jié)果,然后按照97%相似性對非重復(fù)序列進(jìn)行操作分類單元(operational taxonomic units,OTU)聚類,使用NR數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物種分類注釋,采用IBM SPSS Statistics 23對理化指標(biāo)做單因素方差分析。
1.4.2 數(shù)據(jù)繪圖
采用USEARCH軟件計算α多樣性指數(shù);Origin 2018繪制堆積圖;Gephi0.9.2繪制網(wǎng)絡(luò)圖,Venn圖和冗余分析(redundancy analysis,RDA)分別于http://www.cloud.biomicroclass.com/、https://hiplot-academic.com網(wǎng)站上完成。
α多樣性的Chao1、ACE指數(shù)和Shannon、Simpson指數(shù)分別反映微生物物種的豐富度和多樣性,指數(shù)越高表示物種的豐富度和多樣性越好。由表2可知,5 種醬香大曲的覆蓋率均為100%,表示本次測序結(jié)果能真實(shí)反映曲樣的微生物結(jié)構(gòu);DJ細(xì)菌的Chao1、ACE指數(shù)最高,說明DJ細(xì)菌豐富度最好;TS細(xì)菌的Shannon、Simpson指數(shù)最高,即TS細(xì)菌多樣性最好。WM真菌的Shannon、Simpson指數(shù)最高,說明WM真菌多樣性最好;而MH真菌的豐富度和多樣性最低,可能與該酒企制曲工藝、生產(chǎn)原料、周圍環(huán)境有關(guān)[15],或在生產(chǎn)發(fā)酵過程中,優(yōu)勢菌群替代非功能菌種[16]。
表2 大曲樣品α多樣性分析結(jié)果Table 2 Results of microbial α-diversity analysis of Daqu samples
5 種大曲在細(xì)菌屬水平上共檢測到1093 個OTU,在真菌屬水平上共檢測到281 個OTU,根據(jù)分類注釋到的OTU繪制Venn圖,可直觀展示不同醬香大曲共有和特有的OTU。共有OTU是引起大曲共性的重要原因,而特有OTU是引起大曲差異的重要菌群。如圖2a所示,在細(xì)菌屬水平上5 種大曲含有457 個相同的OTU,OTU數(shù)依次為TS(728)>MH(706)>DJ(691)>W(wǎng)S(626)>W(wǎng)M(618),說明TS、MH、DJ細(xì)菌多樣性較好,與表2結(jié)果一致;5 種大曲特有OTU數(shù)及其占比分別為70和9.92%(MH)、21和3.35%(WS)、19和2.61%(TS)、10和1.62%(WM)、6和0.87%(DJ)。如圖2b所示,在真菌屬水平上5 種大曲含有171 個相同的OTU,OTU數(shù)依次為:TS(264)>W(wǎng)M(259)>W(wǎng)S(255)>DJ(215)>MH(172),說明TS、WM、WS的真菌豐度較好,與表2結(jié)果一致;5 種大曲特有OTU數(shù)及其占比分別為4和1.57%(WS)、3和1.14%(TS)、1和0.47%(DJ)、1和0.39%(WM)、0和0.00%(MH)。MH特有70 種細(xì)菌物種,沒有特性真菌,說明MH的70 種特性細(xì)菌是引起MH特征差異的重要微生物。
圖2 不同醬香大曲OTU分布圖Fig.2 Venn diagrams showing shared and unique OTUs between Daqu samples
醬香大曲作為一種高溫大曲,其細(xì)菌占據(jù)相對的優(yōu)勢,是使酒體醬香風(fēng)味突出的重要原因[17]。如圖3所示,MH、DJ位于赤水河右岸,以細(xì)菌為優(yōu)勢菌群,相對豐度在79.89%以上,是典型的醬香大曲;TS、WM位于赤水河左岸,其細(xì)菌的相對豐度略高于真菌的相對豐度;WS位于赤水河右岸,真菌豐度的占比最高,其原因可能是距離中心區(qū)域最遠(yuǎn),及其所處的微環(huán)境引起。
圖3 不同醬香大曲屬水平總體微生物群落結(jié)構(gòu)Fig.3 Microbial community structure at the genus levels in Daqu
