揭密“微生物密碼”：從“道”的層面解讀茅臺(tái)傳統(tǒng)工法

　　對(duì)釀酒行業(yè)來說，“得微生物者得天下”。

　　白酒釀造微生物體系復(fù)雜，這種復(fù)雜造就了傳統(tǒng)白酒豐富的風(fēng)味特征。每一個(gè)傳統(tǒng)名優(yōu)白酒背后都有一套經(jīng)過歷史和實(shí)踐證明的傳統(tǒng)工法，以工匠技藝充分調(diào)動(dòng)、平衡復(fù)雜的微生物體系，確保了產(chǎn)品品質(zhì)。但是，對(duì)于釀造環(huán)境和過程到底有多少微生物，它們來自于哪里，它們之間怎么相處，怎樣能夠保持體系的穩(wěn)定性，很多仍然是未知數(shù)。

　　2022年3月20日，在茅臺(tái)(600519)科技創(chuàng)新和人才工作大會(huì)上，丁雄軍董事長提出了茅臺(tái)的“六個(gè)密碼”，指出“釀造微生物是茅臺(tái)最關(guān)鍵的密碼，貫穿茅臺(tái)酒每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是密碼中的密碼�！苯沂具@密碼中的密碼，才能明白傳承之“道”，清楚保護(hù)什么？傳承什么？創(chuàng)新什么？

　　早在約60年前的“兩期試點(diǎn)”，茅臺(tái)即開始對(duì)釀酒微生物進(jìn)行分離鑒定，就是想通過研究微生物揭開茅臺(tái)酒的品質(zhì)秘訣。但是限于研究手段，之后的五十年對(duì)微生物的研究仍處于“盲人摸象”階段。2005年，茅臺(tái)與中科院微生物所合作建立了行業(yè)第一個(gè)白酒微生物菌種資源庫，用可培養(yǎng)方式保藏微生物菌種79種近1000株，這也是第一次揭示了茅臺(tái)釀造過程微生物的種類和數(shù)量。2012年，高通量測序技術(shù)引進(jìn)，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)陸續(xù)集成，因?yàn)橛辛诉@些微生物研究的“利器”，對(duì)微生物的研究才能由“量變”到“質(zhì)變”。

　　近十年的茅臺(tái)微生物研究，是構(gòu)建技術(shù)體系的十年，也是努力“解碼”的十年，集中回答了以下四個(gè)科學(xué)問題。

　　茅臺(tái)釀造過程存在哪些微生物？

　　傳統(tǒng)白酒是固態(tài)發(fā)酵，基質(zhì)中氣、液、固三態(tài)并存，宏觀相對(duì)穩(wěn)定，微觀非均衡分布，提供了容量更大的立體網(wǎng)絡(luò)化界面，形成了一個(gè)多樣化的微生物王國，造就了傳統(tǒng)釀造微生物體系極端復(fù)雜、種類繁多。

　　白酒固態(tài)發(fā)酵造體系示意圖

　　10年來，對(duì)曲醅、酒醅和釀造環(huán)境中約9800余個(gè)樣品進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)的微生物種類多達(dá)1946種，其中細(xì)菌1063種，真菌883種，這個(gè)數(shù)字也是當(dāng)前行業(yè)可見文獻(xiàn)報(bào)道中最多的，進(jìn)一步證明了茅臺(tái)酒釀造體系的復(fù)雜性和多樣性。解析的同時(shí)產(chǎn)生了4184G的生物信息，通過提取這些生物信息的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)微生物體系常態(tài)化定期監(jiān)測，能夠及時(shí)掌握釀造微生物的變化情況，踏出了“知其所以然”的第一步。

　　這1946種微生物可以檢測到的，在有物種信息和生物信息之后，更重要的是拿到“活體”資源，才能進(jìn)行下一步研究。通過對(duì)生物信息分析，模擬釀造過程及環(huán)境設(shè)計(jì)培養(yǎng)基，進(jìn)行條件優(yōu)化，當(dāng)前茅臺(tái)菌種資源庫已累計(jì)達(dá)到159種釀造微生物，獲取活體菌種資源比例達(dá)到10.2%，遠(yuǎn)超常規(guī)微生態(tài)的獲取比例。在微生物的個(gè)體水平保存了7400株，規(guī)模已經(jīng)達(dá)到“中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心”官網(wǎng)公布的12000株的60%，值得一提的是，這一中心保藏的菌種針對(duì)所有工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域。至“十四五”末，茅臺(tái)菌種資源庫規(guī)模將擴(kuò)大到300種，個(gè)體規(guī)模達(dá)到15000株的水平，這些菌種將做為茅臺(tái)核心資源永續(xù)傳承下去。

