多種微生物共存下的空間位阻效應——固態法白酒風味豐富性及其與液態法白酒風味差異的原因分析

王旭亮，陳　耀，李　紅，王德良，王異靜，張五九（.中國食品發酵工業研究院，北京0005；.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺64005）

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多種微生物共存下的空間位阻效應——固態法白酒風味豐富性及其與液態法白酒風味差異的原因分析

王旭亮1，陳耀2，李紅1，王德良1，王異靜1，張五九1
（1.中國食品發酵工業研究院，北京100015；2.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺264005）

摘要：解析固態法白酒風味豐富性產生的原因對固態法白酒、液態法白酒的創新發展均具有重要意義。在查閱國內外大量文獻資料的基礎上，首先對固態法白酒風味豐富性、固態法白酒與液態法白酒風味差異性以及風味豐富性對中國白酒重要性進行了總結；其次對白酒發酵過程微生物的多樣性進行了綜述；再次從傳統固態法白酒的特征方面，論述了固態法白酒發酵過程中存在的空間位阻效應，并分析了其對白酒微生物多樣性、發酵體系復雜性及白酒風味豐富性的作用；最后在此基礎上提出了多種微生物共存下的空間位阻效應理論，以為固態發酵法白酒風味豐富性及其與液態發酵法白酒風味差異性的原因提供理論支持。

關鍵詞：發酵工程；白酒；風味豐富性；空間位阻效應；固態法白酒；液態法白酒；微生物多樣性

優先數字出版時間：2015-12-02；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151202.0947.001.html。

白酒是以糧谷為主要原料，以大曲、小曲或麩曲及酒母等為糖化發酵劑，經蒸煮、糖化、發酵、蒸餾而制成的飲料酒。依據《GB/T 17204—2008飲料酒分類》，白酒按生產工藝分為固態法白酒、液態法白酒和固液法白酒。其定義分別為：固態法白酒指以糧谷為原料，采用固態（或半固態）糖化、發酵、蒸餾，經陳釀、勾兌而成的，未添加食用酒精及非白酒發酵產生的呈香呈味物質，具有本品固有風格特征的白酒；液態法白酒指以含淀粉、糖類物質為原料，采用液態糖化、發酵蒸餾所得的基酒（或食用酒精），可以調香或串香，勾調而成的白酒；固液法白酒指以固態法白酒（不低于30 %）、液態法白酒、食品添加劑勾調而成的白酒。本文所述的固態法白酒是指在蒸煮、糖化、發酵、蒸餾等主要過程中采用固態基質形態生產的白酒，液態法白酒是指糖化、發酵、蒸餾等主要過程中采用液態基質形態生產的白酒，與《GB/T 17204—2008飲料酒分類》的定義略有不同，特此說明。

固態法生產白酒是中國白酒的傳統工藝。白酒作為中國特有的傳統酒種，是中華民族的瑰寶，其在長期發展演變過程中形成了自然多菌種固態發酵的獨特工藝，具有非常豐富的風味物質。但機械化和連續化程度相對較低、勞動強度大、生產成本相對較高。

液態法生產白酒是中國白酒工業的一項重大技術改革。相對于傳統固態法白酒，液態發酵法生產白酒具有出酒率高、機械化連續化程度高、成本低、不用輔料、勞動強度低、勞動效率高、便于綜合利用等優點[1]。但其存在風味物質豐富程度不足的問題，從而使液態法白酒口味淡薄、單一，缺乏固態法發酵白酒的自然感[2-3]。

固態法白酒發展中存在的機械連續化程度不高與液態法白酒存在風味物質豐富度低等問題，很大程度上是由于對固態法白酒中非常豐富的風味物質的產生機制尚無清晰認識。因此，從理論上探究固態法白酒風味豐富的原因，對固態法白酒、液態法白酒的創新發展均具有重要意義。