根據(jù)屬水平分類注釋的OTU結(jié)果,選取細(xì)菌、真菌相對豐度前20的OTU分別繪制百分比堆積柱狀圖。如圖4a所示,細(xì)菌相對豐度較高的物種是芽孢桿菌屬(Bacillus)、糖多孢菌屬(Saccharopolyspora)、魏斯氏菌屬(Weissella)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)、鏈霉菌屬(Streptomyces)。芽孢桿菌屬分別占MH、DJ細(xì)菌屬總豐度的64%、31%,表明芽孢桿菌屬是MH、DJ的絕對優(yōu)勢菌屬,與其他學(xué)者研究的芽孢桿菌屬是醬香大曲中絕對優(yōu)勢菌群結(jié)果一致[18-19]。高溫放線菌屬(Thermoactinomyces)在TS、WM、MH、DJ、WS的相對豐度依次為14.55%、5.64%、0.91%、0.10%、0.74%,在地理位置上,表明高溫放線菌屬可作為茅臺鎮(zhèn)赤水河左岸的優(yōu)勢細(xì)菌屬,而在高度上,高溫放線菌屬更適合生存在茅臺鎮(zhèn)高海拔地區(qū)。魏斯氏菌屬的相對豐度在5 種曲樣順序為TS(12.84%)>W(wǎng)M(9.97%)>MH(3.72%)>DJ(2.11%)>W(wǎng)S(0.62%),在地域上呈現(xiàn)出赤水河左岸>赤水河右岸、距茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域較近>茅臺鎮(zhèn)核心區(qū)域較遠(yuǎn)、海拔高度高>海拔高度低規(guī)律。
圖4 不同醬香大曲屬水平前20群落結(jié)構(gòu)Fig.4 Top 20 most abundant microbial genera in Daqu
大曲優(yōu)勢菌群的代謝活動是醬香白酒風(fēng)味產(chǎn)生的關(guān)鍵,芽孢桿菌屬是醬香型白酒發(fā)酵過程中最重要的功能菌[20],在大曲貯藏過程中能夠分泌淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶等酶類[21-22],是醬香大曲代謝生產(chǎn)吡嗪類、酯類、醇類等多種風(fēng)味化合物的重要菌屬[23]。有研究表明,溫度是影響芽孢桿菌屬數(shù)量的重要因素[24],適度高溫會促進(jìn)芽孢桿菌屬等耐熱微生物的生長,抑制大多數(shù)微生物的生長,而MH和DJ的芽孢桿菌屬高可能與環(huán)境及其生產(chǎn)控制工藝有關(guān)。高溫放線菌屬與芽孢桿菌屬均屬于耐熱微生物,均能分泌淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶[25],多存在于高溫大曲中,對醬香白酒的風(fēng)味有一定的貢獻(xiàn),有研究表明高溫放線菌菌株不僅能生產(chǎn)其他吡嗪類化合物,還能生產(chǎn)具有醬香風(fēng)味的愈創(chuàng)木酚[26]。魏斯氏菌屬是產(chǎn)酸細(xì)菌,在大曲發(fā)酵過程中能夠生產(chǎn)乙酸、乳酸合成乙酸乙酯、乳酸乙酯等特征風(fēng)味物質(zhì)[10,27]。有關(guān)魏斯氏菌屬在大曲中的報道較多,Yao Su等[28]研究發(fā)現(xiàn)魏斯氏菌屬是芝麻香型白酒高溫大曲發(fā)酵過程中的第二優(yōu)勢菌屬,在發(fā)酵過程中呈先增后降的趨勢。Deng Yuke等[29]也發(fā)現(xiàn)魏斯氏菌屬是大曲發(fā)酵過程中的優(yōu)勢細(xì)菌屬,與本研究結(jié)果一致。乳桿菌屬、魏斯氏菌屬、片球菌屬(Pediococcus)均屬乳酸菌[28,30],在本研究均被檢測到,已有研究證實(shí)乳酸菌為中高溫大曲發(fā)酵過程中的優(yōu)勢細(xì)菌[28,31]。
如圖4b所示,5 種大曲相對豐度均大于1%的優(yōu)勢真菌屬有曲霉屬(Aspergillus)、紅曲霉屬(Monascus)、青霉屬(Penicillium)、拉薩姆氏菌屬(Rasamsonia)、籃狀菌屬(Talaromyces),曲霉屬、青霉屬為大曲的絕對優(yōu)勢真菌。橫梗霉屬(Lichtheimia)、覆膜孢酵母屬(Saccharomycopsis)在TS、WM、MH中的比例明顯高于DJ、WS,在地域上呈現(xiàn)為茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域特有的優(yōu)勢真菌,在海拔上呈現(xiàn)為茅臺鎮(zhèn)較高海拔區(qū)域特有的優(yōu)勢真菌,已有研究表明橫梗霉屬、覆膜孢酵母屬是茅臺鎮(zhèn)醬香型大曲不同主釀區(qū)的優(yōu)勢真菌群[32-33]。