酿酒微生物岗

刘延琳

  1 生态条件影响微生物多样性和结构功能

  气候是一个地区长期的天气模式，是决定葡萄酒风格和区域特征以及决定葡萄酒品质的重要因素。凉爽的气候更适合酿造清淡而精致的葡萄酒，而温暖的气候往往会塑造浓郁而丰富的风味。气候通过温度，降水和太阳辐射影响葡萄栽培和葡萄酒质量。在葡萄栽培中，气候影响是在多个地理空间尺度上的。大气候或区域性气候主要由纬度和海拔高度决定，但也受到海洋或大型湖泊等水的缓和影响。特定葡萄园的当地气候为中气候，主要取决于地形，包括海拔，坡向和坡度，这些都会影响葡萄酒的质量和风格。例如，葡萄园的朝向会影响葡萄藤的温度和阳光遮挡。在最小尺度上，冠层内部和藤蔓之间的微气候，温度，湿度和日照变化可能部分受到土壤条件和叶片遮荫的影响，并受到冠层管理的控制。

  1.1 大气候

  微生物主要依靠空气和风等物理力进行分布，融入云层，降水以及附近的生态系统会增加它们的远距离扩散，这些物理力以与植物和动物相似的方式塑造微生物的生物地理格局（Zhu et al. 2017）。气候是葡萄种植地区最重要的环境因素，它对当地微生物的产生和时间空间上的持久性都有非常重要的影响（称为酿酒年份效应）。在大气候范围内，葡萄必须的微生物群呈现出区域分布模式，而该分部模式受当地环境（例如温度和降雨）的影响很大，并且几乎不受年份的影响，例如最高温度和平均低温与青霉菌，假单胞菌，肠杆菌科以及白球藻科菌不相关（Bokulich et al. 2014）。降雨和湿度与汉森酵母和梅奇酵母相关，与孢圆酵母，酿酒酵母和季也蒙迈耶氏酵母不相关（Jara et al. 2016）。由于这些物种中的许多物种（特别是酿酒酵母和酒类酒球菌）是葡萄酒发酵中最多的菌种，因此可以说，当地的气候条件可以通过影响它们的存在而影响葡萄酒的成分。

  1.2 中气候

  在中气候水平或葡萄园规模上，年份之间的一致性是葡萄酒质量的一个方面，是针对风土的表达。年份变化在较小的地理空间范围（个体葡萄园）而不是在较大的范围（区域）对微生物群落产生重大影响，在年份之间观察到更稳定的真菌形态（Bokulich et al. 2014）。年份会严重影响葡萄和葡萄醪中必要的酵母种群的生物多样性（ Vigentini et al. 2015）。作为塑造中气候的驱动力，地形特征也会对葡萄菌群产生影响（Portillo et al. 2016）。例如，从朝东的葡萄园的葡萄中鉴定出草杆菌，嗜血杆菌，鞘氨醇单胞菌和假单胞菌，而链球菌，微球菌科，葡萄球菌，水栖菌属和气单胞菌则被证明是平坦葡萄园的典型分类群（Portillo et al. 2016）。

  1.3 微气候

  微气候是最有可能影响微生物的存在，生长和活性的环境。通过整枝，修剪，搭架和脱叶来改变葡萄叶的面积，从而改变了冠层的微气候，尤其是太阳对葡萄和叶片的辐射，并且在较小程度上是由于叶冠中的空气流动（影响湿度）和温度（Reynolds et al. 2009）。降低冠层密度来控制霉菌的生长（Austinet al. 2011）。据报道，在微气候环境中，光线会影响浆果组成的各个方面，并且会影响最终葡萄酒中的颜色和风味（ Liuet al. 2015）。但是，很少有关于微气候变化对微生物群落影响的研究。在葡萄园内可以区分真菌群落，这种影响归因于微气候的变化性，但是没有任何实验测试可以验证这种相关性（Setatiet al. 2012）。从其他研究中可以明显看出，阳光的遮挡可能会影响葡萄的微生物组。例如，一项水生酵母研究表明隐球菌属和红酵母属色素酵母它们在某些环境中占主导地位，因为它们可以产生光保护性化合物（类胡萝卜素和霉菌素），以适应具有高紫外线辐射的中上层区域（Brandãoet al. 2011）。这些酵母也与葡萄藤有关（Setatiet al. 2012），因此类似响应可能在果区影响真菌群落的组成。