本文在查閱國內外大量文獻資料的基礎上，首先對固態法白酒風味豐富性、固態法白酒與液態法白酒風味差異性以及風味豐富性對中國白酒的重要性進行了總結；其次對白酒發酵過程中微生物多樣性進行了綜述；然后從傳統固態法白酒的特征，論述了固態法白酒發酵過程中存在的空間位阻效應，并分析了其對白酒微生物多樣性、發酵體系復雜性及白酒風味豐富性的作用；最后，在此基礎上提出了多種微生物共存下的空間位阻效應理論，以為固態發酵法白酒風味豐富性及其與液態發酵法白酒風味差異性的原因提供理論支持。

1傳統固態法白酒風味豐富性

1.1傳統固態法白酒風味豐富性

白酒是中國特有的一種蒸餾酒，獨特的生產工藝賦予了中國白酒獨特的風味特色，其香味組分極其復雜，組分種類之多，含量跨度之大，堪稱世界蒸餾酒之冠[4]。自20世紀60年代就開始以現代分析技術對中國白酒風味進行分析，隨著分析技術的不斷進步和革新，對于白酒中風味物質豐富性的認識也逐漸深入。

1968年，輕工業部食品發酵工業研究所（現改名為中國食品發酵工業研究院）與中科院大連化物所合作，對茅臺酒香味組分進行了剖析研究，采用了包括填充柱、毛細管柱和制備色譜在內的系列分離方法以及紅外、質譜等鑒定技術，從茅臺酒中定性鑒定了50種組分，從而奠定了在我國采用現代色譜技術分析白酒的基礎[4]。

自1968年色譜分析技術引入白酒組分分析以來，白酒中越來越多的微量成分被發現。

1984年，熊子書[5]對當時已檢出白酒中香味成分進行了統計，為136種（定量的有90種），其中酸類25種，酯類42種，醇類30種，醛類10種，酮類3種，芳香族化合物8種，氨基酸10種，多元醇4種，硫化物及游離氨4種，加上有些尚未確認的，總數在150種以上。

1998年，沈怡方[6]綜述了在白酒中已經檢測出了342種香味物質，定量的物質有180種以上。其中醇類37種（包括多元醇5種），酯類100種，酸類42種，氨基酸15種，羰基化合物30種，縮醛21種，含氮化合物38種，含硫化合物7種，呋喃化合物6種，酚類化合物13種，醚類化合物10種，其他3種。

2007年，季克良等[7]用全二維氣相色譜/飛行時間質譜（GC×GC/TOFMS）研究白酒中的微量成分，并對我國主要傳統香型白酒中微量成分進行了比較。在相同條件下，醬香型白酒分出963個峰，濃香型白酒分出674個峰，清香型白酒分出484個峰。鑒定出匹配度大于800的組分：醬香型白酒的為873種，濃香型白酒的為342種，清香型白酒的為178種。

2007—2009年，“中國清香型汾酒風味物質剖析技術體系及其關鍵風味物質研究”項目組，利用GC-MS技術，在清香型白酒中檢測出703種化合物，其中醇類58種，醛類19種，縮醛類10種，酮類38種，酯類124種，脂肪酸類31種，吡嗪類12種，酚類27種，芳香族化合物91種，萜烯類41種，吡啶及吡咯類8種，呋喃類22種，內酯類10種，硫化物16種，氨基類7種，烷烴類38種，其他化合物11種，未知化合物（有色譜峰，但不能確定的化合物）140種，確定了366種化合物的結構[8]。

2012年，徐占成等[9]將攪拌吸附萃取（SBSE）和全二維氣相色譜/飛行時間質譜聯用技術（GC×GC/TOFMS）聯合應用，在劍南春酒中檢測出1870種微量成分。

由以上研究可以看出，隨著分析技術的發展，對傳統固態白酒的風味成分分析越來越深入，更多的微量成分被檢測出來[9]，并充分說明傳統固態法白酒具有非常豐富的風味物質。隨著科技的進步，傳統固態法白酒中更為豐富的風味物質將會被檢測出。

