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Food Bioscience：鸟枪法宏基因组解析自发葡萄酒发酵过程中温度驱动的微生物群落与功能基因变化
发布时间：
2026-09-19
来源：
葡萄研究
鸟枪法宏基因组解析自发葡萄酒发酵过程中温度驱动的微生物群落与功能基因变化
期刊：Food Bioscience（5.9）
发表日期：2026年
研究摘要
发酵温度是葡萄酒酿造关键工艺变量，能够改变发酵进程、微生物种群结构与葡萄酒最终品质。本研究选取内比奥罗葡萄，设置18℃与28℃两个发酵温度开展带皮自发发酵，利用鸟枪法宏基因组测序解析微生物群落动态演替与功能基因谱，同时结合酿酒理化指标、果皮软化特性、葡萄酒颜色与酚类物质提取数据开展综合分析。结果表明，发酵温度显著重塑微生物群落结构并改变发酵周期。28℃条件下细菌群落以Komagataeibacter saccharivorans与Tatumella citrea占优势；18℃体系中Gluconobacter、Bradyrhizobium为优势菌属。真菌层面，28℃下酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）更早成为优势种群；18℃能够维持更高真菌多样性，以Wickerhamomyces、Pichia kudriavzevii为主。宏基因组功能注释显示，维生素B6代谢、卟啉代谢、戊糖磷酸途径、组氨酸代谢在28℃富集；类胡萝卜素、脂多糖生物合成通路在18℃上调。18℃发酵启动慢，最终pH更低，总酚提取量偏少，但葡萄酒褐变程度弱，花色素含量更高，Vitisin B型吡喃花色素产物积累更多。本研究揭示温度对自发发酵微生物群落、功能基因的调控规律，为自发发酵工艺管控与葡萄酒品质优化提供实践依据。
研究背景
酒精发酵不只是简单将葡萄糖分转化为乙醇，同时发生复杂生物、化学转变，塑造葡萄酒风味品质。酿酒酵母是酒精发酵核心微生物，而来源于葡萄园与酒厂环境的本土微生物，对葡萄酒复杂度、风土特征同样起到重要作用。接种商业发酵剂可以保证发酵完全、产品稳定；自发发酵依靠葡萄固有微生物，可以产出风味复杂度更高的葡萄酒，但也存在发酵停滞、杂菌腐败、批次重现性差等风险。
发酵温度是调控微生物互作、代谢产物合成的重要工艺因子，直接影响发酵速率、酶活性，间接改变多酚、花色素等感官关键物质的生成与转化。传统微生物研究依赖分离培养、DGGE指纹图谱，很难检测低丰度、难培养微生物。鸟枪法宏基因组不依赖培养，可以获得物种分类信息同时解析群落遗传功能潜力，在发酵食品领域应用逐步增多，但在葡萄酒自发发酵场景的应用案例仍然有限。
已有研究大多聚焦接种发酵，针对内比奥罗品种自发发酵，不同温度下微生物物种演替与功能基因的系统解析较为缺乏。因此本研究采用鸟枪法宏基因组，对比18℃、28℃实验室规模内比奥罗葡萄自发带皮发酵，结合理化、酚类、果皮质地数据，解析温度介导的微生物演替、代谢通路差异，为自发发酵生产管控提供分子层面参考。
研究内容
1. 酿酒协议与样品采集
2. 化学性质和颜色性质测量
3. 浸泡浆果皮软化
4. 基因组DNA提取与生物信息学分析
5. 统计分析
6. 数据可用性
研究结果
1. 葡萄酒的发酵动力学与理化参数
28℃发酵进程更快，第7天糖含量降到2g/L以下；18℃发酵速度慢，第10天才完成糖消耗。两组最终乙醇体积分数接近，约12.63%。28℃终点pH、总酸度显著更高，苹果酸更低，乳酸、琥珀酸含量更高。PCA主成分分析显示，理化指标可以把18℃与28℃样本明显区分，证明温度重塑葡萄酒整体化学轮廓。
