环境因子对大曲菌群代谢及其曲香风味形成的影响机制

Understanding the relationship between microbial structure and function is the base for rational regulation and utilization of microbial communities. The microbial community plays a core role in traditional fermented foods, it relies on special process conditions and can be repeatedly used for production after long-term practice. Thus, the influence of environmental factor is critical in making fermented foods. Although changes on the microbial community of fermented foods have gradually become clear, its mechanism of microbial genomes and metabolites remains unclear. The purpose of the project is to analyze the regulation of microbial gene expression and metabolic pathways of major flavors in different fermentation stages of medium-temperature Daqu by using metagenomics and metabolomics, and to explore the effects of environmental factors on Daqu microbes and major flavors. This project can provide a scientific basis for better understanding of the key role of environmental factors in regulating and utilizing brewing microbial communities and the formation of major flavor substances, and provide guidance for upgrading of medium-temperature Daqu fermentation technology, for understanding other traditional solid-state fermentation simultaneously.

微生物群落结构及功能认识是实现其理性应用的基础。菌群代谢是传统酿造食品的核心，经过长期生产驯化，能反复重现并用于稳定生产。其中，环境因子对微生物群落代谢及产品质量影响尤为关键。申请人在前期工作中阐明了温度是驱动中温大曲微生物群落结构演替的主要因素，但缺乏大曲生产过程中环境因素对其菌群代谢及曲香物质合成影响的深入研究。本项目拟采用宏组学测序结合代谢组分析等技术进一步分析大曲不同发酵阶段宏基因组与大曲主要曲香化合物的变化规律；结合代谢途径分析及关键酶基因信息挖掘、功能验证等技术，深入探讨环境因素对大曲微生物群落代谢及曲香物质合成的影响机制。项目实施可更好地理解环境因素对大曲菌群功能的调控机制，为改进大曲固态发酵工艺提供理论基础。

本项目以中温大曲作为多菌种固态发酵的典型代表，对其制作过程中的环境因素对微生物群落代谢以及曲香风味物质的形成进行了详细的研究。通过对整个中温大曲发酵过程的宏基因组、宏转录组和代谢组学进行综合分析，揭示了活跃微生物和其参与代谢网络的情况，并基于此研究微生物群落对大曲风味及品质的影响。结果表明，大曲发酵过程中微生物菌群结构复杂、共注释了4,269（宏基因组数据）和3,925个（宏转录组数据）属的微生物类群，且总微生物群落和活跃微生物群落的演替是时间依赖和分阶段的。获得910种非靶代谢物和89种挥发性化合物，它们的动态变化同样具有时间特异性。基于它们的积累模式，将代谢产物与共表达的unigenes分类为4大簇，基于共表达簇的KEGG富集分析和活跃微生物群落的演替规律，每个簇内的成员在整个发酵过程中表现出均匀而清晰的丰度模式。揭示了Limosilactobacillus、Staphylococcus、Pichia、Rhizopus和Lichtheimia在大曲发酵早期阶段是代谢活跃的微生物群体，它们的代谢活动有利于释放丰富的能量，推动多种基础代谢如碳水化合物和氨基酸的进行。随后，在发酵的高温期和发酵末期，多种耐热丝状菌是转录活跃的种群，它们既充当糖化剂，又充当风味化合物的生产者，特别是芳香化合物，表明它们对成熟大曲的酶活性和香气的有着重要的贡献。同时对大曲碳水化合物、氨基酸和芳香化合物的代谢通路进行构建。发现不同微生物的组合和剂量会对大曲的品质和风味物质有着重要的影响。通过本项目研究，明确了中温大曲中活跃微生物与代谢物之间的关系，并构建了其主要风味物质的合成代谢途径，为指导大曲功能菌群的开发利用和优化提供了科学的理论基础。