1.2固態法與液態法白酒風味差異性

液態法白酒是中國白酒工業的一項重大技術改革，其相對于傳統固態法白酒，在機械自動化及精準控制方面具有無可比擬的優勢[1]，但卻沒有取得長足的發展，其中很重要的一個原因是由于液態法白酒與固態法白酒的風味具有明顯差異，在人們長期飲用固態法白酒并形成習慣的情況下，液態法白酒很難得到認可[10]。因此，分析液態法白酒與固態法白酒的差異對液態法白酒的發展具有很重要的意義。

研究表明，相對于傳統固態法白酒，液態法白酒風味相對單一、缺乏固態法白酒的自然感[2-3]。金橋采用常規化驗、紙柱層析、氣相色譜等分析手段，初步揭示出液態法白酒與固態法白酒的主要差別為：液態法白酒中的高級醇（雜醇油）比固態法白酒高2倍左右，其中異丁醇與異戊醇的比值也較大；液態法白酒中的酯類在數量上只有固態法的三分之一左右，在種類上則更少；液態法白酒中的酸類僅為固態法的十分之一左右；液態法白酒的全部香氣成分不足20種，而固態法白酒卻有40～50余種[2]。章忠泰等[11]采用毛細柱加填充柱2種結合的方法，分析了固態法白酒和液態法白酒中除色譜骨架成分（乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯）外的高級脂肪酸酯的差異，由檢測結果可以看出，液態法白酒中除色譜骨架外的主要酯類的含量和種類要明顯低于固態法白酒。由此可見，液態法白酒風味單一，不僅表現在骨架成分的低酸、低酯、高醇，更表現在風味物質的種類相對較少。

對于液態法白酒中存在的風味單一的問題，行業內進行了大量的研究，并取得了很大的進展，基本上解決了液態發酵法白酒低酸、低酯、高雜醇油等骨架成分與固態法白酒的問題[12]。但尚未從根本上解決液態發酵白酒口感淡薄、風味物質不足的問題[1]。由此可見，相對于低酸、低酯、高醇等骨架成分方面的差異，風味物質豐富程度的不足是液態法白酒與固態法白酒更為本質的差異。

1.3豐富的微量風味成分是中國白酒的重要基礎

固態法白酒作為中國白酒的傳統酒種，人們在長期飲用過程中形成了固有消費習慣和質量評判標準，而含有非常豐富的風味物質是固態法白酒的重要特征，因此酒體的豐富性也成為評判中國白酒質量和價值優劣的重要物質基礎[10]。從以下幾個方面可以說明此問題：名優白酒中均檢測出種類豐富的風味物質[7-9]；感官品評與風味物質檢測相結合分析也表明風味物質種類數量與產品質量具有明顯的相關性[7]；在生產實踐中，少量的調味酒對白酒的香氣、口感和風格具有決定性的影響，但檢測它們的色譜骨架成分，并沒有發現有多大的不同，這就是所謂的復雜成分起重要作用[13]；串蒸法可以有效提高液態法白酒的質量，無論是丟糟串蒸、香醅串蒸，還是浸蒸，本質上都是提取固態發酵酒醅中的風味物質；而固液勾兌法則更是直接利用固態法白酒風味豐富性來提高液態法白酒的質量[14]。因此，含有豐富的微量成分是決定中國白酒香氣、口感、風格和質量的關鍵因素，是中國白酒的典型特征和重要基礎。

綜上所述，含有種類豐富的微量風味物質是傳統固態法白酒的典型特征，是固態法白酒和液態法白酒的本質差異，同時也是中國白酒的重要物質基礎和核心，是決定中國白酒香氣、口感、風味和質量的關鍵因素。

2傳統固態法白酒釀造微生物多樣性

具有種類豐富的風味物質是中國白酒的重要特征，對中國白酒的風格形成具有不可替代的作用。與威士忌、白蘭地、朗姆酒等蒸餾酒的風味物質主要來源于原料和貯存容器不同，中國白酒的風味物質主要由微生物代謝產生[15]。近年來的研究表明，微生物多樣性是導致白酒風味物質復雜性的重要基礎；多微液態發酵、多微麩曲等也相繼被證實優于相對單一的純菌工藝[16-17]。盡管已經認識到多菌種混合發酵優于單一菌種發酵，但由于缺乏有效的技術手段，對白酒微生物多樣性的復雜程度尚未有充分的認識。