  2 土壤及其与植物的相互作用影响微生物多样性和结构功能

  在葡萄园土壤的细菌群落中观察到了生物地理分布，土壤细菌的多样性和组成与葡萄园的地理位置有关，并受到土壤理化特性的影响很大，例如土壤质地，土壤pH，温度，水分，碳和氮（Burnset al. 2015; Zarraonaindiaet al. 2015）。大多数优势菌群如变形杆菌（特别是β和γ变形杆菌），拟杆菌，芽单胞杆菌和厚壁菌门在碳或氮含量较低的土壤中显示出较高的相对丰度，而放线菌的丰度则显示出负面趋势。此外，当地的气候和地形可能通过影响土壤微生物特性而间接影响土壤微生物群落（Burnset al. 2015）。值得注意的是，在葡萄醪中，与发酵有关的细菌是葡萄园土壤中的优势类群，例如厚壁菌门和腐败细菌酸杆菌和变形细菌（Burnset al. 2015）。作为葡萄相关细菌的储藏库，土壤传播的微生物可以形成叶面细菌的集合体，尤其是葡萄（Zarraonaindiaet al. 2015）。当葡萄转移到酿酒厂中并且微生物群持续进行酒精发酵时，土壤微生物群与葡萄酒中的代谢产物直接相关。

  根系微生物群反映了葡萄园土壤细菌群落结构的差异，其中几种分类单元的相对丰度以依赖葡萄园的方式发生，这些类群比其他细菌更易于定殖和被葡萄藤选择。例如，根瘤菌，可以促进固氮和抗生素生产，从而促进植物的生长，抑制疾病，从而间接影响葡萄酒的品质和特性（Zarraonaindiaet al. 2015）。

  葡萄园的生态位（土壤，树皮，果实）约占霉菌和发酵菌中真菌种群的40％。真菌与葡萄醪和葡萄之间有明显的相似性，即菌群以发酵酵母（例如酿酒酵母和汉斯酵母）和丝状真菌（金黄色葡萄球菌和枝孢菌属）为主导（MorrisonWhittleet al. 2018）。而酿酒酵母属和葡萄酒中的腐败微生物的数量很少且频率很低，最丰富的属（念球菌，多拉菌）似乎并不直接参与葡萄酒的生产（Barataet al. 2012）。对葡萄园真菌生态学的深入了解将为葡萄藤在一年生植物周期中如何吸引真菌群落及如何影响葡萄菌群，例如，在成熟过程中，发酵酵母在葡萄上的发生率会发生变化，因此可以促进葡萄酒代谢产物的分布（Barataet al. 2012）。

