变质、正常及新窖泥间细菌群落差异研究

沈纪健1,乔美灵1,才向东2,陈忠军1,孙子羽1,满都拉1*

1(内蒙古农业大学 食品科学与工程学院,内蒙古 呼和浩特,010018)

2(内蒙古蒙古王实业股份有限公司,内蒙古 通辽,028000)

摘 要 该研究采用高通量测序技术对使用2年后变质、使用2年后正常和新窖泥细菌群落多样性和物种组成进行了比较分析,并对不同状态窖泥间细菌群落物种差异和功能差异开展了研究。结果表明,3种窖泥细菌群落Shannon指数间无显著差异(P>0.05),新窖泥细菌群落Chao1指数显著高于使用后变质和正常窖泥(P<0.05),但变质与正常窖泥间无显著差异(P>0.05)。与新窖泥相比,使用2年后正常窖泥中,Caproiciproducens属的相对丰度降低,而Lactobacillus属的相对丰度升高。同时,在使用2年后的变质窖泥中,PseudomonasAcinetobacter属的相对丰度升高,Bacillus属的相对丰度降低。此外,正常窖泥中的优势属PetrimonasProteiniphilum的相对丰度高于变质窖泥。差异物种分析发现,变质、正常和新窖泥间主要差异物种为LysinibacillusAcinetobacterLactobacillusClostridium等属。基于PICRUSt的功能预测结果表明,与新窖泥相比,使用2年后正常窖泥中复制和修复功能所占比例升高,其他次级代谢物的生物合成功能占比降低。同时,使用2年后变质窖泥中其他次级代谢物的生物合成功能与萜类和多酮类化合物的代谢功能所占比例降低。与新窖泥相比,变质窖泥的微生物代谢(ko00980)相关通路显著上调(P<0.05),代谢调控和发酵稳定性(ko03040)与酯类代谢(ko04113)相关代谢通路显著下调(P<0.05)。而在正常窖泥中,香气物质合成(ko00943)和前体风味物质代谢(ko03050)相关代谢通路显著下调(P<0.05)。该研究能为提高北方浓香型白酒窖泥质量提供理论依据。

关键词 高通量测序;不同状态;降维;细菌群落;功能预测

经过数千年的传承与发展,根据风味特点中国白酒可分为浓、酱、清等12种香型[1]。其中,浓香型白酒以泥窖发酵为特征,具有窖香浓郁、绵柔甘洌和香味协调等特点[2]。窖泥作为浓香型白酒酿造过程中特有的生产环境,是一种高含水量、高腐殖质与低含氧量的土壤[3]。在浓香型白酒的生产中,窖泥质量的好坏在一定程度上决定着酒质的优劣。窖泥中的己酸菌、丁酸菌和甲烷菌等微生物是浓香型白酒主体风味己酸乙酯合成的主要微生物类群[4]

不同状态窖泥的菌群结构存在差异,4年窖泥和50年以上老窖泥的菌群多样性和丰富度均高于新窖泥,其中Lactobacillus属在新窖泥中的相对丰度远高于老窖泥[5]。另外,老窖泥中ClostridiumLactobacillusBacillus属的相对丰度显著高于新窖泥,且上述3个属可作为快速识别新老窖泥的指标微生物[6]。研究发现,退化窖泥细菌群落的Chao1和Shannon指数均显著高于正常窖泥,且群落结构也存在较大差异[7]

地理位置是影响窖泥微生物的重要因素之一[8]。四川、湖北、江苏和安徽等地对浓香型白酒窖泥微生物的研究起步较早[9],而有关北方地区窖泥相关研究却鲜见报道。我国北方多以人工泥窖生产浓香型白酒,经过一段时间使用的人工窖泥会出现变质现象。延缓人工窖泥老化变质,是北方浓香型白酒生产企业急需解决的技术难题。本研究以内蒙古浓香型白酒厂变质(使用2年)、正常(使用2年)和新窖泥(0年)为研究对象,利用高通量测序技术对其细菌群落多样性、组成和群落结构进行分析,并通过差异分析探讨了3种窖泥间细菌群落差异,预测了3种窖泥的功能,有望为北方窖泥质量提升提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

