长乐甜米酒发酵过程中风味化合物和微生物群落的变化

《LWT》：Changes in flavor compounds and microbial communities during Changle Sweet Rice Wine fermentation

　　本文系统探究了Changle甜米酒发酵过程中微生物群落动态与风味化合物演变的关联机制。通过整合高通量测序、气相色谱-质谱及电子舌技术，揭示了根霉（Rhizopus）和芽孢杆菌（Bacillus）通过酶解作用及代谢协同生成乙基棕榈酸、苯乙醇等关键风味物质，同时有机酸（苹果酸、乳酸、乙酸）与游离氨基酸网络调控酸度及口感特征。研究阐明了微生物代谢途径与风味形成的相互作用机制，为发酵工艺优化和品质控制提供了科学依据。

　　本文聚焦于长沙甜酒发酵过程中微生物群落动态与风味化合物演变之间的关系，旨在揭示微生物如何通过其代谢活动影响酒的感官特性。长沙甜酒作为一种具有地方特色的传统发酵产品，不仅承载着丰富的文化内涵，也在现代消费者对“营养、温和、功能性”食品的追求中占据重要地位。研究采用多种先进技术，如高通量测序、气相色谱-质谱联用（GC-MS）和电子舌等，对发酵过程中微生物群落结构和风味化合物的种类及含量进行系统分析，以深入理解其风味形成机制，并为该酒的工业化生产提供科学依据和技术支持。

### 微生物群落的动态变化

在发酵的不同阶段，微生物群落的组成和相对丰度呈现出显著变化。初始阶段（0小时），主要的微生物包括霉菌（如Rhizopus）和非Saccharomyces酵母（如Mrakia）。Rhizopus作为发酵启动阶段的关键微生物，通过分泌淀粉酶将糯米中的淀粉分解为葡萄糖和其他可发酵糖，为后续酵母的生长和发酵提供必要的碳源，同时为风味化合物的合成奠定物质基础。此时，Rhizopus的相对丰度约为27%。到了12小时，Rhizopus的相对丰度迅速增加至98%，成为发酵过程中的优势菌群。在18至36小时，Rhizopus的丰度保持稳定，发酵进入稳定期，风味化合物的生成也趋于平稳。其他如Wickerhamomyces等菌种虽然检测到，但其相对丰度较低，可能在二次代谢过程中发挥辅助作用。

与此同时，细菌群落也在发酵过程中发生变化。初始阶段，主要的细菌包括Serratia、Ralstonia和Acinetobacter，这些细菌在氧气丰富的环境中迅速增殖。Serratia通过分泌蛋白酶和脂肪酶，将糯米中的蛋白质和脂肪分解为氨基酸和游离脂肪酸，而Ralstonia则具有糖酵解活性，Acinetobacter则具备较强的脂质分解能力，将其转化为游离脂肪酸，尽管其酸耐受性较弱。到了12小时，Bacillus和Enterobacter成为优势菌群，它们的相对丰度迅速增加。Bacillus分泌的蛋白酶将糯米中的蛋白质分解为氨基酸，这些氨基酸通过美拉德反应与还原糖结合，赋予酒体鲜味和清新感。此外，Bacillus还通过强酶活性产生丰富的代谢产物，合成有机酸。Enterobacter则通过代谢产生如醋酸和2,3-丁二醇等物质，与酒精结合形成酯类，从而增强酒体的果香。

### 风味化合物的演变

风味化合物的种类和含量在发酵的不同阶段也发生了显著变化。有机酸在调节甜酒酸度方面发挥着重要作用，包括苹果酸、乳酸、醋酸、柠檬酸、琥珀酸、酒石酸和草酸。这些有机酸的浓度在发酵过程中迅速上升，达到峰值后略有下降。草酸和酒石酸的含量变化较小，但可能对风味的复杂性产生影响。研究还发现，氨基酸的种类和含量在发酵过程中呈现出动态变化，其对酒体的口感特性（如回甘、涩感和浓郁感）具有显著影响。

挥发性风味化合物的种类和含量在发酵过程中同样变化显著。HS-SPME-GC-MS分析显示，共有94种挥发性风味化合物被检测到，包括酯类（26种）、醇类（15种）、醛类（16种）、酚类（2种）和萜烯类（14种）。在发酵的初始阶段（0小时），仅检测到微量的醇类（如乙醇）和醛类（如乙醛），主要来源于糯米和启动剂的固有成分。随着发酵的进行，这些化合物的种类和浓度逐渐增加，尤其是酯类如乙基棕榈酸和乙基油酸，以及醇类如异戊醇和苯乙醇，它们的含量显著上升，为酒体带来丰富的果香和花香。到了24小时，非酯类挥发性化合物的含量下降，这可能是由于该阶段酯化反应的增强所致。在36小时和42小时，挥发性风味化合物的种类和浓度逐渐趋于稳定，但仍然存在细微变化，表明发酵过程仍在进行中，对风味的形成具有持续影响。

