微生物篇之国台酒业打开的酱酒酿造黑匣子！

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百欧博伟生物：人类与大自然最难处理的关系之一,便是与微生物之间的。在大自然面前,人的力量往往有限,尤其在肉眼不可见、却又处处弥漫的微生物面前,往往无计可施。而我们与微生物之间最好的处理方式,便是与它们和谐共生,譬如一起酿酒。

人类,总以“地球霸主”自居,但事实上,连自己的身体都无法完全占据。下面这组数据,改变了人类对“自我”的认知：

人体体表及体内“寄宿”着大量微生物,比如皮肤表面每1平方厘米,就有10万个细菌,每个喷嚏就能够飞出4500-150000个细菌。如果是感冒患者,将有8500万个细菌喷涌而出，而在人体肠道中,更住着多达100万亿个微生物,人类的干粪便中约有1/3是细菌,每克粪便的细菌总数就超过1000亿。

微生物对人体的影响,不仅是占据,还有“控制”。科学家发现,肠道是人体最大的微生态系统,肠道微生物编码基因的总数超过330万,是人类编码基因总数的100倍,当肠道微生物失调时,人体的很多系统都会引发问题,引起腹泻、腹痛、免疫力低下等系列问题。肠道微生物,又被称为人体“第二基因组”。

微生物世界的神奇,远不止如此,请看如下“微生物星球”事实。

微生物，地球霸主

在生物学中,地球上所有存在生命的地域被称作“生物圈”。这一概念,虽由人们定义,但其存在的范围,却由微生物所“限定”。

人类乘坐飞机可以抵达10000m以上的天空,而微生物乘着风可抵达几万米的大气层,美国宇航局甚至在32000m的高空,仍旧探测到了细菌和霉菌。人类通过钻井工具可以达到几千米的地下,当人们抵达时才发现,这里早就栖息微生物“土著”,像在南非金矿下3500m处,存在着耐热细菌,可在65℃的恶劣环境中繁衍生息。

微生物的“霸主地位”,还在于重量。科学数据表明,每克可耕土壤中大约有1亿个活细菌,每平方米肥沃的可耕土壤中含有22～56克的细菌。放大到整个地球,微生物的总重量是所有海洋和陆地动物总重量的5～25倍。

微生物的种类与动植物也不在一个数量级上。目前所知道的动物约有150万种,植物约有50万种,而微生物的总数,保守估计,可能有超过870万种真核生物,上万亿种细菌和古菌,数万亿种病毒。称为“微生物”的物种总类,超过了一万亿种。

因此,科学家断言,人类不过是居住在“微生物星球”上的一种生物,甚至于只不过是微生物的一种载体。

敌人还是朋友？

观察微生物的最好季节,是夏天。这时会发现,厨房里早上的饭菜,到了下午就已经腐败了;刚买没几天的水果,想吃的时候已然长出了或青黄、黑褐的菌斑,这些都是空气中的细菌和霉菌繁衍生息的迹象。

微生物对人类生活的破坏,还有很多。棉、麻、竹、木、涂料、塑料、橡胶、黏结剂所有的这些材料,在黑曲霉、焦曲霉、橘青霉、放线菌、木霉、多孔菌的“眼中”,全部都是可口“饭菜”,能够被一一分解。

相比生活物品的损坏，最令人生畏的要属病菌。在人类历史上，几乎每隔一段时间就有大型瘟疫出现，像14世纪中叶,鼠疫耶森氏菌引起的瘟疫导致了欧洲总人数约1/3的死亡,轰动了全世界。而现当代的疯牛病、军团病、埃博拉病毒病、大肠杆菌、霍乱弧菌、SARS病毒、西尼罗河病毒、禽流感病毒、甲型HIN1流感、新冠病毒等,也有目共睹。

微生物虽给人类带来巨大灾难,但凭借人类的聪明智慧,一些微生物也被驯化成为了人们的“朋友”。就像人们把灰狼驯化成了家狗、把野猪驯化成为家猪,这些微生物伙伴,不仅帮助人类抵抗了微生物的种种问题,还促进了科技文明的进步。

