《食品科學》：貴州大學黃永光教授等：基于發酵溫度脅迫調控重組菌群的代謝特征及風味表達機制

大曲是白酒發酵的核心驅動力，主要以小麥、大麥或豌豆為原料，在開放環境下富集微生物自然發酵而成，其質量與白酒的品質密切相關。其中，高溫大曲不僅是醬香型白酒釀造的核心功能菌劑，同時作為風味調控組分參與多香型白酒的發酵過程，在大曲中占據重要地位。

目前研究表明，基于可培養微生物分離技術結合代謝組學分析，可定向選育高產酶或特征風味合成的功能菌株，通過內源性菌株回添實現微生態定向調控。

貴州大學釀酒與食品工程學院的王念、黃永光*，貴州大學資源與環境工程學院的龔佳欣等以在高溫大曲中普遍存在且具備優良釀造性能的內源性菌株為基礎，構建合成菌群進行固態模擬發酵，應用頂空固相微萃取（HS-SPME）與氣相色譜-質譜（GC-MS）聯用技術對不同溫度脅迫下合成菌群揮發性化合物進行表征。采用宏轉錄組學技術揭示溫度脅迫下合成菌群關鍵基因表達差異以及風味代謝機制，以期為合成微生物群落構建以及發酵工藝的優化提供理論指導。

1 釀造功能菌株發酵特性分析

為探究

B. licheniformis

S. fibuligera

T. crustaceus

的發酵特性，采用HS-SPME-GC-MS技術對產香菌株

B. licheniformis

S. fibuligera

固態模擬發酵樣品代謝輪廓進行解析，通過酶比活力表征高豐度優勢菌株

T. crustaceus

的酶學性質，結果如圖1所示。從

B. licheniformis

固態模擬發酵樣品中檢出的種類數量顯著高于之前研究檢出的揮發性化合物數量。共檢出63 種主要揮發性化合物，包括芳香族類11 種、醛酮類11 種、酯類11 種、醇類8 種、酸類7 種、酸類7 種、烷烴類4 種、吡嗪類2 種、酚類1 種和呋喃類1 種。從

S. fibuligera

固態模擬發酵樣品中檢出70 種主要揮發性化合物，包括酯類24 種、醇類16 種、芳香族類8 種、酸類6 種、烷烴類6 種、醛酮類4 種、酚類3 種、醚類2 種和其他類1 種。

T. crustaceus

的纖維素酶、酸性蛋白酶、

-淀粉酶、阿魏酸酯酶比活力分別為3 394.73、47.72、6 438.87、4.79（nmol·g）/min，展現出良好的原料降解能力。模擬發酵結果表明

B. licheniformis

S. fibuligera

都具備多途徑代謝活性，能夠合成豐富的揮發性化合物，但

S. fibuligera

具有更好的環境適應性以及更突出的產酯能力 。

2 不同溫度脅迫誘導合成菌群發酵關鍵風味代謝物分析

基于偏最小二乘判別分析（PLS-DA）模型對不同溫度條件下合成菌群風味譜差異進行解析。由圖2a可知，模型參數

R

2 ＝0.995、

Q

2 ＝0.984，證實模型具有優良的穩定性和預測效能。3 組樣品呈現明顯的組間分離與組內聚集特征，該空間分布特征與揮發性化合物組成差異顯著相關，表明不同溫度脅迫對合成菌群的代謝網絡動態具有顯著影響。在混菌發酵體系中，共檢出107 種揮發性化合物，其中醇類（28 種）、醛酮類（15 種）、芳香族類（11 種）、酸類（5 種）、酯類（29 種）、烷烴類（5 種）、酚類（7 種）、吡嗪類（4 種）、醚類（1 種）及其他類（2 種）。由圖2b可知，T30組揮發性化合物總質量濃度為（16.17±0.99）mg/L，T40組表現出最佳的代謝物積累能力，其揮發性化合物總質量濃度達到（20.06±0.97）mg/L，而T50組揮發性化合物總質量濃度只有（7.04±0.77）mg/L。發酵樣品中主要揮發性化合物總量隨溫度升高呈先升后降趨勢，其中吡嗪類、芳香族類、酚類、酸類及酯類物質含量均呈現相似波動規律，而醇類與醛酮類物質含量隨溫度升高持續降低，醚類及烷烴類僅在T30和T50組被檢出（圖2c）。在物質多樣性方面，T30組中檢測到62 種揮發性化合物，T40組和T50組分別為75 種與58 種（圖2c），進一步證實T40組在揮發性化合物多樣性方面具有最優代謝表現。在組合發酵中檢測到的吡嗪類物質含量顯著高于單菌發酵，反映出微生物群落的復雜性及其代謝協同效應有助于吡嗪類物質積累，表明發酵溫度對合成菌群的代謝產物合成能力具有顯著調控作用 。