### 感官分析与风味形成机制

感官分析结果显示，不同发酵阶段的酒体在酸度、甜度、苦味、鲜味、咸味和涩感等方面表现出显著差异。例如，甜度在初始阶段（0小时）达到最高，主要来源于糯米中的固有碳水化合物。随着发酵的进行，酵母将糖转化为乙醇和代谢产物，甜度逐渐下降。在12小时至24小时，甜度显著降低，表明糖的代谢基本完成。酸度则在发酵过程中逐渐增强，主要由酸性微生物（如Bacillus）产生的乳酸、醋酸和苹果酸驱动。在12小时至18小时，酸度达到峰值，而经过灭菌处理的成品酒酸度略有下降，可能是由于灭菌过程中部分有机酸被分解。

苦味呈现出先降低后增加的趋势，可能与苦味代谢物（如氨基酸衍生物或微生物的次级代谢产物）的消耗和新的苦味化合物的形成有关。鲜味则与氨基酸的积累密切相关，其强度在24小时至36小时显著增强，反映了酒体中高浓度的鲜味物质（如谷氨酸）。咸味和涩味则表现出较小波动，咸味可能与原料中的矿物质含量和发酵过程中离子的释放有关，而涩感则可能与多酚或蛋白质变性有关，这些因素共同作用，赋予酒体丰富的感官层次。

### 微生物与风味化合物的关联

进一步的关联分析揭示了微生物群落与风味化合物之间的密切联系。Rhizopus和Bacillus在发酵过程中对多种风味化合物（如苯甲醛、乙基棕榈酸和乙基油酸）表现出显著的正相关性。Rhizopus通过分泌特定的酶（如酯酶）促进酯类化合物的形成，而Bacillus则通过其代谢途径（如Ehrlich途径）间接参与芳香醇的合成。此外，Wickerhamomyces也与醇类和酯类表现出正相关，其糖酵解代谢产物可能作为风味化合物的重要前体。值得注意的是，Rhizopus和Bacillus的协同作用通过酶促水解、酯化和代谢协同，显著促进了特征风味化合物的形成，为甜酒赋予了独特的果香、花香和酯香。

### 电子鼻与电子舌的应用

电子鼻和电子舌的分析进一步揭示了不同发酵阶段酒体风味和口感的变化。电子鼻检测结果显示，不同发酵阶段的酒体在挥发性化合物的组成和浓度上存在显著差异。在发酵的后期阶段，样品点的分布更加分散，表明挥发性化合物的多样性增加，酒体的风味更加复杂。电子鼻的传感器响应表明，W2W（检测芳香化合物）和W2S（检测醇类、醛类和酮类）等传感器对发酵阶段的风味变化具有高度敏感性，它们的响应值与酯类和醇类化合物的含量变化高度相关。

电子舌的分析则展示了酒体在不同发酵阶段的口感特征。例如，甜度在发酵初期最高，随后逐渐下降；酸度则在发酵中期显著上升，最终在灭菌成品中略有下降。这些变化与微生物代谢活动密切相关，如酵母的糖发酵、Bacillus的酸生成和蛋白质水解等。此外，电子舌还检测到酒体中某些氨基酸与口感特征之间的显著关联，如回甘与谷氨酸和天冬氨酸的负相关，涩感与丝氨酸和组氨酸的正相关，以及浓郁感与丝氨酸和亮氨酸的正相关。

### 结论与展望

综上所述，本研究系统揭示了长沙甜酒发酵过程中微生物群落与风味化合物之间的复杂相互作用。Rhizopus和Bacillus的协同作用通过酶促水解、酯化和代谢协同，显著促进了特征风味化合物的形成，为甜酒赋予了独特的果香、花香和酯香。这些微生物的代谢活动不仅调节了有机酸和氨基酸的浓度，还通过其相互作用影响了风味的形成。未来的研究应进一步探讨Rhizopus和Bacillus之间的分子机制，如关键基因和信号通路，以提供更坚实的理论基础用于精准的发酵调控。此外，优化Rhizopus和Bacillus的接种比例和发酵条件，以及系统量化它们对风味化合物增强的影响，将有助于提升甜酒的品质。同时，探索其他潜在影响风味的微生物和代谢产物，有助于全面解析发酵系统中微生物-代谢物-风味网络，为发酵食品的风味调控和新型产品开发提供更广泛的见解。