比如,1929年,Fleming在《英国医学杂志》发表的研究成果,开启了抗生素的先河,使用真菌培养物的滤液,提取出的物质,具有溶解葡萄球菌属细菌作用,这就是第一代抗生素——“青霉素”。随后,人们又发现了氯霉素、红霉素,开启了“抗生素时代”。

微生物在医药领域的巨大成果,启发了人们在更多领域尝试,一些有益人们生活的微生物被起了新名字——“功能微生物”。如今,功能微生物在能源、肥料、农业,都有强大的应用性。比如,农业专家用苏云金杆菌、白僵菌、核多角体病毒,制作出了天然的农药,用根瘤菌、固氮菌、芽孢杆菌配制出了有机肥料,能源专家还用甲烷杆菌属、甲烷八叠菌属、甲烷球菌属得到了绿色能源……

当然,与人类关系最为密切的领域,还要说到饮食。

擅造美味的微生物“大厨”

传说,公元前2600年的一天晚上,一个做饼的古埃及奴隶睡着了,等他半夜一觉醒来时,生面饼发酵膨大了一倍多。他连忙把面饼塞回炉子里去,利用炉内的余温烤好后,发现发酵后的面饼,口感又松又软,成为面包的起源。

酵母遇到面粉,一道色香味形的塑造之旅就此开启。酵母菌先是把面粉中的糖类,如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等,分解为CO2和水。大量的CO2使面团松软、膨胀,形成以面筋网络为骨架的蜂窝结构。随着CO2增多和O2的减少,面包酵母菌又开始将面团中的糖类物质转化为乙醇、有机酸、醇类、酯类、醛酮类等产物,赋予了发酵面食特有的香味。

民以食为天,人类对美味与微生物的探索,从未止步。泡菜、酸奶、酱油、乳腐、食醋、酒类、味精等,诸多造就美味的食材,都与微生物息息相关。

比如，酱油，是米曲霉菌、黑曲霉菌、酵母菌、乳酸菌、链球菌，以大豆、小麦、小米等为原材料“齐心协力”酿成的。醋则是黑曲霉、白曲霉、米曲霉、东京根霉、毛霉菌等霉菌的“智慧结晶”。味精是在谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等作用下生成的,酸奶和奶酪则是是通过嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌发酵的。

微生物造就美食古老而经典的例子,还要说酿酒。早在8000年前我国就出现了曲糵酿酒,公元前7000年古巴比伦时代就已经酿造啤酒。时至今日,在现代酿酒工厂中,微生物已经被很好的驯化和使用,不同的酒种都有专属的酿造菌种,比如酿造啤酒,有专用的艾尔酵母类和拉格酵母类;酿造葡萄酒,还有经过特殊选育的裂殖酵母属、克勒克酵母属;酿造米酒,还有纯种的米根霉。

有一些酒种,无法使用一种或者几种微生物酿造,必须采用多种微生物混合发酵的模式,中国白酒就是这样。像酱香型白酒,作为中国白酒中风味与香气格外丰盛的一类,需要的微生物种类繁多。比如,目前在贵州国台酒在实际的酿造过程中,就检测出了451个属的1073种微生物,它们通过相互配合、协同作用,才能共同完成酱香型白酒的酿造。

离开茅台镇，就酿不出正宗酱香酒

人们常说,“离开茅台镇,就酿不出正宗酱香酒”,酱香型白酒与茅台镇的关联如此紧密,茅台镇的风土如此神秘,根本原因就在于微生物的丰盛。

根据现有的科学数据,在茅台镇已经发现的细菌有233个属、785个种,特有的有18个属91种,真菌包括426个属、611个种,特有的有79个属117种,丝状真菌505属、728种,微生物多样性的指数非常高。如此丰富、独特的微生物群,自然为美酒的诞生提供了得天独厚的条件。

茅台镇特殊的微生态,得益于特殊的宏观自然生态。这里地处在地势低矮的河谷,三山环绕、一水中流,赤水河周围的大娄山海拔都在1000米以上,茅台河谷一带,却只有400多米,外面的气流被阻隔,内部的空气被滞留,让这里的气候环境有很大不同。

首先,茅台镇核心产区年均温度为18℃,夏季最高温度可到40℃左右,冬季气温也不会不低于0℃,炎热季节达半年之久,年均无霜期更长达359天,而且昼夜气温相差很小,这让在茅台镇几乎一年四季、白天黑夜都非常适合微生物的繁殖。