近年來，隨著宏基因組學技術尤其是焦磷酸測序技術的發展，為研究白酒微生物多樣性提供了可能。隨著這些技術在白酒領域的應用，發現傳統固態法白酒具有令人難以置信的巨大微生物多樣性。正是由于這種巨大的微生物多樣性，才致使中國白酒中風味物質的異常豐富性。

本節將從廣度和深度兩個方面對傳統固態法白酒微生物多樣性進行綜述，同時對白酒微生物多樣性研究中存在低估的問題進行簡要分析。

2.1微生物多樣性的廣度

白酒微生物分布具有很大的廣度，涵蓋原核微生物中的細菌和放線菌，真核微生物中的霉菌和酵母，以及古細菌[15]。近年來，隨著宏基因組學技術尤其是高通量測序技術的應用，進一步發現白酒中微生物種類具有極其廣泛的分布。

喬曉梅等[18]利用高通量測序法分析了冷季和熱季清香型白酒生產用曲真菌群落結構，結果共比對出90種真核生物。

袁帥[19]以茅臺、國臺第4次蒸餾前的酒糟為研究對象，對醬香型酒糟中細菌多樣性進行研究，構建16S rDNA V4區文庫進行高通量測序分析，分別讀出6755和6738個OTUs（操作分類單元，operational taxonomic unit）。主要分屬11個門：酸桿菌門（Acidobacteria），放線菌門（Actinobacteria），擬桿菌門（Bacteroidetes），綠菌門（Chlorobi），綠彎菌門（Chloroflexi），泉古菌門（Crenarchaeo），厚壁菌門（Firmicutes），芽單胞菌門（Gemmatimonadetes），浮霉菌門（Planctomycetes），變形菌門（Proteobacteria），疣微菌門（Verrucomicrobia）。

陶勇等[20]通過454焦磷酸測序法系統研究了濃香型不同窖齡窖泥的細菌和古菌的群落組成及多樣性。共獲得494293個有效序列，可歸為796個可操作分類單元（OTUs），分別屬于21個門（phylum）。優勢分類門（≥1 %）分別為厚壁菌門（Firmicutes）66.8 %、擬桿菌門（Bacteroidetes）16.0 %、廣古菌門（Euryarchaeota）9.0 %、螺旋體門（Spirochaetes）2.2 %、放線菌門（Actinobacteria）1.8 %和綠彎菌門（Chloroflexi）1.0 %。

王福楨[21]通過454焦磷酸測序法，對8個濃香型窖泥樣本中原核和真核微生物進行了分析，發現原核微生物分屬于18個門，213個屬，細菌總OTUs有1183個。同時還發現真核微生物群落分屬于5個門，9個綱，10個目，13個科，18個屬，真菌總OTU種類為64個。

王莉等[22]以細菌16S rDNA的V6區為對象，采用Illumina高通量測序平臺進行深度測序技術，對比分析了醬香型窖底泥與土壤微生物的差異。共獲得14156條高質量的V6區標簽序，聚類分析共產生1801條OTU序列，其中土壤樣本680條，使用1個月的窖底泥樣本629條，使用12個月的窖底泥樣本492條。