曲霉屬、青霉屬是高溫大曲普遍存在的優(yōu)勢真菌屬[34],能夠生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶[35],對大曲的液化力、糖化力和酯化力起重要作用[36]。Xia Yu等[37]在研究醬香大曲與濃香大曲的淀粉酶活性相關(guān)蛋白時,發(fā)現(xiàn)相比濃香大曲,醬香大曲上調(diào)表達(dá)的淀粉酶蛋白主要取決于曲霉屬。橫梗霉屬在醬香大曲中具有較高的耐熱性,能夠高產(chǎn)脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶[37-38],是醬香大曲必不可少的優(yōu)勢菌群。有研究表明大曲發(fā)酵過程中,微生物菌群是由乳酸菌代謝驅(qū)動的自我馴化過程,而橫梗霉屬是中溫大曲酸化后最豐富的優(yōu)勢菌群,其原因是橫梗霉屬具有將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸鹽的潛力,干擾乳酸菌的正反饋回路,使其能在一定濃度的乳酸環(huán)境下生存,從而成為優(yōu)勢菌群[30]。覆膜孢酵母屬是茅臺風(fēng)味大曲常見的優(yōu)勢菌群[39],在大曲發(fā)酵過程中可以影響其他優(yōu)勢菌群的生長,有助于醇類、酯類、吡嗪類風(fēng)味化合物的形成[40]。
在制曲過程中,大曲中的微生物通過競爭、共生及拮抗等關(guān)系相互影響從一個相對不穩(wěn)定的狀態(tài)逐漸形成一個相對穩(wěn)定的微生物群落,為探究茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域5 種醬香大曲中優(yōu)勢微生物之間的關(guān)系,本研究基于Spearman相關(guān)系數(shù)(|r|>0.7,P<0.01)對5 種醬香大曲的優(yōu)勢物種進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析,平均度越大、連接線越多則節(jié)點(diǎn)越大。如圖5所示,5 種大曲正相關(guān)比例為56.88%~99.05%,負(fù)相關(guān)比例為0.95%~43.12%,距茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域較近的TS、WM、MH其正負(fù)相關(guān)較適中,而距茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域較遠(yuǎn)的DJ、WS其正相關(guān)遠(yuǎn)大于負(fù)相關(guān)。位于茅臺鎮(zhèn)赤水河右岸的MH、DJ、WS的邊緣明顯高于赤水河左岸的TS、WM的邊緣,并且具有更高的連接性(即平均程度),表明赤水河右岸曲樣微生物間的相互作用更強(qiáng)[41]。除DJ曲樣外,其他曲樣網(wǎng)絡(luò)圖分為三大模塊,梭菌屬(Clostridium)、慢生芽孢桿菌屬(Lentibacillus)、擬青霉屬(Penicilliopsis)、畢赤酵母屬(Pichia)均在5 種大曲中連接點(diǎn)最多的模塊,說明這4 類微生物菌群是5 種大曲共有的關(guān)鍵微生物菌群,對其他微生物菌群影響較大。值得關(guān)注的是,在DJ曲樣中,酵母屬(Saccharomyces)與其他優(yōu)勢微生物負(fù)相關(guān);在WS曲樣中,高溫放線菌屬、假單胞菌屬(Pseudomonas)與其他優(yōu)勢微生物負(fù)相關(guān);在MH曲樣中,糖多孢菌屬、魏斯氏菌屬、埃希氏桿菌屬(Escherichia)、高溫放線菌屬、擬青霉屬、覆膜孢酵母屬與其他優(yōu)勢微生物負(fù)相關(guān),這些菌群對大曲微生物間的調(diào)控至關(guān)重要。而TS、WM的負(fù)相關(guān)的微生物較為混雜,這可能與地域和所處的微環(huán)境有關(guān)。圖5列出了各種曲樣優(yōu)勢菌屬之間的相互關(guān)系,雖然從現(xiàn)有結(jié)果中很難分析出優(yōu)勢菌屬之間關(guān)系的內(nèi)在原因,但可為進(jìn)一步研究菌種之間的相互作用提供依據(jù)。就目前結(jié)果看,梭菌屬、慢生芽孢桿菌屬、擬青霉屬、畢赤酵母屬與多種菌屬之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,以及在各曲樣中,與其他優(yōu)勢菌屬存在負(fù)相關(guān)的菌屬可以作為后續(xù)研究的重點(diǎn)微生物。
