揭密“微生物密码”：从“道”的层面解读茅台传统工法

　　对酿酒行业来说，“得微生物者得天下”。

　　白酒酿造微生物体系复杂，这种复杂造就了传统白酒丰富的风味特征。每一个传统名优白酒背后都有一套经过历史和实践证明的传统工法，以工匠技艺充分调动、平衡复杂的微生物体系，确保了产品品质。但是，对于酿造环境和过程到底有多少微生物，它们来自于哪里，它们之间怎么相处，怎样能够保持体系的稳定性，很多仍然是未知数。

　　2022年3月20日，在茅台(600519)科技创新和人才工作大会上，丁雄军董事长提出了茅台的“六个密码”，指出“酿造微生物是茅台最关键的密码，贯穿茅台酒每个生产环节，是密码中的密码。”揭示这密码中的密码，才能明白传承之“道”，清楚保护什么？传承什么？创新什么？

　　早在约60年前的“两期试点”，茅台即开始对酿酒微生物进行分离鉴定，就是想通过研究微生物揭开茅台酒的品质秘诀。但是限于研究手段，之后的五十年对微生物的研究仍处于“盲人摸象”阶段。2005年，茅台与中科院微生物所合作建立了行业第一个白酒微生物菌种资源库，用可培养方式保藏微生物菌种79种近1000株，这也是第一次揭示了茅台酿造过程微生物的种类和数量。2012年，高通量测序技术引进，宏转录组学、宏蛋白质组学陆续集成，因为有了这些微生物研究的“利器”，对微生物的研究才能由“量变”到“质变”。

　　近十年的茅台微生物研究，是构建技术体系的十年，也是努力“解码”的十年，集中回答了以下四个科学问题。

　　茅台酿造过程存在哪些微生物？

　　传统白酒是固态发酵，基质中气、液、固三态并存，宏观相对稳定，微观非均衡分布，提供了容量更大的立体网络化界面，形成了一个多样化的微生物王国，造就了传统酿造微生物体系极端复杂、种类繁多。

　　白酒固态发酵造体系示意图

　　10年来，对曲醅、酒醅和酿造环境中约9800余个样品进行解析，发现的微生物种类多达1946种，其中细菌1063种，真菌883种，这个数字也是当前行业可见文献报道中最多的，进一步证明了茅台酒酿造体系的复杂性和多样性。解析的同时产生了4184G的生物信息，通过提取这些生物信息的规律，实现了对关键工序节点微生物体系常态化定期监测，能够及时掌握酿造微生物的变化情况，踏出了“知其所以然”的第一步。

　　这1946种微生物可以检测到的，在有物种信息和生物信息之后，更重要的是拿到“活体”资源，才能进行下一步研究。通过对生物信息分析，模拟酿造过程及环境设计培养基，进行条件优化，当前茅台菌种资源库已累计达到159种酿造微生物，获取活体菌种资源比例达到10.2%，远超常规微生态的获取比例。在微生物的个体水平保存了7400株，规模已经达到“中国工业微生物菌种保藏管理中心”官网公布的12000株的60%，值得一提的是，这一中心保藏的菌种针对所有工业发酵领域。至“十四五”末，茅台菌种资源库规模将扩大到300种，个体规模达到15000株的水平，这些菌种将做为茅台核心资源永续传承下去。

　　这些微生物来自于哪里？

　　应用目前最新的Source Tracker和Feast溯源方法，通过对大曲、酒醅、环境、工用具及原料等3000余个样品进行分析，确认前述1946种微生物主要来源于大曲、原辅料、场地和工用具。其中，制曲过程的细菌主要来源于母曲、小麦和水，真菌则主要来源于母曲；制酒过程的细菌主要来源于大曲，真菌主要来源于酿造环境，特别是重要的功能菌毕赤酵母和酿酒酵母主要来源于晾堂地面以及工用具。这一系列研究结果佐证了一些世代相传下来的传统操作、设施的科学性，例如，茅台酒传统工法要诀中对母曲培养、优选的严格要求，高温大曲、高温堆积，“三合土”晾堂制作，因时因地摊晾操作，每日限制最大操作排数等，其目的都是为了加大环境微生物的接种量，培养出能够酿造出茅台酒风格特征的微生物菌系，这是“知其所以然”的第二步，从微生物的需求出发让我们知道了传统工艺中哪些是重要核心。

　　微生物间怎么相处？

　　在我们常规认知中，微生物间的关系应为两两互作，呈现二维平面的状态。然而，通过宏基因组学和宏转录组学解析核心功能菌群物种结构，获取的大量生物信息数据经过共发生网络算法建模，发现酿造微生物间互作关系是多维互作，呈现立体拓扑网络结构。目前，用此研究体系深入解析了茅台酒产醇核心功能菌群、产酸核心功能菌群两大类群内以及两个类群间协作关系，进行了窖底梭菌体系多样性研究，均呈现这样的规律。