由以上研究可以看出，白酒微生物具有豐富的種類和極其廣泛的跨度，且酒曲、酒醅、窖泥等中微生物均呈現巨大的多樣性。

2.2微生物多樣性的復雜度

白酒微生物多樣性不僅呈現出種類多、分布寬等廣度方面，而且還具有相當的復雜度，具體表現在以下兩個方面：同一功能具有多種微生物，同種微生物具有不同的生理生化特性。

(1)同一功能具有多種微生物。馬凱對清香型大曲中可培養真菌多樣性進行了研究，發現在白酒中主要提供糖化力的霉菌分布在傘枝犁頭霉（Absidia corymbifera）、匍枝毛霉（Rhizopus stolonifer）、黃曲霉（Aspergillus flavus）、普通青霉（Penicillium commune）、多變根毛霉（Rhizomucor variabilis var. Regularior）、微小根毛霉（Rhizomucor pusillus）、卷枝毛霉（Mucor circinelloides）等7個屬[23]。王濤對宜賓多糧濃香型白酒釀造環節中產酯化酶霉菌多樣性進行了分析，發現其分屬青霉屬（Penicillium）、曲霉屬（Aspergillus）、翹孢霉屬（Emericella）、根霉屬（Rhizopus）、枝孢屬（Cladosporium）、毛霉菌（Mucor）等6個屬[24]。熊亞對濃香窖泥中乳酸菌多樣性進行了分析，發現其分屬于乳桿菌屬（Lactobacillus）、片球菌屬（Pediococcus）、魏斯氏菌屬（Weissella）、腸球菌屬（Enterococcus）、微小桿菌屬（Exiguobacterium）、桿菌屬（Bacillus）、Rummeliibacillus屬、Cohnella屬等8個屬[25]。楊菁瑾對濃香窖泥中己酸菌的多樣性進行了分析，發現其分屬梭菌屬（Clostridium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等3個屬[26]。

(2)同種微生物不同菌株間生理生化特性具有顯著差異。對于白酒生產過程中同種微生物不同菌株間生理生化特性的差異，針對性的研究相對較少，但從白酒優質微生物的篩選過程不難看出，白酒生產過程中同種類微生物存在性能及理化特性差異程度不一的菌株。

曾娟等[27]以濃香型白酒醅為篩選源，定向篩選3株高產酒精酵母菌，分子鑒定結果均與釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）具有極高的相似性，但從篩選過程中發現各菌株性能明顯具有差異性。劉婷婷[28]從中國傳統白酒白云邊酒的發酵堆積料和出池酒醅中分離得到了7株典型酵母菌，其中4株鑒定為東方伊薩酵母（Issatchenkia orientalis）；并進行了耐高溫能力、耐酒精能力、以及酒精發酵試驗，試驗結果顯示4株東方伊薩酵母（Issatchenkia orientalis）的性能具有明顯差異。李光輝[29]對同一濃香型白酒發酵系統中酵母菌的耐酸性能進行了測試，將其分為不同的pH種群。本課題組在進行白酒發酵高糖化性能霉菌篩選時也發現，不同種類霉菌中存在糖化酶活力不同的菌株，在進行清香型白酒優質產酯酵母菌篩選時發現不同菌株的風味代謝產物具有明顯的區別[31]。

由于菌株篩選時通常只對性能優異的菌株進行鑒定，因此對于發酵體系內同種微生物的性能差異存在反映不足的問題。盡管如此，從已鑒定的優勢同種菌株也可以看出性能存在明顯差異。而優勢菌株均是按照一定的標準篩選出來的，其性能已經較為接近，因此不難推斷白酒微生物種內差異更為顯著，種內多樣性也更為復雜。

2.3微生物多樣性研究中存在低估問題

盡管大量的文獻顯示白酒微生物呈現出巨大的多樣性，但白酒微生物的多樣性仍有可能被低估了，這主要是現有研究的技術深度所限，主要表現為3個方面：分類標準帶來微生物多樣性的低估，基因檢測區域局限性導致微生物多樣性的低估，研究方向局限性帶來的微生物多樣性低估。下面將分別對其進行闡述。

(1)分類標準帶來微生物多樣性的低估。當前白酒微生物多樣性多采用分子基因方法進行研究，通常采用可操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs）來表示微生物的種類，其定義為一個或多個基因區域的相似性。以相似度作為微生物的分類標準，就使微生物多樣性很大程度上受分辨率的影響。例如微生物A和微生物B相似度為98 %，在低分辨率（相似度97 %）的情況下A、B將歸為同一OTUs，只有在較高分辨率（相似度99 %）的情況下才可以被區分為兩個OUTs[32]。而目前白酒微生物多樣性研究多采用較低的分辨率（相似度97 %）[18，20-22]，因此理論上白酒微生物多樣性很有可能被低估。