窖泥样品采集自内蒙古浓香型白酒企业,采用5点取样法分别采集使用2年后变质窖泥、使用2年后正常窖泥和新窖泥,每种窖泥各采集3个窖池,变质窖泥标记为B(B5、B6、B7),正常窖泥标记为Z(Z4、Z5、ZW),新窖泥标记为Y(Y1、Y2、Y3)。所有样本在收集后立即放入-80 ℃冰箱中保存。

1.2 DNA提取和高通量测序

按照Omega Mag-bind soi DNA试剂盒的操作说明提取窖泥基因组DNA,以1 g/mL的琼脂糖凝胶电泳和NanoDrop分光光度计检测DNA浓度。利用引物338F和806R扩增细菌16S rRNA基因的V3~V4区域[10]。PCR扩增产物委托上海派森诺生物科技股份有限公司利用Illumina平台进行双端测序。获得测序数据后,按照DADA2方法对原始序列进行处理[11],将相似度>97%的有效序列进行操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU)划分,利用 Greengenes[12]数据库对OTU进行注释。

1.3 统计分析与绘图

基于QIIME2计算Alpha多样性指数,利用Shannon指数和Chao1指数评估样本细菌多样性和丰富度。基于OTU水平采用加权UniFrac距离的主成分分析(principal component analysis,PCA)评估不同窖泥样品细菌群落差异。利用线判别分析(linear discriminant analysis effect size,LEfSe)评估不同分组间显著差异的物种。利用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)评价2组间的差异(P<0.05)。利用PICRUSt软件进行细菌群落功能预测。利用Origin2022、SPSS27和R等软件完成绘图。

2 结果与分析

2.1 不同状态窖泥细菌Alpha多样性

基于Shannon和Chao1指数评估不同状态窖泥细菌多样性和丰富度,结果如图1所示。从Shannon指数来看,3种状态下窖泥(变质、正常和新窖泥)间无显著差异(图1-a,P>0.05),说明3种状态窖泥细菌多样性无差异。有报道指出,随着窖龄的增加窖泥微生物多样性会略有下降[13],酒醅发酵使窖泥逐渐被驯化,形成稳定的窖泥微生物群落[14]。本研究中,由于窖泥使用周期为2年,表观上虽表现出变质现象,但细菌多样性没有发生实质变化。从Chao1指数来看(图1-b),新窖泥细菌群落的Chao1指数显著高于使用后变质和正常窖泥(P<0.05),且变质与正常窖泥间无显著差异(P>0.05)。这说明窖泥的使用会降低窖泥细菌丰度,而变质与否不会改变窖泥细菌丰度。窖泥微生物随使用时间的推移,逐渐消耗环境中的营养物质,导致微生物竞争加剧,从而导致微生物丰富度降低[15]。有研究指出窖泥变质前后细菌群落结构和丰度存在差异[16],而本研究中变质窖泥的2年使用未造成影响。Coverage指数显示(图1-c)覆盖率均在98%以上,表明测序结果能够较好地反映样本的真实情况,即随测序深度的增加物种数逐渐趋于平稳,表明测序数据量合理,测序深度足以反映当前样本的菌群多样性(图1-d)。

a-Shannon指数;b-Chao1指数;c-Coverage指数;d-稀释曲线

图1 三种状态窖泥细菌Shannon、Chao1、Coverage指数和稀释曲线

Fig.1 Shannon, Chao1, and Coverage indices and dilution curves for three states of pit mud

注:不同小写字母表示组间存在显著性差异(P<0.05)。

2.2 不同状态窖泥细菌物种组成

不同状态窖泥细菌群落物种组成如图2所示。总体来看,3种状态下窖泥(变质、正常和新窖泥)细菌物种组成存在差异,变质窖泥的优势细菌属(相对丰度>1%的菌属视为优势菌属)有12个,分别为Pseudomonas(56.67%)、Lactobacillus(9.81%)和Hazenella(8.41%)等属,正常窖泥有13个优势属,分别为Pseudomonas(38.27%)、Lactobacillus(34.77%)和Acinetobacter(3.25%)等属,新窖泥的优势属有12个,分别为Pseudomonas(42.27%)、Caproiciproducens(11.80%)和Bacillus(3.29%)等属。