以差異倍數（FC）≥2或FC≤0.5、

P

＜0.05以及變量投影重要性（VIP）＞1為條件篩選差異代謝物（圖3）。與T30組相比，T40組有6 種揮發性化合物顯著上調，分別是異丁酸乙酯、3-辛醇、2-十六醇、愈創木酚、3-乙酰氧基丁烷和苯乙醇。說明40 ℃可能激活了苯丙氨酸代謝途徑促進苯乙醇的生成，同時促進以愈創木酚為代表的酚類與以2-十六醇為代表的長鏈醇類生成。在T30與T50比較組中，7 種揮發性化合物下調（2-甲氧基-4-乙烯苯酚、4-羥基苯乙烯、1-辛烯-3-醇、苯乙醇、油酸芐酯、異戊醇和2,3-丁二醇）。與T40組相比，高溫對T50組代謝物的生成表現出明顯的抑制作用，包括苯乙醇、異丁酸乙酯、2-甲氧基-四甲基苯酚、2,3-丁二醇、1-辛烯-3-醇、四甲基吡嗪、甲酸庚酯、異戊醇和2-十六醇在內的9 種揮發性化合物顯著下調，只有1-甲基丙烯酸十一酯上調。對這些差異代謝物進行統計，共有16 種重點代謝物。T50組代謝物減少，說明50 ℃對風味物質積累具有顯著負面影響，這可能與高溫抑制

S. fibuligera

的生長甚至使其失活有關，在50 ℃時其無法與其他2 種微生物協同作用促進多種物質的生成 。

3 不同溫度脅迫誘導合成菌群代謝通路注釋

在不同溫度微生物模擬發酵樣品及其平行樣轉錄組學數據的基礎上，本研究從基于京都基因與基因組百科全書（KEGG）數據庫對各樣品的代謝功能相似性進行PCA。如圖4所示，不同溫度下模擬發酵樣品中合成菌群的代謝表達存在異同。其中在30 ℃和40 ℃條件下模擬發酵樣品的距離相對接近，而在50 ℃條件下進行模擬發酵的樣品與其他2 組樣品距離較遠。這表明合成菌群在30 ℃和40 ℃環境中的代謝通路較為相似。而在50 ℃環境中合成菌群的代謝通路產生了明顯的變化。

為進一步明確溫度梯度下合成菌群的代謝功能特征，本研究對合成菌群表達的基因進行KEGG數據庫的功能進行注釋分析，結果如圖5a所示。KEGG一級代謝通路表明，合成菌群主要以新陳代謝、遺傳信息處理、細胞過程3 類代謝為主，共表達豐度占90%以上。合成菌群的KEGG二級代謝通路主要包括碳水化合物代謝、能量代謝、氨基酸代謝通路，它們共表達量可占據80%以上，這表明合成菌群在初級代謝特別是自身繁殖方面以及大分子物質降解方面表達出強烈的功能特征。如圖5b所示，在50 ℃溫度脅迫發酵下，合成菌群在氨基酸代謝途徑上顯著上調1.36～2.33 倍，在環境適應性途徑上顯著上調2.93～5.14 倍，在細胞活動途徑上顯著上調1.35～2.33 倍；相反，此溫度下合成菌群的能量代謝功能表達下調57%～74%。氨基酸代謝途徑活躍可能與

Thermoascus

Bacillus

的協同作用有關。氨基酸代謝可支持應激蛋白合成和滲透調節，而脂質和能量代謝可以節省資源并避免代謝負擔。結果說明在溫度脅迫下，合成菌群通過“保核心功能，棄冗余消耗”的策略重新分配代謝資源 。

4 不同溫度脅迫誘導合成菌群基因差異化表達

圖6展示了不同溫度脅迫發酵下基于KEGG數據庫的合成菌群基因表達差異。不同溫度對氨基酸代謝、能量代謝的表達具有影響。在30 ℃條件下，合成菌群主要高表達基因為K00004（

