微生物篇之國(guó)臺(tái)酒業(yè)打開的醬酒釀造黑匣子！
小楊 / 2024-08-03 09:38:13
百歐博偉生物：人類與大自然最難處理的關(guān)系之一,便是與微生物之間的。在大自然面前,人的力量往往有限,尤其在肉眼不可見、卻又處處彌漫的微生物面前,往往無計(jì)可施。而我們與微生物之間最好的處理方式,便是與它們和諧共生,譬如一起釀酒。
人類,總以“地球霸主”自居,但事實(shí)上,連自己的身體都無法完全占據(jù)。下面這組數(shù)據(jù),改變了人類對(duì)“自我”的認(rèn)知：
人體體表及體內(nèi)“寄宿”著大量微生物,比如皮膚表面每1平方厘米,就有10萬(wàn)個(gè)細(xì)菌,每個(gè)噴嚏就能夠飛出4500-150000個(gè)細(xì)菌。如果是感冒患者,將有8500萬(wàn)個(gè)細(xì)菌噴涌而出，而在人體腸道中,更住著多達(dá)100萬(wàn)億個(gè)微生物,人類的干糞便中約有1/3是細(xì)菌,每克糞便的細(xì)菌總數(shù)就超過1000億。
微生物對(duì)人體的影響,不僅是占據(jù),還有“控制”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),腸道是人體最大的微生態(tài)系統(tǒng),腸道微生物編碼基因的總數(shù)超過330萬(wàn),是人類編碼基因總數(shù)的100倍,當(dāng)腸道微生物失調(diào)時(shí),人體的很多系統(tǒng)都會(huì)引發(fā)問題,引起腹瀉、腹痛、免疫力低下等系列問題。腸道微生物,又被稱為人體“第二基因組”。
微生物世界的神奇,遠(yuǎn)不止如此,請(qǐng)看如下“微生物星球”事實(shí)。
微生物，地球霸主
在生物學(xué)中,地球上所有存在生命的地域被稱作“生物圈”。這一概念,雖由人們定義,但其存在的范圍,卻由微生物所“限定”。
人類乘坐飛機(jī)可以抵達(dá)10000m以上的天空,而微生物乘著風(fēng)可抵達(dá)幾萬(wàn)米的大氣層,美國(guó)宇航局甚至在32000m的高空,仍舊探測(cè)到了細(xì)菌和霉菌。人類通過鉆井工具可以達(dá)到幾千米的地下,當(dāng)人們抵達(dá)時(shí)才發(fā)現(xiàn),這里早就棲息微生物“土著”,像在南非金礦下3500m處,存在著耐熱細(xì)菌,可在65℃的惡劣環(huán)境中繁衍生息。
微生物的“霸主地位”,還在于重量?？茖W(xué)數(shù)據(jù)表明,每克可耕土壤中大約有1億個(gè)活細(xì)菌,每平方米肥沃的可耕土壤中含有22～56克的細(xì)菌。放大到整個(gè)地球,微生物的總重量是所有海洋和陸地動(dòng)物總重量的5～25倍。
微生物的種類與動(dòng)植物也不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。目前所知道的動(dòng)物約有150萬(wàn)種,植物約有50萬(wàn)種,而微生物的總數(shù),保守估計(jì),可能有超過870萬(wàn)種真核生物,上萬(wàn)億種細(xì)菌和古菌,數(shù)萬(wàn)億種病毒。稱為“微生物”的物種總類,超過了一萬(wàn)億種。
因此,科學(xué)家斷言,人類不過是居住在“微生物星球”上的一種生物,甚至于只不過是微生物的一種載體。
敵人還是朋友？
觀察微生物的最好季節(jié),是夏天。這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),廚房里早上的飯菜,到了下午就已經(jīng)腐敗了;剛買沒幾天的水果,想吃的時(shí)候已然長(zhǎng)出了或青黃、黑褐的菌斑,這些都是空氣中的細(xì)菌和霉菌繁衍生息的跡象。
微生物對(duì)人類生活的破壞,還有很多。棉、麻、竹、木、涂料、塑料、橡膠、黏結(jié)劑所有的這些材料,在
黑曲霉、焦曲霉、
橘青霉、放線菌、木霉、多孔菌的“眼中”,全部都是可口“飯菜”,能夠被一一分解。
