對釀酒行業來說，“得微生物者得天下”。
白酒釀造微生物體系復雜，這種復雜造就了傳統白酒豐富的風味特征。每一個傳統名優白酒背后都有一套經過歷史和實踐證明的傳統工法，以工匠技藝充分調動、平衡復雜的微生物體系，確保了產品品質。但是，對于釀造環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定性，很多仍然是未知數。
2022年3月20日，在茅臺(600519)科技創新和人才工作大會上，丁雄軍董事長提出了茅臺的“六個密碼”，指出“釀造微生物是茅臺最關鍵的密碼，貫穿茅臺酒每個生產環節，是密碼中的密碼。”揭示這密碼中的密碼，才能明白傳承之“道”，清楚保護什么？傳承什么？創新什么？
早在約60年前的“兩期試點”，茅臺即開始對釀酒微生物進行分離鑒定，就是想通過研究微生物揭開茅臺酒的品質秘訣。但是限于研究手段，之后的五十年對微生物的研究仍處于“盲人摸象”階段。2005年，茅臺與中科院微生物所合作建立了行業第一個白酒微生物菌種資源庫，用可培養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釀造過程微生物的種類和數量。2012年，高通量測序技術引進，宏轉錄組學、宏蛋白質組學陸續集成，因為有了這些微生物研究的“利器”，對微生物的研究才能由“量變”到“質變”。
近十年的茅臺微生物研究，是構建技術體系的十年，也是努力“解碼”的十年，集中回答了以下四個科學問題。
茅臺釀造過程存在哪些微生物？
傳統白酒是固態發酵，基質中氣、液、固三態并存，宏觀相對穩定，微觀非均衡分布，提供了容量更大的立體網絡化界面，形成了一個多樣化的微生物王國，造就了傳統釀造微生物體系極端復雜、種類繁多。
白酒固態發酵造體系示意圖
10年來，對曲醅、酒醅和釀造環境中約9800余個樣品進行解析，發現的微生物種類多達1946種，其中細菌1063種，真菌883種，這個數字也是當前行業可見文獻報道中最多的，進一步證明了茅臺酒釀造體系的復雜性和多樣性。解析的同時產生了4184G的生物信息，通過提取這些生物信息的規律，實現了對關鍵工序節點微生物體系常態化定期監測，能夠及時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，才能進行下一步研究。通過對生物信息分析，模擬釀造過程及環境設計培養基，進行條件優化，當前茅臺菌種資源庫已累計達到159種釀造微生物，獲取活體菌種資源比例達到10.2%，遠超常規微生態的獲取比例。在微生物的個體水平保存了7400株，規模已經達到“中國工業微生物菌種保藏管理中心”官網公布的12000株的60%，值得一提的是，這一中心保藏的菌種針對所有工業發酵領域。至“十四五”末，茅臺菌種資源庫規模將擴大到300種，個體規模達到15000株的水平，這些菌種將做為茅臺核心資源永續傳承下去。
這些微生物來自于哪里？
應用目前最新的Source Tracker和Feast溯源方法，通過對大曲、酒醅、環境、工用具及原料等3000余個樣品進行分析，確認前述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；制酒過程的細菌主要來源于大曲，真菌主要來源于釀造環境，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。這一系列研究結果佐證了一些世代相傳下來的傳統操作、設施的科學性，例如，茅臺酒傳統工法要訣中對母曲培養、優選的嚴格要求，高溫大曲、高溫堆積，“三合土”晾堂制作，因時因地攤晾操作，每日限制最大操作排數等，其目的都是為了加大環境微生物的接種量，培養出能夠釀造出茅臺酒風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讓我們知道了傳統工藝中哪些是重要核心。
微生物間怎么相處？
在我們常規認知中，微生物間的關系應為兩兩互作，呈現二維平面的狀態。然而，通過宏基因組學和宏轉錄組學解析核心功能菌群物種結構，獲取的大量生物信息數據經過共發生網絡算法建模，發現釀造微生物間互作關系是多維互作，呈現立體拓撲網絡結構。目前，用此研究體系深入解析了茅臺酒產醇核心功能菌群、產酸核心功能菌群兩大類群內以及兩個類群間協作關系，進行了窖底梭菌體系多樣性研究，均呈現這樣的規律。