BDH

）、K00655（

PlsC

）、K03621（

plsX

）、K05338（

lrgA

）、K04047（

dps

）等。其中，

BDH

PlsC

是參與代謝的相關基因，其高表達通常與能量需求增加或脂質合成活躍相關；

plsX

lrgA

dps

等基因的表達水平在熱應激下上調，以維持細胞穩態；K13628（

iscA

）的高表達在細胞能量代謝、電子傳遞、底物結合與激活、鐵/硫存儲、酶促反應等諸多過程中具有關鍵作用。K16509（

spxA

）是

Spx

家族的一個成員，常見于

Bacillus

Spx

是一種激活因子，能夠激活必要的反應以逆轉氧化損傷的影響；同時也是一種負調控因子，通過推遲發育程序和耗能的生長相關功能協調能量分配，以應對應激。在30 ℃條件下，菌群間協同效應較弱，風味代謝活性未顯著激活，整體呈現基礎代謝狀態。在40 ℃條件下，主要高表達基因包括K13727（

pdc

）、K01903（

sucC

）、K00260（

gudB

）、K01664（

pabA

）等。

pdc

可催化丙酮酸生成CO 2 和乙醛，乙醛可通過羥醛縮合反應生成大分子的醛，隨后經還原反應生成醇，這也解釋了合成菌群在40 ℃條件下辛醇產量更高的原因（圖3）。

sucC

是檸檬酸循環中的關鍵酶，負責將琥珀酸轉化為琥珀酰輔酶A，對能量代謝和細胞呼吸至關重要。

gudB

是芽孢桿菌參與編碼谷氨酸脫氫酶的基因。先前研究表明，大腸桿菌中的

pabA

可調控氨基苯甲酸，用于合成葉酸（VB 9 ）。在合成菌群中亦檢測到該基因，提示其可能具備相似的調控功能潛力。在40 ℃發酵條件下，合成菌群基因組的協同作用更為顯著，其核心功能基因表達譜呈現顯著轉變，其中調控風味物質前體合成的相關基因表達顯著上調。該現象與T40組中合成菌群風味代謝產物多樣性最高的檢測結果相印證，從而闡明40 ℃條件下合成菌群呈現最豐富風味代謝譜的分子機制。在50 ℃的高溫發酵條件下，合成菌群的K00927（

dapD

）、K01803（

ilvD

）、K00939（

pgm

）、K02948（

tpiA

）、K02968（

gapA

）、K02950（

eno

）和K01689（

rpe

）等基因呈現爆發式表達。

dapD

ilvD

是參與賴氨酸與支鏈氨基酸合成途徑的酶。前人的研究表明，中高溫大曲氨基酸的差異可能與

Thermoascus

Bacillus

等微生物豐度有關。在本研究中，

dapD

ilvD

基因在高溫組中的高豐度表達也驗證了該結論。

pgm

tpiA

gapA

eno

rpe

主要參與糖酵解和能量代謝途徑。在高溫脅迫下，合成菌群啟動熱應激響應機制，其代謝活性急劇上調但發生功能重定向，此類基因的高表達主要是通過能量供應強化、氧化還原平衡、代謝網絡重構以適應高溫脅迫 。

5 不同溫度脅迫合成菌群中相關風味基因的轉錄調控特征

以主要差異揮發性化合物為導向，繪制相關風味基因表達的代謝通路（圖7）。苯丙氨酸代謝是醬香型白酒風味形成的核心生化代謝途徑之一，可產生苯乙醛、苯乙醇等多種芳香族類化合物，該類化合物主要具有玫瑰香氣，對塑造酒體的典型香氣特征具有重要意義。由圖7可知，在苯丙氨酸代謝通路中，T50組的乙醇脫氫酶基因（

ADH5

）相較于T30組和T40組顯著上調，但由于底物（苯乙醛）匱乏，導致其苯乙醇含量顯著降低。2,3-丁二醇、四甲基吡嗪的含量隨溫度變化顯著波動，但相關基因的表達水平未發生同步響應，表明溫度可能通過非轉錄調控途徑（如底物可利用性、輔因子供應）驅動代謝物合成。蘇氨酸代謝途徑是2,3,5-三甲基吡嗪的主要生物合成途徑。蘇氨酸脫氫酶基因（

TDH

）顯著下調，在該途徑中其他酶作用不明顯的前提下，顯著影響了發酵后期2,6-二甲基吡嗪、2,3,5-三甲基吡嗪的積累。此外，多數下調的差異代謝物，如異戊醇、異戊酸乙酯等，其生成途徑的調控基因呈顯著上調，造成這種不對應關系的原因可能基因表達調控是代謝物動態變化的先導因素。引起揮發性化合物差異的通路中，與氨基酸代謝關系最為密切，尤其是支鏈氨基酸與芳香族氨基酸代謝，表明氨基酸代謝對大曲揮發性化合物的形成有重要影響。在本研究中，氨基酸代謝途徑也是僅次于碳水化合物代謝的最活躍代謝途徑，其通量水平與溫度呈顯著正相關，可能與熱應激下微生物通過氨基酸降解加速能量供給及滲透保護物質合成有關 。