相比生活物品的損壞，最令人生畏的要屬病菌。在人類歷史上，幾乎每隔一段時(shí)間就有大型瘟疫出現(xiàn)，像14世紀(jì)中葉,鼠疫耶森氏菌引起的瘟疫導(dǎo)致了歐洲總?cè)藬?shù)約1/3的死亡,轟動(dòng)了全世界。而現(xiàn)當(dāng)代的瘋牛病、軍團(tuán)病、埃博拉病毒病、
大腸桿菌、霍亂弧菌、SARS病毒、西尼羅河病毒、禽流感病毒、甲型HIN1流感、新冠病毒等,也有目共睹。
微生物雖給人類帶來巨大災(zāi)難,但憑借人類的聰明智慧,一些微生物也被馴化成為了人們的“朋友”。就像人們把灰狼馴化成了家狗、把野豬馴化成為家豬,這些微生物伙伴,不僅幫助人類抵抗了微生物的種種問題,還促進(jìn)了科技文明的進(jìn)步。
比如,1929年,Fleming在《英國(guó)醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表的研究成果,開啟了抗生素的先河,使用真菌培養(yǎng)物的濾液,提取出的物質(zhì),具有溶解葡萄球菌屬細(xì)菌作用,這就是第一代抗生素——“青霉素”。隨后,人們又發(fā)現(xiàn)了氯霉素、紅霉素,開啟了“抗生素時(shí)代”。
微生物在醫(yī)藥領(lǐng)域的巨大成果,啟發(fā)了人們?cè)诟囝I(lǐng)域嘗試,一些有益人們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、農(nóng)業(yè),都有強(qiáng)大的應(yīng)用性。比如,農(nóng)業(yè)專家用蘇云金桿菌、白僵菌、核多角體病毒,制作出了天然的農(nóng)藥,用根瘤菌、固氮菌、芽孢桿菌配制出了有機(jī)肥料,能源專家還用甲烷桿菌屬、甲烷八疊菌屬、甲烷球菌屬得到了綠色能源……
當(dāng)然,與人類關(guān)系最為密切的領(lǐng)域,還要說到飲食。
擅造美味的微生物“大廚”
傳說,公元前2600年的一天晚上,一個(gè)做餅的古埃及奴隸睡著了,等他半夜一覺醒來時(shí),生面餅發(fā)酵膨大了一倍多。他連忙把面餅塞回爐子里去,利用爐內(nèi)的余溫烤好后,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的面餅,口感又松又軟,成為面包的起源。
酵母遇到面粉,一道色香味形的塑造之旅就此開啟。酵母菌先是把面粉中的糖類,如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖等,分解為CO2和水。大量的CO2使面團(tuán)松軟、膨脹,形成以面筋網(wǎng)絡(luò)為骨架的蜂窩結(jié)構(gòu)。隨著CO2增多和O2的減少,面包酵母菌又開始將面團(tuán)中的糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇、有機(jī)酸、醇類、酯類、醛酮類等產(chǎn)物,賦予了發(fā)酵面食特有的香味。
民以食為天,人類對(duì)美味與微生物的探索,從未止步。泡菜、酸奶、醬油、乳腐、食醋、酒類、味精等,諸多造就美味的食材,都與微生物息息相關(guān)。
比如，醬油，是
米曲霉菌、
黑曲霉菌、
酵母菌、
乳酸菌、
鏈球菌，以大豆、小麥、小米等為原材料“齊心協(xié)力”釀成的。醋則是黑曲霉、白曲霉、米曲霉、東京根霉、毛霉菌等霉菌的“智慧結(jié)晶”。味精是在谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌等作用下生成的,酸奶和奶酪則是是通過嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌發(fā)酵的。
微生物造就美食古老而經(jīng)典的例子,還要說釀酒。早在8000年前我國(guó)就出現(xiàn)了曲糵釀酒,公元前7000年古巴比倫時(shí)代就已經(jīng)釀造啤酒。時(shí)至今日,在現(xiàn)代釀酒工廠中,微生物已經(jīng)被很好的馴化和使用,不同的酒種都有專屬的釀造菌種,比如釀造啤酒,有專用的艾爾酵母類和拉格酵母類;釀造葡萄酒,還有經(jīng)過特殊選育的裂殖酵母屬、克勒克酵母屬;釀造米酒,還有純種的米根霉。