(2)基因檢測區域局限性導致微生物多樣性的低估。目前白酒微生物多樣性研究主要基于16S rRNA、ITS、18S rRNA、26S rRNA等區域的基因序列檢測分析[18-22]，這些基因序列在結構與功能上具有高度的保守性。而微生物的特殊性能往往不是由保守基因決定的，例如同為釀酒酵母，產酒能力卻大不相同，這些性能的差異性往往對白酒生產具有更為重要的作用。同時環境適應能力往往是由一些輔助基因決定的，如質粒、轉座子等，這些基因可以在相同環境性的不同微生物共有，而不同環境下的同種微生物則不具備[33]。除此之外，研究微生物生態結構多樣性往往需要全基因或多位點基因檢測和全序列比對技術，而目前采用的基因特定保守區域進行多樣性分析則有明顯的局限性[32]。因此，基于以上兩方面的原因，造成了對白酒微生物多樣性的低估。

(3)研究方向局限性帶來的微生物多樣性低估。微生物的基因整體可以分為核心基因和輔助基因2個部分[34]，核心基因反映同種類微生物的共有特性或基礎特性，相對比較穩定，具有重要的分類學意義；而輔助基因反映同種微生物間不同個體的獨有特性，易變性強[33]，具有重要的工業生產意義。而目前白酒微生物多樣性的研究主要側重于核心基因的研究，而關于輔助基因的研究相對較少。這種研究方向的局限性也勢必造成白酒微生物多樣性的低估。

綜上所述，盡管由于技術手段和研究方向帶來的多樣性低估，現有的研究也充分顯示了白酒微生物具有巨大的微生物多樣性，具體表現為：參與白酒發酵的微生物種類極其豐富，涵蓋范圍十分廣泛；酒曲、酒醅、窖泥等中微生物均呈現復雜的多樣性；同一功能具有多種不同微生物，同種微生物具有不同的生理生化特性。

3傳統固態法白酒發酵過程中的空間位阻效應

具有種類豐富的風味物質是中國傳統固態法白酒的重要特征，對中國白酒風格形成具有不可替代的作用；而發酵過程存在的巨大微生物多樣性，并由此產生復雜多樣的代謝產物，是造就白酒風味物質豐富性的重要基礎。

然而依據競爭排除理論，不具有競爭優勢的物種將逐漸消亡[35]，致使同一生態位只能存在一種生物[36]，從而使微生物多樣性降低[37]。這與白酒微生物呈現的巨大多樣性相悖，可稱之為白酒微生物多樣性悖論。因此，解析中國白酒中豐富風味物質的產生機制，就必須回答白酒微生物多樣性是如何保持的問題。

本節將針對如何解釋白酒發酵過程、如何保持巨大的微生物多樣性以及非常豐富風味代謝產物的代謝產生機制，從傳統固態法白酒的特征，論述固態法白酒發酵過程中存在的空間位阻效應，并分析了其對白酒微生物多樣性、發酵體系復雜性及白酒風味豐富性的作用。在此基礎上提出了多種微生物共存下的空間位阻效應理論，對固態發酵法白酒風味豐富性及其與液態發酵法白酒風味差異性的原因進行了解釋。

3.1中國白酒生產中的空間位阻效應

空間位阻效應（Steric hindrance）指由于分子間活性基團不能有效接觸，從而導致原本能發生的化學反應不能順利進行的現象，是影響化學反應的重要因素[38]。本文將空間位阻概念引入中國傳統白酒領域，將其描述為：由于固態發酵帶來的空間位阻，致使白酒發酵過程物質、能量、動量傳遞受阻的現象，為了更為貼切的描述，英文名稱為Spatial hindrance。

固態發酵是中國白酒的重要工藝特點，且多采用靜止固態發酵的形式。固態發酵通指在沒有或幾乎沒有自由水存在下的發酵過程[39]。與液態發酵相比，固態發酵具有2個典型的特征：固態基質顆粒間以氣相為連續相，顆粒內缺乏自由水。這就致使固態發酵過程存在兩方面的位阻效應：發酵基質顆粒間的空間位阻效應和發酵基質顆粒內的空間位阻效應。