圖5 不同醬香大曲微生物共生網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Microbial cooccurrence networks of Daqu
大曲理化指標(biāo)中的水分、酸度、淀粉含量可在一定程度上反映大曲的質(zhì)量,液化力、糖化力、酯化力則反映大曲的酶系功能,而發(fā)酵力可反映大曲中某些微生物生長情況。5 種大曲理化指標(biāo)均有顯著差異,如表3所示,大曲水分和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在9.12%~11.87%、55.50%~61.54%之間,水分越低即揮發(fā)程度越好,說明大曲的成熟度越好,而淀粉含量體現(xiàn)在制曲過程中糖化酶對淀粉的消耗[42]。WS酸度最高為(2.17±0.02)mmol/10 g,顯著高于其他高溫大曲,說明其內(nèi)部產(chǎn)酸微生物代謝及產(chǎn)酸代謝比較旺盛,當(dāng)酸度水平較高時,乳酸菌會成為大曲的優(yōu)勢菌群[30]。發(fā)酵力反映大曲中的某些微生物利用基質(zhì)生產(chǎn)酒精的能力,WM、DJ的發(fā)酵力明顯低于其他曲樣。糖化力、酯化力、液化力的大小可反映大曲中淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶的酶活大小,有研究表明芽孢桿菌屬和霉菌是影響大曲酶活性的因 素[21,33],其中MH有較高的糖化力(251.13±4.10)U,WM有較高的酯化力(313.66±4.84)U,而DJ、WS均表現(xiàn)較低的液化力和糖化力。
表3 大曲樣品理化指標(biāo)檢測結(jié)果Table 3 Physicochemical indexes of Daqu samples
采用RDA研究優(yōu)勢菌群與理化指標(biāo)之間的相關(guān)性,其中兩因素間的夾角為銳角時,表示存在正相關(guān),反之為負(fù)相關(guān),兩因素投影到另一個因素的長度越長則相關(guān)性越大。如圖6a所示,細(xì)菌中的葡萄球菌屬、假單胞菌屬、埃希氏桿菌屬、梭菌屬與水分和酸度呈正相關(guān);高溫放線菌屬、尿素芽孢桿菌屬(Ureibacillus)、魏斯氏菌屬、糖多孢菌屬與淀粉含量、糖化力、液化力和酯化力呈正相關(guān),其中,魏斯氏菌屬是影響大曲糖化力、液化力和酯化力的主要菌群,這與劉慧等[42]的研究結(jié)果一致。如圖6b所示,酵母屬、橫梗霉屬與發(fā)酵力呈正相關(guān),且橫梗霉屬與糖化力相關(guān)性大于與液化力相關(guān)性,有研究表明橫梗霉屬與糖化酶系統(tǒng)的關(guān)鍵蛋白有關(guān)[37]。覆膜孢酵母屬、嗜熱真菌屬與酯化力、淀粉含量、糖化力、液化力呈正相關(guān),而覆膜孢酵母屬是WM的優(yōu)勢菌群,說明覆膜孢酵母屬是引起WM高酯化力的關(guān)鍵菌群。
圖6 不同醬香大曲微生物與理化指標(biāo)的RDAFig.6 Redundancy analysis of correlation between microbial communities and physicochemical indexes of Daqu
大曲的風(fēng)味物質(zhì)可直接或間接影響白酒發(fā)酵過程中風(fēng)味物質(zhì)的形成,對白酒終產(chǎn)品的復(fù)雜香氣具有重要的影響。本研究采用張曉婕等[14]的方法對大曲特征風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行定量,如表4所示,共檢測到45 種揮發(fā)性化合物。為了進(jìn)一步探究引起茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域醬香大曲特征風(fēng)味差異的微生物,選取14 種特征差異物質(zhì)和15 種優(yōu)勢菌屬進(jìn)行RDA。