  3 葡萄品种影响微生物多样性和结构功能

  在一个葡萄品种中发现的大部分是担子菌，而在另一个葡萄品种中，葡萄汁有孢汉逊酵母和涎沫念珠菌占主导地位 。但同一葡萄园中的同一葡萄品种在不同的年份之间却表现出不同的特征（Sabateet al. 2002年）。葡萄表面微生物群的各种模式表明葡萄表面宿主-微生物相互作用的遗传成分。葡萄品种与浆果表面酵母（Sabateet al. 2002；Cordero-Buesoet al. 2011）和细菌种类（Renoufet al. 2005）丰度之间的关系以前在非常有限的尺度上有记录，但没有统计证明。葡萄品种在生长习性、胁迫和入侵反应方面的差异（Funget al. 2008）可以解释葡萄如何形成葡萄表面的微生物生态系统，解释了“正常”微生物群和品种在不同环境下对疾病压力的敏感性。例如，仙粉黛果实的薄皮和稠密的生长习性导致过度拥挤和浆果破碎（Smithet al. 2003），这种影响可能解释了仙粉黛葡萄表面葡萄糖酸杆菌、乳酸杆菌和发酵酵母菌（C. zemplinina）丰度的增加，因为这些微生物富集在受损的水果上（Baeataet al. 2012）。然而，与生物地理模式不同，与葡萄品种相关的非随机微生物模式也可能代表葡萄栽培实践的影响。许多栽培品种接受特殊的处理，包括棚架和树冠管理策略，这会改变葡萄的小气候、成分（Pereiraet al. 2006; Holtet al. 2008），从而可能改变微生物群落模式。不管潜在的机制是什么，强大的特定品种微生物模式的形成都为葡萄酒质量管理带来了许多机会。许多区分品种的分类单元是发酵生物，并可能在确定随后的葡萄酒发酵的化学特征方面发挥作用。例如，葡萄糖酸杆菌产生的我们不希望的醋酸盐、苹果酸转化、乳酸菌产生的异味或C. zemplinina（Tofaloet al. 2012）改善葡萄酒的感官特征，都代表了葡萄酒品质的影响。考虑到这些分类群与特定葡萄品种之间的明显关系，定制的发酵管理策略可以改善产品质量，例如，通过适度添加亚硫酸盐、控制温度、限制氧气、接种或冷浸渍，根据给定葡萄品种的模拟微生物组成来促进或抑制单个种群。例如，仙粉黛和葡萄糖酸杆菌之间的显著关系，需要特别注意亚硫酸盐的添加和氧气的暴露，以防止在该品种的发酵过程中产生过量的挥发性酸。

  4 微生物载体影响微生物多样性和结构功能

  酵母和动物之间在生态学上有着很强的联系，研究表明，被黄蜂和果蝇感染的无花果携带有细尖酵母和星形念珠菌（Milleret al. 1962）。一些数据表明，葡萄园中的蜜蜂和黄蜂携带葡萄的酵母（Davenportet al. 1973）。在研究酸腐病时，被果蝇携带的星形念珠菌、柠檬形克勒克酵母菌、膜璞毕赤酵母和醋酸细菌等对触发酸腐病至关重要（Fermaudet al. 2000）。此外，发现果蝇携带的酵母菌和醋酸细菌对引发酸腐至关重要。有实验从酿酒厂采集的果蝇肠道中分离出来的乳酸菌，主要是植物乳杆菌，与葡萄酒的苹果酸乳酸发酵密切相关（Groenewaldet al. 2006）。

  关于鸟类，最近的一项调查表明，鸟喙的拭子和消化道的最初部分是几种葡萄微生物物种的贮存器，如葡萄汁有孢汉逊酵母（Francescaet al. 2010）。

  5 人为活动影响微生物多样性和结构功能

  葡萄园的自然环境决定了葡萄的产量和成分。根据当地条件，优秀的人为管理可以优化整个年份的葡萄酒质量和风格。葡萄酒生产商选择具有有利环境条件（特别是气候和土壤）的葡萄园，以生产高质量的葡萄酒，以及适应当地环境的葡萄品种。葡萄种植者管理葡萄藤，以在葡萄的质量和产量之间取得平衡，并可能采用不同的整形，修剪，棚架和冠形，以收获健康作物，理想的果实成分并优化葡萄酒品质（ Reynoldset al. 2009年）。农药和肥料的施用是葡萄园中的常见干预措施，有机和生物动力法的葡萄栽培管理实践中，有一些证据表明，有机或生物动力法葡萄酒的微生物多样性在具体管理实践中具有优势（ Pagliariniet al. 2013）。自然发酵和相关的酿酒技术（例如冷浸，控制二氧化硫使用量）被认为可以表现出本土微生物的多样性，从而增强风土的表达（Capozziet al. 2015）。