　　這些微生物來自于哪里？

　　應(yīng)用目前最新的Source Tracker和Feast溯源方法，通過對(duì)大曲、酒醅、環(huán)境、工用具及原料等3000余個(gè)樣品進(jìn)行分析，確認(rèn)前述1946種微生物主要來源于大曲、原輔料、場地和工用具。其中，制曲過程的細(xì)菌主要來源于母曲、小麥和水，真菌則主要來源于母曲；制酒過程的細(xì)菌主要來源于大曲，真菌主要來源于釀造環(huán)境，特別是重要的功能菌畢赤酵母和釀酒酵母主要來源于晾堂地面以及工用具。這一系列研究結(jié)果佐證了一些世代相傳下來的傳統(tǒng)操作、設(shè)施的科學(xué)性，例如，茅臺(tái)酒傳統(tǒng)工法要訣中對(duì)母曲培養(yǎng)、優(yōu)選的嚴(yán)格要求，高溫大曲、高溫堆積，“三合土”晾堂制作，因時(shí)因地?cái)偭啦僮鳎�每日限制最大操作排�?shù)等，其目的都是為了加大環(huán)境微生物的接種量，培養(yǎng)出能夠釀造出茅臺(tái)酒風(fēng)格特征的微生物菌系，這是“知其所以然”的第二步，從微生物的需求出發(fā)讓我們知道了傳統(tǒng)工藝中哪些是重要核心。

　　微生物間怎么相處？

　　在我們常規(guī)認(rèn)知中，微生物間的關(guān)系應(yīng)為兩兩互作，呈現(xiàn)二維平面的狀態(tài)。然而，通過宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)解析核心功能菌群物種結(jié)構(gòu)，獲取的大量生物信息數(shù)據(jù)經(jīng)過共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)算法建模，發(fā)現(xiàn)釀造微生物間互作關(guān)系是多維互作，呈現(xiàn)立體拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，用此研究體系深入解析了茅臺(tái)酒產(chǎn)醇核心功能菌群、產(chǎn)酸核心功能菌群兩大類群內(nèi)以及兩個(gè)類群間協(xié)作關(guān)系，進(jìn)行了窖底梭菌體系多樣性研究，均呈現(xiàn)這樣的規(guī)律。

　　茅臺(tái)釀造微生物間的“智慧相處”示意圖

　　微生物間協(xié)作還受到產(chǎn)區(qū)、工法、技藝等的影響。對(duì)茅臺(tái)釀造核心產(chǎn)區(qū)、和義興優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)和習(xí)酒產(chǎn)區(qū)環(huán)境空氣的微生物群落解析發(fā)現(xiàn)，茅臺(tái)釀造產(chǎn)區(qū)的微生物結(jié)構(gòu)與另外兩個(gè)產(chǎn)區(qū)顯著不同，和義興產(chǎn)區(qū)和習(xí)酒產(chǎn)區(qū)微生物結(jié)構(gòu)有相似之處，但又存在明顯不同。對(duì)茅臺(tái)酒釀造環(huán)境、釀造過程、周邊環(huán)境以及其他區(qū)域的100余株釀酒酵母進(jìn)行全基因組重要測序和生物信息學(xué)分析工作發(fā)現(xiàn)，茅臺(tái)酒釀造環(huán)境和酒醅來源的釀酒酵母單獨(dú)聚成一支，表現(xiàn)出明顯的特異性，表明茅臺(tái)核心產(chǎn)區(qū)長期的釀造活動(dòng)篩選進(jìn)化出獨(dú)特的釀酒酵母，為茅臺(tái)酒的釀造提供了優(yōu)質(zhì)酵母資源。

　　茅臺(tái)釀造酵母的遺傳獨(dú)特性

　　這些研究結(jié)果表明，釀造微生物間以某一核心功能集結(jié)而成微生物組，以立體拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)作，為達(dá)成統(tǒng)一目標(biāo)而努力，而且參與的功能微生物越多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)密度越大，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗壓能力和更高的恢復(fù)能力，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)越好。各個(gè)功能微生物組間也以立體拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)作，參與的微生物越多樣，網(wǎng)絡(luò)密度越大，柔韌性、抗壓性越強(qiáng)，越向有利于發(fā)酵質(zhì)量穩(wěn)定的一面進(jìn)行，這正是釀造微生物間的“智慧相處”之道。微生物結(jié)構(gòu)組成及其穩(wěn)定性受到所在產(chǎn)區(qū)環(huán)境，以及所使用的不同傳統(tǒng)工法和傳統(tǒng)技藝影響，微生物體系的穩(wěn)定性正是傳統(tǒng)工法長期“馴化平衡”的結(jié)果。這是在“知何由以知其所以然”邁出的重要一步。