图2 三种状态窖泥细菌群落组成

Fig.2 The bacterial community composition of pit mud in three states

与新窖泥相比,使用2年后的正常窖泥中Caproiciproducens(1.01%)属相对丰度降低,Lactobacillus(0.55%)属相对丰度升高。有研究指出Lactobacillus属在新窖泥中(5年和7年)是第一优势菌属[13]。本研究中Lactobacillus在新窖泥中(0年)不是优势菌属。随着窖龄的增加,窖泥优势菌属由Lactobacillus主导演变为CaproiciproducensBacteroides等11个细菌属[13]。部分优势属与窖泥微生态稳定和重要风味的产生密切相关,如Lactobacillus会导致窖泥微生态失衡及窖泥退化[17],但其产生的乳酸可与乙醇生成乳酸乙酯,且对杂菌有抑制作用[18]。这也解释了正常窖泥Lactobacillus(34.77%)相对丰度较高的原因。有报道指出Caproiciproducens是重要的酿造功能菌,在窖泥成熟稳定中扮演重要的角色,同时Caproiciproducens是浓香型白酒窖泥中产己酸重要菌群,其丰度在老窖和高质量窖泥中较高[19]

与新窖泥相比,使用2年后变质窖泥中PseudomonasAcinetobacter属相对丰度升高,Bacillus属相对丰度降低。有研究发现Bacillus属的次级代谢产物与窖泥中物质相互作用和反应能调节白酒风味和维持窖泥稳定的酸碱度环境,对维护窖泥生态平衡具有重要作用[20]。变质窖泥中Bacillus属相对丰度降低,可能是影响窖泥变质的重要原因之一。

使用后正常和变质窖泥相比,Petrimonas(1.82%)和Proteiniphilum(1.12%)属在正常窖泥中相对丰度高于变质窖泥,且二者均为正常窖泥中的优势菌属。Petrimonas能以糖类作为底物生长,通过发酵糖类产生CO2,维持窖池的厌氧环境[19],Proteiniphilum可能参与蛋白质代谢,代谢碳水化合物生成乳酸、乙酸和丁酸等有机酸[21]PetrimonasProteiniphilum均为老窖泥中的优势菌属,二者属于产乙酸细菌,其代谢物构成了重要的白酒风味物质或前体物质,能与标志窖泥老熟的甲烷菌共生[22]。且二者常作为优势菌属存在于南方地区老窖泥、老熟窖泥或优质窖泥中[23]

整体来看,Caproiciproducens在变质和正常窖泥中是非优势属,CaproiciproducensPetrimonasProteiniphilum是正常和新窖泥中的优势菌属。报道显示,CaproiciproducensPetrimonasProteiniphilum都是老窖泥中的优势菌属[15],而本研究中三者都是新窖泥中的优势物种。Clostridium是新窖泥中的优势菌属,Clostridium能将乙醇和乳酸转化为己酸[24]等浓香型白酒呈香组分的前体物质,且Clostridium在维护窖泥质量和微生物群落稳定等方面至关重要,是窖泥微生物相关性网络枢纽[25]

2.3 不同状态窖泥细菌群落结构差异

从3种状态窖泥(变质、正常和新窖泥)细菌群落组成来看,其细菌组成存在差异。因此,利用PCA分析了3种状态窖泥细菌群落间的差异,结果如图3所示。3种状态窖泥各自聚为一类,说明3种窖泥细菌群落结构存在差异。其中,变质窖泥与新窖泥样品距离最远,说明这2种窖泥的细菌群落结构差异较大。有研究表明,新窖泥受酿酒环境的影响较小,窖泥的理化性质差异小导致其微生物菌群组成较为相似,而老窖泥处于细菌菌群的过渡演变阶段,故样品分布较为分散[21]。正常窖泥与退化窖泥的微生物群落结构存在显著差异,因此通过微生物群落组成预测窖泥质量是一种可行的方法[21]。随着窖龄的增长,窖泥中的微生物多样性增加[26]