結 論

本研究通過固態模擬發酵并應用HS-SPME-GC-MS技術解析了溫度脅迫對合成菌群揮發性化合物代謝的影響，結合宏轉錄組學揭示了溫度脅迫下合成菌群基因對溫度變化的響應規律以及風味表達機制。揮發性化合物檢測結果表明，不同溫度脅迫下，合成菌群的代謝產物和代謝通路表現出顯著差異，在40 ℃條件下，合成菌群的揮發性化合物種類和含量均達到最高，最有利于風味物質的積累。本實驗構建的合成菌群有助于激發吡嗪類物質的合成與積累。同時，共篩選出16 種主要差異揮發性化合物。其中，在T30與T40比較組中，有6 種揮發性化合物顯著上調；在T30與T50比較組中，有7 種揮發性化合物下調。在T40與T50比較組中，有9 種揮發性化合物顯著下調，有1 種揮發性化合物上調。宏轉錄組分析表明合成菌群在30 ℃和40 ℃環境中的代謝功能較為相似。而在50 ℃條件下，合成菌群的功能發生明顯變化。高溫脅迫下，合成菌群通過“保核心功能，棄冗余消耗”的策略重新分配代謝資源以應對熱應激。在30 ℃條件下，合成菌群主要高表達基因為

BDH

PlsC

plsX

lrgA

dps

等，為維持細胞生命活動供能。在40 ℃條件下，主要高表達基因包括

pdc

sucC

gudB

pabA

等，維持微生物正常生理活動的同時，具有調控風味物質前體合成的能力。在50 ℃高溫發酵條件下，合成菌群主要高表達基因包括

dapD

ilvD

pgm

tpiA

gapA

eno

rpe

等，主要是通過能量供應的強化、氧化還原平衡的維持、代謝網絡的重構以適應高溫脅迫，各溫度條件下功能代謝出現明顯差異。同時，主要差異揮發性化合物的代謝網絡也表明氨基酸代謝對大曲揮發性化合物的形成有重要影響。本研究可為理解溫度脅迫對大曲關鍵菌群的風味代表達機制提供理論基礎，為優化控溫制曲工藝、提升固態發酵可控性及人工菌劑開發提供理論支撐 。

作者簡介

通信作者：

黃永光 教授

貴州大學釀酒與食品工程學院 院長

貴州省釀酒工業協會秘書長、貴州省白酒產業促進會副秘書長、“黔酒工匠”、中國白酒技術委員會委員、全國食品工業科技創新杰出人才、《中國釀造》《釀酒科技》期刊編委等。研究方向包括釀造微生態結構及其代謝調控機理；釀造環境微生物與釀造微生物互作機制；酒類風味結構特征及其風味貢獻機制；酒類活性功能成分及其健康飲酒；白酒機械化、智能化釀造關鍵技術等。主持國家基金、貴州省重大專項、重大成果轉化及產學研合作項目30余項，發表SCI、EI等收錄論文200多篇，主編、參編專著9 部，起草制定發布標準16 件，獲國家發明專利30余件，獲國家級、省部級科學技術獎3 項，獲中國食品、酒業行業學會、協會科學技術一等獎等10余項 。

第一作者：

王念碩士研究生

貴州大學釀酒與食品工程學院

主要研究方向為大曲微生態解析與資源挖掘 。

引文格式：

王念, 龔佳欣, 唐杰, 等. 基于發酵溫度脅迫調控重組菌群的代謝特征及風味表達機制[J]. 食品科學, 2025, 46(22): 227-235. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250515-090.

WANG Nian, GONG Jiaxin, TANG Jie, et al. Regulatory effect of temperature stress on metabolic characteristics and flavor expression mechanism of recombinant microbial communities[J]. Food Science, 2025, 46(22): 227-235. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250515-090.

實習編輯：彤禾；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為匯聚全球智慧共探產業變革方向，搭建跨學科、跨國界的協同創新平臺，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，西南大學、 重慶市農業科學院、 重慶市農產品加工業技術創新聯盟、重慶工商大學、重慶三峽學院、西華大學、成都大學、四川旅游學院、西昌學院、北京聯合大學協辦的“ 第三屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會 ”， 將于2026年4月25-26日 （4月24日全天報到） 在中國 重慶召開。

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