  5.1 栽培技术

  包括农药，杀真菌剂和除草剂在内的特定人类干预措施可能会影响葡萄园中的微生物多样性（ Chouet al. 2018）。某些葡萄园农业实践改变了有机质和土壤养分的可利用性，从而影响土壤微生物群落的结构（Vega Avilaet al. 2014）。有研究表明砧木基因型的变化可能会影响葡萄根系及其相关的微生物群落，葡萄的相关微生物群落可能在其寄主植物的生产力和抗病性中发挥特殊作用（Marascoet al. 2018）。

  葡萄栽培措施可以改变地下微生物的组成。土壤细菌群落的结构与商业/有机/生物动力系统有关，由土壤资源库（尤其是碳和氮）的变化所介导（Burns等人，2016）。在有机和生物动力法葡萄园中添加堆肥可增加整体细菌多样性并改变群落组成，并且可通过耕作和覆盖作物管理增强效果。同样，生物动力葡萄园的土壤真菌多样性和群落组成与传统管理的不同，生物动力管理增强了葡萄生态位中的真菌多样性，但这种影响并未持续到收获的葡萄醪和发酵过程中（Morrison Whittleet al. 2017）。

  通过农业管理，特别是杀真菌剂的使用可以影响叶圈微生物群（Gilbert et al. 2014）。传统的葡萄园通常用几种农用化学品处理，而有机/生物动力葡萄园只接受硫和铜的配方。有研究表明，有机葡萄园和生物动力葡萄园中存在的酵母菌（酿酒酵母菌和非酿酒酵母菌）和总真菌（酵母菌和丝状真菌）的微生物多样性较高（Setatiet al. 2015），这可能是因为化学处理降低了与葡萄和葡萄酒相关的微生物丰富度和多样性（Escribano Vianaet al. 2018）。这种效果可以在有机或生物动力法的葡萄醪中进行自然发酵来得以维持，与常规葡萄园管理的葡萄醪相比，酵母的丰富度和多样性更高。对于发酵酵母物种尤其如此（Bagheriet al. 2015 ）。大量使用硫和铜等杀菌剂会降低酵母和真菌在最终发酵中的生物多样性（Grangeteauet al. 2017）。

  5.2 酿酒过程中的微生物管理

  葡萄酒工业已经开发了一系列促进葡萄酒发酵的方法，其中最有效的方法是接种酿酒酵母菌株和使用二氧化硫。商业酵母被广泛用于减少变质和不可预测的葡萄酒成分的风险，并确保稳定的葡萄酒风味。然而，接种的发酵减少了表现区域特征的微生物群，有研究表明，未接种商业酵母的葡萄酒比接种了商业酵母的葡萄酒具有更多的酵母和细菌多样性，包括更多的本土的物种和品系（M.Tantikachornikatet al. 2020）。自然发酵包括来自葡萄园和酿酒厂的多种酵母菌和酿酒酵母菌株，可增强葡萄酒的区域特征（Capozziet al. 2015）。存在的酵母种类的多样性可能对所得葡萄酒的风味产生很大的影响，例如，非酿酒酵母可以产生并分泌几种酶（酯酶，β-葡萄糖苷酶，蛋白酶），以合成挥发性化合物并在品种香气中起作用（Romanoet al. 2003）。冷浸法是一种广泛用于红葡萄酒生产中以改善葡萄酒色泽，香气和口感的技术，它可以根据温度来影响酵母菌种群的动态。例如，在14±1°C的温度下冷浸可以增加酵母菌总数，并有利于葡萄汁有孢汉逊酵母和假丝酵母的生长，而在8±1°C的温度下冷浸则有助于酿酒酵母的生长（Maturanoet al. 2015 ） 。 SO2处理有利于酿酒酵母的早期植入和控制，并以剂量依赖的方式改变葡萄酒微生物的多样性和发酵进程（Bokulichet al. 2015; Grangeteauet al. 2017）。浓度为25 mg / L的SO2是稳定微生物群落的理想选择，可在早期发酵时抑制乳酸菌和葡糖杆菌的生长，但不抑制其他细菌和真菌的生长，从而使微生物多样性最大化，从而有利于葡萄酒的区域风土的表达，生产出独特而优质的葡萄酒。