有一些酒種,無法使用一種或者幾種微生物釀造,必須采用多種微生物混合發(fā)酵的模式,中國(guó)白酒就是這樣。像醬香型白酒,作為中國(guó)白酒中風(fēng)味與香氣格外豐盛的一類,需要的微生物種類繁多。比如,目前在貴州國(guó)臺(tái)酒在實(shí)際的釀造過程中,就檢測(cè)出了451個(gè)屬的1073種微生物,它們通過相互配合、協(xié)同作用,才能共同完成醬香型白酒的釀造。
離開茅臺(tái)鎮(zhèn)，就釀不出正宗醬香酒
人們常說,“離開茅臺(tái)鎮(zhèn),就釀不出正宗醬香酒”,醬香型白酒與茅臺(tái)鎮(zhèn)的關(guān)聯(lián)如此緊密,茅臺(tái)鎮(zhèn)的風(fēng)土如此神秘,根本原因就在于微生物的豐盛。
根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)數(shù)據(jù),在茅臺(tái)鎮(zhèn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌有233個(gè)屬、785個(gè)種,特有的有18個(gè)屬91種,真菌包括426個(gè)屬、611個(gè)種,特有的有79個(gè)屬117種,絲狀真菌505屬、728種,微生物多樣性的指數(shù)非常高。如此豐富、獨(dú)特的微生物群,自然為美酒的誕生提供了得天獨(dú)厚的條件。
茅臺(tái)鎮(zhèn)特殊的微生態(tài),得益于特殊的宏觀自然生態(tài)。這里地處在地勢(shì)低矮的河谷,三山環(huán)繞、一水中流,赤水河周圍的大婁山海拔都在1000米以上,茅臺(tái)河谷一帶,卻只有400多米,外面的氣流被阻隔,內(nèi)部的空氣被滯留,讓這里的氣候環(huán)境有很大不同。
首先,茅臺(tái)鎮(zhèn)核心產(chǎn)區(qū)年均溫度為18℃,夏季最高溫度可到40℃左右,冬季氣溫也不會(huì)不低于0℃,炎熱季節(jié)達(dá)半年之久,年均無霜期更長(zhǎng)達(dá)359天,而且晝夜氣溫相差很小,這讓在茅臺(tái)鎮(zhèn)幾乎一年四季、白天黑夜都非常適合微生物的繁殖。
再者,茅臺(tái)鎮(zhèn)的年均風(fēng)速不超過1.8m/s(二級(jí)),且以東南風(fēng)、南風(fēng)的微風(fēng)為主,再加上山體的阻隔,限制了微生物的傳播。讓繁衍出來的微生物,只能駐扎在茅臺(tái)鎮(zhèn)。
因此,這讓茅臺(tái)鎮(zhèn)的微生物繁衍得多、積累得也多,常年不息、長(zhǎng)期不易。如此穩(wěn)定的釀酒微生態(tài),是茅臺(tái)鎮(zhèn)能夠釀造好酒的秘籍,也是茅臺(tái)鎮(zhèn)不可復(fù)制的根源。
打開釀酒微生物的“黑匣子”
正因?yàn)榘拙漆勗煨枰绱硕嗟奈⑸飬f(xié)同作用,這讓白酒的釀造一直是個(gè)未解之謎,很長(zhǎng)時(shí)間都處于口傳心授、模糊不定的狀態(tài)。
就像現(xiàn)代農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之前,農(nóng)民要靠天吃飯,為了豐收,要祭拜谷神,在微生物技術(shù)之前,釀酒師為了釀出好酒,也要祭拜酒神,如果釀造出的好酒,還被冠以“瓊漿”“甘霖”的稱呼,如同天賜。
而隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),白酒發(fā)酵的復(fù)雜程度,遠(yuǎn)超想象,釀造白酒的發(fā)酵酒醅,甚至于成為世界微生物工業(yè)中,最復(fù)雜的微生物代謝綜合體之一。因此,中國(guó)微生物學(xué)先驅(qū)陳騊聲先生曾言:“誰(shuí)能把白酒的微生物研究透了,他能拿諾貝爾獎(jiǎng)”。