图3 三种状态窖泥细菌群落PCA

Fig.3 PCA of bacterial communitiesin pit mud under three states

2.4 不同状态窖泥间差异物种分析

基于线性判别分析(LEfSe,LDA>3)研究了3种状态(变质、正常和新窖泥)窖泥细菌群落差异物种。结果如图4所示,变质窖泥中有4个差异属,分别为LysinibacillusAcinetobacterPseudomonas和JG30-KF-CM45,正常窖泥中有5个差异属,分别为LactobacillusBacillusPetrimonasPlanococcaceaeKurthia。新窖泥中有11个差异属,分别为ClostridiumPseudolabrysCaproiciproducens等属。变质窖泥中的LysinibacillusAcinetobacter属、正常窖泥中Lactobacillus属和新窖泥中Clostridium属的LDA值最大,是造成3种状态窖泥细菌群落差异的主要推动者。

图4 三种状态窖泥间的差异物种

Fig.4 Differential species analysis of pit mud in different states

与新窖泥相比,正常窖泥中主要差异物种为LactobacillusBacillusPetrimonas等。Lactobacillus代谢产生的乳酸和乙酸是乳酸乙酯的代谢前体物质,对白酒的口感和风味有重要影响[27]。基于之前研究可知Petrimonas具有产乙酸的能力,一定程度上会影响白酒风味成分的形成[19],Bacillus能调节白酒风味和维持窖泥菌群稳定的生存环境[28]

与变质窖泥相比,新窖泥中主要差异物种为ClostridiumCaproiciproducens等。研究显示,CaproiciproducensClostridium产生的中长链脂肪酸具有抑制Lactobacillus生长的功能[29],且Caproiciproducens相对丰度的增加对Lactobacillus的抑制作用会增强,导致其优势地位下降[5]Clostridium既保证乳酸菌含量不过高,也能抑制杂菌的生长,对于维持菌群结构稳定有重要作用[21],Clostridium的存在是维持新窖泥不变质的原因之一。也有研究指出ClostridiumLactobacillus可能是快速识别新老窖泥的指标微生物[6]。虽然有研究指出,乳酸菌含量过高会影响窖泥的品质[30],但其产生的乳酸菌可与乙醇生成乳酸乙酯,同时对杂菌的生长有一定的抑制作用[18]。这对于维持窖泥发酵前期动态平衡的微生物群落环境有重要作用,为酿酒有益微生物提供适宜生长繁殖的场所[31]

与正常窖泥相比,变质窖泥中主要差异物种为LysinibacillusAcinetobacter等。Lysinibacillus是变质窖泥中的优势菌属[7],酿酒车间环境和窖泥营养条件的变化会导致微生物菌群结构发生变化,促使功能菌群丰度下降、有害代谢产物不断富集,这也是造成窖泥变质的重要原因[16]

2.5 不同状态窖泥细菌群落功能分析

基于16S rDNA利用PICRUSt对不同状态(变质、正常和新窖泥)窖泥群落功能进行预测,结果如图5所示。与新窖泥相比,使用2年后正常窖泥中复制和修复功能所占比例升高(由4.3%到5.3%),其他次级代谢物的生物合成功能所占比例降低(由2.5%到1.7%)。与新窖泥相比,使用2年后变质窖泥中其他次级代谢物的生物合成与萜类和多酮类化合物的代谢功能所占比例降低(分别为由2.5%到1.8%,由9.6%到7.8%)。萜类化合物与酒香气的关键成分有关[32]。正常和变质窖泥相比,变质窖泥中氨基酸代谢功能所占比例升高(由12.9%到14.3%)。氨基酸是微生物生长和代谢的重要营养物质,在一定程度上影响白酒的发酵和风味物质的产生[33]