　　茅台酿造微生物间的“智慧相处”示意图

　　微生物间协作还受到产区、工法、技艺等的影响。对茅台酿造核心产区、和义兴优势产区和习酒产区环境空气的微生物群落解析发现，茅台酿造产区的微生物结构与另外两个产区显著不同，和义兴产区和习酒产区微生物结构有相似之处，但又存在明显不同。对茅台酒酿造环境、酿造过程、周边环境以及其他区域的100余株酿酒酵母进行全基因组重要测序和生物信息学分析工作发现，茅台酒酿造环境和酒醅来源的酿酒酵母单独聚成一支，表现出明显的特异性，表明茅台核心产区长期的酿造活动筛选进化出独特的酿酒酵母，为茅台酒的酿造提供了优质酵母资源。

　　茅台酿造酵母的遗传独特性

　　这些研究结果表明，酿造微生物间以某一核心功能集结而成微生物组，以立体拓扑网络结构进行协作，为达成统一目标而努力，而且参与的功能微生物越多，拓扑结构网络密度越大，表现出更强的抗压能力和更高的恢复能力，目标实现越好。各个功能微生物组间也以立体拓扑网络结构进行协作，参与的微生物越多样，网络密度越大，柔韧性、抗压性越强，越向有利于发酵质量稳定的一面进行，这正是酿造微生物间的“智慧相处”之道。微生物结构组成及其稳定性受到所在产区环境，以及所使用的不同传统工法和传统技艺影响，微生物体系的稳定性正是传统工法长期“驯化平衡”的结果。这是在“知何由以知其所以然”迈出的重要一步。

　　这些微生物都起什么作用？

　　要解析清楚1946种每种微生物的代谢功能是一个宏大的工程，可能需要几代人的努力。

　　茅台通过17年的研究积累，8年的科研攻关，先后构建、完善并形成了两个标准化工作流程（SOP），两个SOP的顺利应用，可以让我们清楚的认识到微生态体系中各微生物单体或群体是如何各就其位、各司其职的。

　　第一个SOP主要研究和解决的是关键微生物“产什么”的问题。主要从已建的茅台菌种资源库出发，选择关键功能微生物，应用全基因组测序技术获得单株微生物的生物信息数据资源，再通过多种数据库进行基因功能注释，绘制全局代谢网络，确定特定代谢途径。当前使用此流程已解析了宛氏拟青霉、东方伊萨酵母等17种39株关键核心微生物的全基因组注释及代谢途径解析。

　　全基因组测序技术的风味溯源体系构建

　　第二个SOP是基于特征风味导向的溯源调控机制建设，主要研究和解决的是关键风味“谁来产”的问题。对于特殊风味的基酒，首先应用风味组学确定其主要贡献物质，寻找产生特殊风味的酒醅或者曲胚，分离培养出目标微生物后，应用上一个SOP流程进行代谢途径和机制解析，回答“谁来产”的问题。用这一SOP，完成了水果香、花香、酸香等7种主要风味的微生物溯源和代谢解析，一些重要风味的代谢途径解析，已转化应用为工艺调控措施，在辅助传统工法达到更好工艺控制科学性方面迈出了重要一步。

　　日积跬步，终至千里。至十四五末，将继续解析30-50种关键微生物的代谢途径，逐步积累而成茅台核心“知识库”，代代传承。

　　最新研究结果还表明，茅台大曲、酒醅中存在环状肽、槲皮素、麦甾醇、抑菌素、生育酚等27种天然活性物质，这也为挖掘功能微生物及实现工程菌转化应用指明了方向，为茅台未来生态产品开发、生态产业发展提供了无限可能。

　　过去十年，茅台通过多组学技术联用、跨学科技术集成、生产性实验论证，基本构建形成以酿造微生物多样性、稳定性和功能微生物代谢机制为三大核心的酿造原理基础研究体系，一定程度阐释了传统工艺机理，揭开了传统工法的神秘面纱一角。

　　但对复杂酿造微生物体系和传统工艺的科学内涵的认识依然只是“冰山一角”。

　　未来十年，将持续引进集成多种微生物研究先进技术手段，丰富微生物菌种资源库，深化研究微生物间的互作关系，研究清晰更多功能微生物的代谢途径，通过强化生产性实验论证，清晰传统技艺对酿造过程中微生物群落演替的影响研究。

　　未来十年，将以微生物需求为出发点，向上游，关联原料品质体系研究，促进原料“良种”选育；向环境，科学探究生态环境承载力；向下游，探索酿造微生物工程化与资源化应用等方面研究，开发更多生态产品。以微生物研究为核心，全面布局完善“创新链”。

　　以“创新链”赋能“产业链”，揭示传统酿造“微生态密码”，解析传统技艺科学内涵，构建“山水林土河微”生命共同体，永葆传统工法生命活力。

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