不過,科技日新月異,尤其是現(xiàn)代分子生物學(xué)和發(fā)酵代謝調(diào)控技術(shù)的創(chuàng)立,這讓白酒釀造的“科技黑匣子”也逐漸被打開,傳統(tǒng)白酒的釀造發(fā)生著翻天覆地的變革,原本模糊的釀造過程逐漸被清晰化、數(shù)字化,比如,國(guó)臺(tái)酒的釀造過程,就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了1000多種微生物參與。
天士力數(shù)智健康產(chǎn)業(yè)集團(tuán)董事長(zhǎng)、國(guó)臺(tái)創(chuàng)始人、國(guó)臺(tái)數(shù)智酒業(yè)集團(tuán)終身榮譽(yù)董事長(zhǎng)、創(chuàng)新生產(chǎn)力總師閆希軍先生曾說:“科研努力方向要始終圍繞‘釀好酒、酒好喝、酒喝好’這三個(gè)根本問題開展,在實(shí)踐上始終堅(jiān)持以消費(fèi)需求為導(dǎo)向,不斷破解影響健康和風(fēng)味的基礎(chǔ)、重大科學(xué)問題,努力讓酒釀得明白、讓消費(fèi)者喝得明白”,這讓國(guó)臺(tái)酒也成為中國(guó)釀酒行業(yè)中以數(shù)智釀造解密微生物的釀造引領(lǐng)者。
在先進(jìn)技術(shù)的輔助下,國(guó)臺(tái)酒逐漸探究出了釀造國(guó)臺(tái)酒、醬香型白酒的優(yōu)勢(shì)菌種,比如,醋酸桿菌屬、分支桿菌屬、克羅彭斯特菌屬、
大洋芽孢桿菌屬、
芽孢桿菌屬、乳桿菌屬等細(xì)菌,哈薩克斯坦酵母屬、釀酒酵母菌屬、接合酵母菌屬、畢赤酵母菌屬、裂殖酵母菌屬等真菌。種類1073種,并且數(shù)量還在不斷攀升。
根據(jù)對(duì)微生物的認(rèn)知,國(guó)臺(tái)酒的科研團(tuán)隊(duì)摸清了醬香型白酒發(fā)酵進(jìn)程微生物的演替規(guī)律。比如,在國(guó)臺(tái)酒四輪次發(fā)酵中,粟酒裂殖酵母、拜爾接合酵母、庫(kù)德里亞茲畢赤酵母、釀酒酵母及乳酸菌率先發(fā)動(dòng)大量繁殖,推動(dòng)釀酒進(jìn)行,進(jìn)入窖池七天后,粟酒裂殖酵母則一騎絕塵,發(fā)酵結(jié)束時(shí),乳酸菌又成為唯一優(yōu)勢(shì)物種。
基于這樣的演替規(guī)律,國(guó)臺(tái)酒的研究人員進(jìn)而建立了釀酒微生態(tài)“菌系”評(píng)價(jià)體系,比如一則重要指標(biāo),當(dāng)堆積發(fā)酵后期,核心功能微生物豐度達(dá)到TPM(CPM)>107(15G測(cè)序深度),酵母菌屬與乳桿菌屬的比例約達(dá)到70-80:1的時(shí)候,反映出高品質(zhì)的釀造狀態(tài),如此讓國(guó)臺(tái)酒的釀造,實(shí)現(xiàn)了更為精準(zhǔn)的微生物代謝調(diào)控,提升了酒體品質(zhì)。
國(guó)臺(tái)酒對(duì)于微生物的研究已經(jīng)已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平,而這也讓人們發(fā)現(xiàn),中國(guó)白酒如此傳統(tǒng)的行業(yè),也能夠發(fā)揮出如此科技之光。
2023年,世界微生物數(shù)據(jù)中心(WDCM)年會(huì)在中國(guó)舉辦,啟動(dòng)了全球“未培養(yǎng)微生物培養(yǎng)組”計(jì)劃,深入挖掘世界上90%還未能明確的微生物價(jià)值,微生物已經(jīng)成為一種重要的國(guó)家戰(zhàn)略資源,成為世界三大生物資源之一。而目前,微生物也已經(jīng)不僅在食品、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域執(zhí)行工業(yè)生產(chǎn),還被研發(fā)出了微生物DNA芯片(MicrobialChip)、微生物傳感器(Microbiosensor)等,在超前沿科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,為人類生活帶來新機(jī)。
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