　　這些微生物都起什么作用？

　　要解析清楚1946種每種微生物的代謝功能是一個(gè)宏大的工程，可能需要幾代人的努力。

　　茅臺(tái)通過17年的研究積累，8年的科研攻關(guān)，先后構(gòu)建、完善并形成了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化工作流程（SOP），兩個(gè)SOP的順利應(yīng)用，可以讓我們清楚的認(rèn)識(shí)到微生態(tài)體系中各微生物單體或群體是如何各就其位、各司其職的。

　　第一個(gè)SOP主要研究和解決的是關(guān)鍵微生物“產(chǎn)什么”的問題。主要從已建的茅臺(tái)菌種資源庫出發(fā)，選擇關(guān)鍵功能微生物，應(yīng)用全基因組測序技術(shù)獲得單株微生物的生物信息數(shù)據(jù)資源，再通過多種數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因功能注釋，繪制全局代謝網(wǎng)絡(luò)，確定特定代謝途徑。當(dāng)前使用此流程已解析了宛氏擬青霉、東方伊薩酵母等17種39株關(guān)鍵核心微生物的全基因組注釋及代謝途徑解析。

　　全基因組測序技術(shù)的風(fēng)味溯源體系構(gòu)建

　　第二個(gè)SOP是基于特征風(fēng)味導(dǎo)向的溯源調(diào)控機(jī)制建設(shè)，主要研究和解決的是關(guān)鍵風(fēng)味“誰來產(chǎn)”的問題。對(duì)于特殊風(fēng)味的基酒，首先應(yīng)用風(fēng)味組學(xué)確定其主要貢獻(xiàn)物質(zhì)，尋找產(chǎn)生特殊風(fēng)味的酒醅或者曲胚，分離培養(yǎng)出目標(biāo)微生物后，應(yīng)用上一個(gè)SOP流程進(jìn)行代謝途徑和機(jī)制解析，回答“誰來產(chǎn)”的問題。用這一SOP，完成了水果香、花香、酸香等7種主要風(fēng)味的微生物溯源和代謝解析，一些重要風(fēng)味的代謝途徑解析，已轉(zhuǎn)化應(yīng)用為工藝調(diào)控措施，在輔助傳統(tǒng)工法達(dá)到更好工藝控制科學(xué)性方面邁出了重要一步。

　　日積跬步，終至千里。至十四五末，將繼續(xù)解析30-50種關(guān)鍵微生物的代謝途徑，逐步積累而成茅臺(tái)核心“知識(shí)庫”，代代傳承。

　　最新研究結(jié)果還表明，茅臺(tái)大曲、酒醅中存在環(huán)狀肽、槲皮素、麥甾醇、抑菌素、生育酚等27種天然活性物質(zhì)，這也為挖掘功能微生物及實(shí)現(xiàn)工程菌轉(zhuǎn)化應(yīng)用指明了方向，為茅臺(tái)未來生態(tài)產(chǎn)品開發(fā)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了無限可能。

　　過去十年，茅臺(tái)通過多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用、跨學(xué)科技術(shù)集成、生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)論證，基本構(gòu)建形成以釀造微生物多樣性、穩(wěn)定性和功能微生物代謝機(jī)制為三大核心的釀造原理基礎(chǔ)研究體系，一定程度闡釋了傳統(tǒng)工藝機(jī)理，揭開了傳統(tǒng)工法的神秘面紗一角。

　　但對(duì)復(fù)雜釀造微生物體系和傳統(tǒng)工藝的科學(xué)內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)依然只是“冰山一角”。

　　未來十年，將持續(xù)引進(jìn)集成多種微生物研究先進(jìn)技術(shù)手段，豐富微生物菌種資源庫，深化研究微生物間的互作關(guān)系，研究清晰更多功能微生物的代謝途徑，通過強(qiáng)化生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)論證，清晰傳統(tǒng)技藝對(duì)釀造過程中微生物群落演替的影響研究。

　　未來十年，將以微生物需求為出發(fā)點(diǎn)，向上游，關(guān)聯(lián)原料品質(zhì)體系研究，促進(jìn)原料“良種”選育；向環(huán)境，科學(xué)探究生態(tài)環(huán)境承載力；向下游，探索釀造微生物工程化與資源化應(yīng)用等方面研究，開發(fā)更多生態(tài)產(chǎn)品。以微生物研究為核心，全面布局完善“創(chuàng)新鏈”。

　　以“創(chuàng)新鏈”賦能“產(chǎn)業(yè)鏈”，揭示傳統(tǒng)釀造“微生態(tài)密碼”，解析傳統(tǒng)技藝科學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建“山水林土河微”生命共同體，永葆傳統(tǒng)工法生命活力。

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