再者,茅台镇的年均风速不超过1.8m/s(二级),且以东南风、南风的微风为主,再加上山体的阻隔,限制了微生物的传播。让繁衍出来的微生物,只能驻扎在茅台镇。

因此,这让茅台镇的微生物繁衍得多、积累得也多,常年不息、长期不易。如此稳定的酿酒微生态,是茅台镇能够酿造好酒的秘籍,也是茅台镇不可复制的根源。

打开酿酒微生物的“黑匣子”

正因为白酒酿造需要如此多的微生物协同作用,这让白酒的酿造一直是个未解之谜,很长时间都处于口传心授、模糊不定的状态。

就像现代农业出现之前,农民要靠天吃饭,为了丰收,要祭拜谷神,在微生物技术之前,酿酒师为了酿出好酒,也要祭拜酒神,如果酿造出的好酒,还被冠以“琼浆”“甘霖”的称呼,如同天赐。

而随着现代科技的发展,人们发现,白酒发酵的复杂程度,远超想象,酿造白酒的发酵酒醅,甚至于成为世界微生物工业中,最复杂的微生物代谢综合体之一。因此,中国微生物学先驱陈騊声先生曾言:“谁能把白酒的微生物研究透了,他能拿诺贝尔奖”。

不过,科技日新月异,尤其是现代分子生物学和发酵代谢调控技术的创立,这让白酒酿造的“科技黑匣子”也逐渐被打开,传统白酒的酿造发生着翻天覆地的变革,原本模糊的酿造过程逐渐被清晰化、数字化,比如,国台酒的酿造过程,就已经发现了1000多种微生物参与。

天士力数智健康产业集团董事长、国台创始人、国台数智酒业集团终身荣誉董事长、创新生产力总师闫希军先生曾说:“科研努力方向要始终围绕‘酿好酒、酒好喝、酒喝好’这三个根本问题开展,在实践上始终坚持以消费需求为导向,不断破解影响健康和风味的基础、重大科学问题,努力让酒酿得明白、让消费者喝得明白”,这让国台酒也成为中国酿酒行业中以数智酿造解密微生物的酿造引领者。

在先进技术的辅助下,国台酒逐渐探究出了酿造国台酒、酱香型白酒的优势菌种,比如,醋酸杆菌属、分支杆菌属、克罗彭斯特菌属、大洋芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、乳杆菌属等细菌,哈萨克斯坦酵母属、酿酒酵母菌属、接合酵母菌属、毕赤酵母菌属、裂殖酵母菌属等真菌。种类1073种,并且数量还在不断攀升。

根据对微生物的认知,国台酒的科研团队摸清了酱香型白酒发酵进程微生物的演替规律。比如,在国台酒四轮次发酵中,粟酒裂殖酵母、拜尔接合酵母、库德里亚兹毕赤酵母、酿酒酵母及乳酸菌率先发动大量繁殖,推动酿酒进行,进入窖池七天后,粟酒裂殖酵母则一骑绝尘,发酵结束时,乳酸菌又成为唯一优势物种。

基于这样的演替规律,国台酒的研究人员进而建立了酿酒微生态“菌系”评价体系,比如一则重要指标,当堆积发酵后期,核心功能微生物丰度达到TPM(CPM)>107(15G测序深度),酵母菌属与乳杆菌属的比例约达到70-80:1的时候,反映出高品质的酿造状态,如此让国台酒的酿造,实现了更为精准的微生物代谢调控,提升了酒体品质。

国台酒对于微生物的研究已经已经达到国内外领先水平,而这也让人们发现,中国白酒如此传统的行业,也能够发挥出如此科技之光。

2023年,世界微生物数据中心(WDCM)年会在中国举办,启动了全球“未培养微生物培养组”计划,深入挖掘世界上90%还未能明确的微生物价值,微生物已经成为一种重要的国家战略资源,成为世界三大生物资源之一。而目前,微生物也已经不仅在食品、能源、农业等领域执行工业生产,还被研发出了微生物DNA芯片(MicrobialChip)、微生物传感器(Microbiosensor)等,在超前沿科技领域发挥着重要作用,为人类生活带来新机。

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