2. 宏基因组测序概述
α多样性指数两组无统计学显著差异；β多样性结果显示，细菌群落受温度影响显著（PERMANOVAR²=0.274，p=0.023），真菌群落受温度影响不显著。
3. 酒精发酵期间的菌群动态
真菌：初始样本优势种为Aureobasidium pullulans、Botrytis cinerea。28℃条件下酿酒酵母第2天即快速增殖，第7天占比75%，快速抑制其他真菌。18℃酿酒酵母增殖滞后，发酵中后期仍然维持较高的非酿酒酵母多样性，包括Wickerhamomyces、Pichia kudriavzevii等。
Spearman相关性分析表明，不同温度下微生物与理化、酚类参数的关联模式不同。酿酒酵母在两组均与甘油、乳酸正相关，与糖分负相关；18℃条件下部分非酿酒酵母与总酚、黄酮正相关。
4. 自发发酵期间的细菌动力学
细菌：初始样本以Sphingomonas为主。28℃发酵后期Komagataeibacter saccharivorans、Tatumella citrea成为优势菌；18℃发酵前期Gluconobacter占主导，末期Bradyrhizobium属丰度上升。
5. 自发发酵期间的群落功能
KEGG一级分类以代谢、遗传信息处理占比最高。一级、二级通路层面两组无显著差异；通路水平出现温度特异性富集。28℃样本富集：维生素B6代谢、卟啉代谢、戊糖磷酸途径、组氨酸代谢，对应酵母快速增殖、抗胁迫、辅酶合成；18℃样本富集类胡萝卜素、脂多糖生物合成通路，反映低温环境细菌细胞膜适应性调控。
碳水活性酶CAZy家族对比：18℃ CBM18、CE10、GT5丰度更高，偏向细胞表面结合、细胞壁合成；28℃ GH32、GH68（果聚糖、蔗糖代谢水解酶）显著上调，和高温下快速糖代谢、乙醇生成相匹配。果胶降解相关酶基因在发酵前期丰度更高。
6. 果胶降解、国皮软化与酚类萃取
28℃果皮软化进程更快，4 7天果皮破裂力大幅下降，带动总酚、非花色素黄酮大量溶出；但高温加速花色素降解，单体花色素后期损失明显，葡萄酒黄褐偏移（b*值升高，褐变加重）。18℃果皮软化滞后，酚类提取峰值延后至第10天，单体花色素降解更少，发酵终点Vitisin B吡喃花色素含量几乎是高温组两倍。
研究意义
1. 讨论
温度一方面直接改变酶活，另一方面通过筛选不同微生物，改变CAZy酶谱，共同调控果皮裂解、酚类溶出与色素转化。高温快速浸出酚类，但氧化降解损失大；低温可以保留更多花色素与吡喃花色素，但是发酵周期拉长，微生物多样性更高。
2. 研究结论
发酵温度显著改变内比奥罗葡萄自发发酵进程。28℃加速糖消耗，酿酒酵母快速占据主导，细菌群落富集醋酸菌与Tatumella citrea；18℃发酵速度放缓，维持更高真菌多样性，细菌以Gluconobacter、Bradyrhizobium为主。细菌群落相比真菌对温度变化更加敏感。
功能基因层面，28℃富集与快速生长、胁迫耐受相关通路；18℃富集细胞膜低温适应相关的脂多糖、类胡萝卜素合成通路；CAZy 碳水活性酶家族丰度差异，解释果皮裂解、酚类提取的温度效应。
28℃果皮软化快，总酚浸出量大，但花色素降解明显，葡萄酒褐变更突出；18℃虽然发酵慢，但是花色素保留效果好，吡喃花色素（Vitisin B）积累更高，利于保护葡萄酒色泽。温度通过微生物群落与酶功能双重途径塑造葡萄酒化学组成。
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