如圖7a所示,芽孢桿菌屬與四甲基吡嗪、丙酸、異戊酸、鄰苯二甲酸二丁酯、2,3-丁二醇、苯乙醛呈正相關(guān),已有研究報道芽孢桿菌屬是生產(chǎn)四甲基吡嗪、2,3-丁二醇的重要微生物[43-44]。魏斯氏菌屬與乙酸、乳酸乙酯、乙酸乙酯、正戊醇呈正相關(guān);葡萄球菌屬、埃希氏桿菌屬、假單胞菌屬與2-甲基丁酸乙酯、正丁醇、乙醛、4-乙基愈創(chuàng)木酚呈正相關(guān)。
如圖7b所示,曲霉屬與正丁醇、2-甲基丁酸乙酯呈正相關(guān);青霉屬、嗜熱子囊菌屬與丙酸、4-乙基愈創(chuàng)木酚呈正相關(guān);酵母屬與四甲基吡嗪呈正相關(guān);橫梗霉屬是引起多種風(fēng)味物質(zhì)差異的關(guān)鍵菌群,與乙酸、異戊酸、2,3-丁二醇、苯乙醛、鄰苯二甲酸二丁酯呈正相關(guān);覆膜孢酵母屬與乙酸乙酯呈正相關(guān)。綜上,細(xì)菌中的芽孢桿菌屬和真菌中的橫梗霉屬是引起大曲風(fēng)味物質(zhì)差異的優(yōu)勢菌群,覆膜孢酵母屬是乙酸乙酯的關(guān)鍵菌群,這與上述WM酯化力高相符合。
高溫大曲中的細(xì)菌種類和數(shù)量直接影響碳水化合物和氨基酸的運(yùn)輸和代謝[45],芽孢桿菌屬作為高溫大曲的優(yōu)勢菌群,其數(shù)量與種類直接影響大曲的特征風(fēng)味。有研究表明,可通過高溫壞境影響芽孢桿菌屬的生長,促進(jìn)吡嗪類、酸類、酮類、醛類化合物的生成[24,33,46]。橫梗霉屬是中高溫大曲產(chǎn)生酶和風(fēng)味前體化合物的潛在優(yōu)勢菌群,據(jù)報道在大曲酸化后成為最豐富的真菌,與苯乙酮、苯甲醇、丁酸等風(fēng)味物質(zhì)呈正相關(guān)[30]。覆膜孢酵母屬可提高淀粉酶活,增加物種豐富度,促進(jìn)醇類、酯類化合物的生成,對糖化酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)和風(fēng)味代謝物有積極的影響,與本研究結(jié)果一致[40,47]。
采用高通量測序技術(shù)分析比較茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域醬香大曲的微生物群落結(jié)構(gòu),并結(jié)合RDA法研究微生物與微生物、理化因子、特征風(fēng)味物質(zhì)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明,在細(xì)菌屬水平上,位于茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域的MH與同為赤水河右岸的DJ具有相似細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),芽孢桿菌屬是MH、DJ的絕對優(yōu)勢細(xì)菌屬,而位于赤水河左岸的TS與WM的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)更相似,魏斯氏菌屬與高溫放線菌屬在TS、WM的占比遠(yuǎn)高于MH、DJ、WS;在真菌屬水平上,DJ與WS具有相似的真菌群落結(jié)構(gòu),而TS與WM的真菌結(jié)構(gòu)更相似,此外,橫梗霉屬、覆膜孢酵母屬在與茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域距離較近的TS、WM、MH中比例明顯高于茅臺鎮(zhèn)中心區(qū)域外的DJ、WS。網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性表明距茅臺鎮(zhèn)中心較遠(yuǎn)的DJ、WS優(yōu)勢微生物間的正相關(guān)遠(yuǎn)大于距茅臺鎮(zhèn)中心較近的TS、WM、MH;位于赤水河右岸的MH、DJ、WS優(yōu)勢微生物間相互作用更強(qiáng)。RDA發(fā)現(xiàn)魏斯氏菌屬、橫梗霉屬與大曲的生產(chǎn)性能有較大相關(guān)性,而覆膜孢酵母屬可明顯影響大曲的酯化力;芽孢桿菌屬、橫梗霉屬是引起特征風(fēng)味物質(zhì)差異的主要菌群,覆膜孢酵母屬是產(chǎn)生乙酸乙酯的關(guān)鍵菌群。
茅臺鎮(zhèn)不同區(qū)域醬香大曲的微生物結(jié)構(gòu)、理化指標(biāo)以及風(fēng)味物質(zhì)各有差異,同時存在一定的相關(guān)性,本研究可為醬香白酒行業(yè)提供理論依據(jù),同時為后續(xù)研究大曲的功能微生物及代謝提供一定參考。