图5 三种状态窖泥KEGG预测功能组成

Fig.5 Composition of KEGG predicted functions in three states of pit mud

整体来看,氨基酸代谢和碳水化合物代谢在3种窖泥中所占比例最高,变质窖泥中分别为14.3%和12.6%、正常窖泥中14.1%和12.8%,新窖泥中12.9%和13.3%。有报道指出,浓香型白酒发酵过程中由淀粉、纤维素和蔗糖等降解产生的葡萄糖,是窖泥微生物生长代谢中所必需的营养元素[34]。酿酒原料被微生物分解转化的过程中,能量代谢、碳水化合物代谢和氨基酸代谢都涉及此途径。其中碳水化合物经糖酵解、丙酮酸代谢及三羧酸循环等代谢途径可产生乙醇、乙酸和丁酸等物质,对白酒风味和品质具有重要影响[35]

可以看出氨基酸代谢和碳水化合物代谢在酿酒发酵过程中的重要性。随着窖龄的增加,碳水化合物代谢所占比例提高,老窖泥贡献了更多有利于酿酒原料分解利用的功能基因,正是有关物质代谢基因数量的细微调整造成了白酒品质上的优劣[34]。窖泥的变质与否对这2种功能的影响并不明显,这可能与窖泥使用年限过短有关。研究表明,氨基酸代谢、碳水化合物代谢、能量代谢和脂质代谢呈现出随着年代的增长而略微增加的趋势[34],而本研究中能量代谢(4.8%、4.9%和4.9%)随时间的增长呈下降的趋势。

在对上述3种状态窖泥功能进行预测后,发现3种状态窖泥的功能组成在代谢通路上有较大差异。随后进一步对3种状态窖泥进行代谢通路差异分析。图6-a为变质窖泥(B)与新窖泥(Y)间的差异代谢通路分析,微生物代谢相关通路(ko00980)显著上调(P<0.05),ko03040、ko03050、ko05010、ko05322、ko04113、ko00943和ko00401等显著下调(lgFC<-2,P<0.01)。其中代谢调控和发酵稳定性(ko03040)与酯类代谢(ko04113)相关代谢通路显著下调(P<0.05)。有研究指出酯类化合物在成熟阶段的窖泥中含量较为丰富,主要为己酸乙酯[36]。而浓香型白酒主要以己酸乙酯作为典型的风味成分[31],酯类代谢基因的下调,势必会影响其白酒品质和风味。图6-b为正常窖泥(Z)与新窖泥(Y)间的差异代谢通路分析,微生物代谢相关通路(ko00980)显著上调(P<0.001),ko05100、ko00965、ko05322、ko05010、ko04113、ko00943和ko00401等显著下调(lgFC<-2,P<0.05)。其中香气物质合成(ko00943)和前体风味物质代谢(ko03050)相关通路显著下调(P<0.05)。ko00943和ko03050的下调说明随着时间的延长,正常窖泥中的这些基因丰度是高于新窖泥的,说明老窖泥的使用会影响酒的风味。变质窖泥与正常窖泥间未发现差异代谢通路,说明窖泥变质与否不会改变其代谢通路。基于前面的研究可知,窖泥是否变质也不会影响其功能组成,可能是因为窖泥的使用周期(2年)太短,窖泥变质还在初期,对功能暂未形成较大影响。

