茅台酒酿造优势功能微生物拜尔接合酵母和地衣芽孢杆菌相互作用的分子机制

Maotai-flavor liquor is a famous traditional Chinese beverage. It is resulted from the mixed fermentation of dominant species, which played important roles in liquor fermentation. Therefore, a scientific investigation into the microbial interactions of dominant species, mechanism of fermentative process, and the application of modern biotechnology in fermentation innovation, would be significant for the development of making industry of Maotai-flavor liquor. The project is aimed to dealing with the major issues involving microbial consortia in Maotai-flavor liquor fermentation process, which is to revealing the molecular mechanisms involved in microbial interactions of the dominant species, Zygosaccharomyces bailii and Bacillus licheniformis, which contributed to produce ethanol and soy sauce flavor, respectively. The work is going to reveal the molecular mechanism of mixed-culture growth using the mixed-culture transcriptome analysis, obtain the functional genes and the related metabolic pathways, and recognize the types of signaling moleculars, then propose models of microbial interaction process. In addition, it is going to improve the microbial interaction to obtain a desirable mixed culture system. Furthermore, it will simulate the fermentative process of Maotai-flavor liquor with solid state fermentation process, and regulate and optimize the fermentation process based on the characteristics of the mixed culture system. At last, it will apply the functional strains and the regulation strategy to Maotai-flavor liquor making process. This work would not only explain the basic theory issues of liquor making process, but also standardize and modernize the making industry of Maotai-flavor liquor.

茅台酒是中国最著名的白酒之一，它是由酿造优势功能微生物共同发酵相互作用的产物。科学认识茅台酒酿造优势功能微生物相互作用机制，解析茅台酒酿造机制，并应用现代生物技术对其酿造工艺进行技术创新，对茅台酒的技术发展和进步具有重要的现实意义。本项目以揭示酿造优势功能微生物相互作用分子机制为目标，拟进行主产酒精的拜尔接合酵母和主产特征风味酱香的地衣芽孢杆菌组合发酵的研究，通过微生物组合发酵全基因组表达谱的分析，解析两者相互作用相关功能基因及其表达调控机制，获得产生相互作用的信号分子，提出两者相互作用模型；并改进两者相互关系，构建优良组合发酵体系；最后，建立微生物组合固态发酵策略，并在茅台酒固态发酵生产中进行调控与验证。本研究不但对于解决茅台酒生产过程中的关键基础理论问题具有重要的作用，对于茅台酒品质与生产效率的提升，以及茅台酒酿造的标准化与现代化也具有重要的实际价值。

本项目以茅台酒自然发酵系统中的重要科学问题为导向，旨在揭示茅台酒酿造优势功能微生物之间的相互作用分子机制，剖析茅台酒酿造机制的关键理论问题。主要内容与结果如下：.1. 针对茅台酒酿造中优势Z. bailii特征与功能不清的问题，解析Z. bailii 15独特理化特征，该菌株不仅具有较强乙醇代谢能力，还能产生更多酸类，酯类和醛类物质，与茅台酒酿造来源的酿酒酵母相比，可生产19种特有的风味化合物，首次表明Z. bailii 15对酱香型白酒风味具有积极作用。.2. 针对Z. bailii代谢机制不清的问题，首次解析茅台酒酿造中Z. bailii 15全基因组序列。该菌基因组大小是模式株ATCC 58445的2倍，为目前发现的第二个接合酵母杂合体；发现Z. bailii 15可通过Harris途径和Ehrlich两条途径同时代谢生成风味物质；并通过代谢组与转录组揭示了白酒酿造高温下该菌通过增强氨基酸转运与代谢而增强其产酸和醛类物质代谢活力的机制。.3. 针对Z. bailii 15与产酱香B. licheniformis MT6互作不清的问题，通过微生物共培养技术研究两者相互作用。发现两者共培养时醇类、酸类、酯类和醛类物质代谢能力明显提高，表明两者相互作用对茅台酒风味具有正向贡献。.4. 采用共培养转录组学分析技术，研究Z. bailii 15与产酱香功能B. licheniformis MT6相互作用机制。发现共培养模式下，Z. bailii 15中大量碳水化合物代谢、能量代谢、其它氨基酸代谢途径的基因表达显著上调，其中碳水化合物和氨基酸代谢活力的上调增强了菌株风味物质合成。.5. 建立Bacillus与Z. bailii 菌株组合优化研究，并在白酒生产中进行应用研究，在出酒率保持稳定的前提下，大部分酯类、醇类和酸类物质含量明显增加，实现了两种酱香型白酒中功能微生物的有效组合应用，提高了白酒的优质品率。.本项目首次从微生物相互作用的角度去认识茅台酒酿造机制，阐明微生物相互作用分子机制。对深入揭示酱香型茅台酒酿造机制，解决茅台酒生产过程中的关键基础理论问题具有重要的作用；同时对于中国白酒酿造的标准化和现代化都具有重要的实际意义。