茅臺釀造微生物間的“智慧相處”示意圖
微生物間協作還受到產區、工法、技藝等的影響。對茅臺釀造核心產區、和義興優勢產區和習酒產區環境空氣的微生物群落解析發現，茅臺釀造產區的微生物結構與另外兩個產區顯著不同，和義興產區和習酒產區微生物結構有相似之處，但又存在明顯不同。對茅臺酒釀造環境、釀造過程、周邊環境以及其他區域的100余株釀酒酵母進行全基因組重要測序和生物信息學分析工作發現，茅臺酒釀造環境和酒醅來源的釀酒酵母單獨聚成一支，表現出明顯的特異性，表明茅臺核心產區長期的釀造活動篩選進化出獨特的釀酒酵母，為茅臺酒的釀造提供了優質酵母資源。
茅臺釀造酵母的遺傳獨特性
這些研究結果表明，釀造微生物間以某一核心功能集結而成微生物組，以立體拓撲網絡結構進行協作，為達成統一目標而努力，而且參與的功能微生物越多，拓撲結構網絡密度越大，表現出更強的抗壓能力和更高的恢復能力，目標實現越好。各個功能微生物組間也以立體拓撲網絡結構進行協作，參與的微生物越多樣，網絡密度越大，柔韌性、抗壓性越強，越向有利于發酵質量穩定的一面進行，這正是釀造微生物間的“智慧相處”之道。微生物結構組成及其穩定性受到所在產區環境，以及所使用的不同傳統工法和傳統技藝影響，微生物體系的穩定性正是傳統工法長期“馴化平衡”的結果。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宏大的工程，可能需要幾代人的努力。
茅臺通過17年的研究積累，8年的科研攻關，先后構建、完善并形成了兩個標準化工作流程（SOP），兩個SOP的順利應用，可以讓我們清楚的認識到微生態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SOP主要研究和解決的是關鍵微生物“產什么”的問題。主要從已建的茅臺菌種資源庫出發，選擇關鍵功能微生物，應用全基因組測序技術獲得單株微生物的生物信息數據資源，再通過多種數據庫進行基因功能注釋，繪制全局代謝網絡，確定特定代謝途徑。當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。
全基因組測序技術的風味溯源體系構建
第二個SOP是基于特征風味導向的溯源調控機制建設，主要研究和解決的是關鍵風味“誰來產”的問題。對于特殊風味的基酒，首先應用風味組學確定其主要貢獻物質，尋找產生特殊風味的酒醅或者曲胚，分離培養出目標微生物后，應用上一個SOP流程進行代謝途徑和機制解析，回答“誰來產”的問題。用這一SOP，完成了水果香、花香、酸香等7種主要風味的微生物溯源和代謝解析，一些重要風味的代謝途徑解析，已轉化應用為工藝調控措施，在輔助傳統工法達到更好工藝控制科學性方面邁出了重要一步。
日積跬步，終至千里。至十四五末，將繼續解析30-50種關鍵微生物的代謝途徑，逐步積累而成茅臺核心“知識庫”，代代傳承。
最新研究結果還表明，茅臺大曲、酒醅中存在環狀肽、槲皮素、麥甾醇、抑菌素、生育酚等27種天然活性物質，這也為挖掘功能微生物及實現工程菌轉化應用指明了方向，為茅臺未來生態產品開發、生態產業發展提供了無限可能。
過去十年，茅臺通過多組學技術聯用、跨學科技術集成、生產性實驗論證，基本構建形成以釀造微生物多樣性、穩定性和功能微生物代謝機制為三大核心的釀造原理基礎研究體系，一定程度闡釋了傳統工藝機理，揭開了傳統工法的神秘面紗一角。
但對復雜釀造微生物體系和傳統工藝的科學內涵的認識依然只是“冰山一角”。
未來十年，將持續引進集成多種微生物研究先進技術手段，豐富微生物菌種資源庫，深化研究微生物間的互作關系，研究清晰更多功能微生物的代謝途徑，通過強化生產性實驗論證，清晰傳統技藝對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點，向上游，關聯原料品質體系研究，促進原料“良種”選育；向環境，科學探究生態環境承載力；向下游，探索釀造微生物工程化與資源化應用等方面研究，開發更多生態產品。以微生物研究為核心，全面布局完善“創新鏈”。
以“創新鏈”賦能“產業鏈”，揭示傳統釀造“微生態密碼”，解析傳統技藝科學內涵，構建“山水林土河微”生命共同體，永葆傳統工法生命活力。
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