a-变质窖泥(B)与新窖泥(Y)间的差异代谢通路;b-正常窖泥(Z)与新窖泥(Y)间的差异代谢通路

图6 三种状态窖泥的差异代谢通路

Fig.6 Differential metabolic pathways of pit mud in three states

3 结论

本研究比较了北方地区变质、正常和新窖泥细菌群落结构多样性差异,并预测了3种窖泥间的功能差异。结果表明,3种窖泥在细菌多样性上无显著差异,但新窖泥在细菌丰富度上显著高于变质和正常窖泥。与新窖泥相比,使用2年后的窖泥中CaproiciproducensLactobacillusPseudomona等属相对丰度发生变化。PetrimonasProteiniphilum属在正常窖泥中相对丰度高于变质窖泥。3种窖泥间的主要差异物种为LysinibacillusAcinetobacterLactobacillusClostridium。基于PICRUSt的功能预测结果表明,与新窖泥相比,使用2年后窖泥中复制和修复功能、其他次级代谢物的生物合成功能与萜类和多酮类化合物的代谢功能占比发生变化。正常和变质窖泥相比,变质窖泥中氨基酸代谢功能占比升高。变质窖泥与新窖泥相比,微生物代谢(ko00980)、代谢调控和发酵稳定性(ko03040)和酯类代谢(ko04113)相关代谢通路发生显著变化。正常窖泥与新窖泥相比,微生物代谢(ko00980)、香气物质合成(ko00943)和前体风味物质代谢(ko03050)相关代谢通路发生显著变化。本研究结果明确了变质、正常和新窖泥的细菌群落结构多样性及物种差异,从物种和功能层面为北方浓香型白酒企业优化窖池窖泥品质,延缓人工窖泥劣变提供了理论支撑。然而,基于非培养技术的细菌物种研究存在一定的局限性。窖泥中除细菌外还存在真菌等其他生物,结合理化指标、宏基因组和代谢组学等多组学的方法能够进一步解析不同状态窖泥间的差异。

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Study on the differences in bacterial communities of spoiled, normal and new pit mud

SHEN Jijian1, QIAO Meiling1, CAI Xiangdong2, CHEN Zhongjun1, SUN Ziyu1, Mandlaa1*

1(College of Food Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

2(Inner Mongolia Mongolian King Industrial Co.Ltd., Tongliao 028000, China)

ABSTRACT In this study, high-throughput sequencing technology was employed to comparatively analyze the bacterial diversity and species composition of three types of pit mud (deteriorated after 2 years of use, normal after 2 years of use, and fresh), and to investigate the species and functional differences of bacterial communities among pit mud in different states.The results showed that there was no significant difference in Shannon index among the three types of pit mud (P>0.05).However, Chao1 index of fresh pit mud was significantly higher than that in both deteriorated and normal pit mud (P<0.05), while no significant difference was observed between deteriorated and normal pit mud (P>0.05).Compared with fresh pit mud, the relative abundance of Caproiciproducens decreased, whereas that of Lactobacillus increased in normal pit mud after 2 years of use.Meanwhile, in deteriorated pit mud after 2 years of use, the relative abundances of Pseudomonas and Acinetobacter increased, while that of Bacillus decreased.Additionally, the relative abundances of Petrimonas and Proteiniphilum, the dominant genera in normal pit mud, were higher than those in deteriorated pit mud.The results of PICRUSt indicated that the proportion of replication and repair functions in normal pit mud that had been used for 2 years increased, while the proportion of biosynthetic functions of other secondary metabolites decreased compared with new pit mud.Meanwhile, in the deteriorated pit mud used for 2 years, the proportions of both the biosynthetic function of other secondary metabolites and the metabolic function of terpenoids and polyketides decreased.Compared with new pit mud, the metabolic pathways related to microbial metabolism (ko00980) in deteriorated pit mud were significantly upregulated (P<0.05), while the metabolic pathways related to metabolic regulation and fermentation stability (ko03040) and ester metabolism (ko04113) were significantly downregulated (P<0.05).However, in normal pit mud, the metabolic pathways related to aroma substance synthesis (ko00943) and precursor flavor substance metabolism (ko03050) were significantly downregulated (P<0.05).This study can provide a theoretical basis for improving the quality of pit mud used in northern Strang-flavor Baijiu production.

Key words high-throughput sequencing;different states;dimensionality reduction;bacterial community;functional prediction

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.043440

引用格式:沈纪健,乔美灵,才向东,等.变质、正常及新窖泥间细菌群落差异研究[J].食品与发酵工业,2026,52(13):114-121.SHEN Jijian, QIAO Meiling, CAI Xiangdong, et al.Study on the differences in bacterial communities of spoiled, normal and new pit mud[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(13):114-121.

第一作者:硕士研究生(满都拉副教授为通信作者,E-mail:Mandlaa@foxmail.com)

基金项目:内蒙古自然科学基金面上项目(2025MS03138);国家自然科学基金地区项目(32060533)

收稿日期:2025-05-31,改回日期:2025-11-21