基質顆粒間的空間位阻效應。與液態發酵以水溶液為連續相不同，固態發酵則以氣體為連續相[40]。而物質擴散和細胞營養吸收主要在液態水溶液中進行[41]，這就使固態發酵過程基質顆粒間物質的擴散和傳遞受阻[42]。與水相比，空氣以及固態基質的導熱性能差，這不利于熱量的傳遞[40]。同時，由于固體顆粒流動性差，空氣密度較水小，因此固態發酵體系中動量傳遞也明顯受阻。

基質顆粒內的空間位阻效應。中國白酒以糧谷為原料，通過粉碎或部分粉碎、蒸煮后作為發酵基質。在此基質上，水以與淀粉等物質結合的形態存在，缺乏自由水。由于水分是物質、能量、動量傳遞的載體，而自由水的缺乏勢必使基質顆粒內物質、能量、動量傳遞受到阻礙。

由上所述，中國白酒生產過程中的空間位阻效應可歸納如下：由于中國白酒傳統工藝的靜止固態發酵特點，使發酵體系內固態、液態、氣態三相共存，缺乏自由水，并以氣體為流動相，由此帶來固態基質顆粒間和顆粒內物質、熱量、動量的傳遞受阻，此種現象即為中國白酒生產過程中的空間位阻效應。

3.2空間位阻效應對微生物多樣性的影響

微生物通常不是以個體形式存在，而是以生態交互網絡結構的群體形式存在[36]。競爭關系是生態交互網絡中重要的關系，影響著系統內群體的結構。生態學競爭主要是指一個個體影響其他個體生存繁殖的過程，其主要有2種類型：資源掠奪型競爭（exploitative competition）和直接干擾型競爭（interference competition）[43]。資源掠奪型競爭指不同個體同時需要同種資源而發生的競爭，是一些個體由于先利用了資源而影響其他個體可利用資源量的行為；這是一種間接競爭，同種微生物和相近種類微生物個體間的競爭多屬此種類型[44]，如白酒發酵過程中釀酒酵母不同個體間都需要以還原糖為碳源而發生的競爭。直接干擾型競爭指一些個體直接傷害其他個體而發生的競爭，是直接阻止競爭者利用資源的行為；這是一種直接的競爭，通常發生在不同微生物之間[45]，例如：白酒發酵過程中釀酒酵母通過分泌酒精或乳酸菌通過分泌乳酸從而阻礙其他微生物生長繁殖。在自然選擇的作用下，充分競爭的結果往往使得一種或幾種沒有競爭關系的優勢微生物得以生存，沒有競爭優勢的微生物則會消亡；從系統角度上看，充分競爭的結果就是微生物多樣性的減少[46]。而白酒發酵過程采用靜止固態發酵，并由其造成的發酵體系內物質、熱量、動量的傳遞受阻，這就阻礙了白酒微生物之間的相互作用，有效地避免了微生物之間的競爭，從而保持了白酒發酵過程中的微生物多樣性[35]。

由于微生物之間的競爭不僅在種間進行，而且也在種內進行，因此白酒生產中的空間位阻效應不僅使微生物的種類呈現多樣化，而且在相同資源條件下，也勢必會增加微生物的整體數量。更進一步，無論是微生物整體數量的增加，還是微生物種類多樣化增加，都將進一步的增加微生物的變異量。而空間位阻效應也有利于變異型的保持，從而使白酒發酵體系內呈現更為復雜的多樣性。

綜上所述，空間位阻效應可以有效阻止白酒發酵體系內微生物個體之間的競爭，從而使微生物多樣性得以有效保持，并有利于微生物整體數量和變異量的增加，從而使體系呈現更為復雜的多樣性。

3.3空間位阻效應對發酵過程環境復雜性的影響

空間位阻效應使白酒發酵體系微分為數量眾多且相對獨立的微生態體系。中國白酒采用自然靜止固態發酵的形式，固態、液態、氣態三相并存，并以氣體為連續相[39]，使得不同糧食顆粒之間的物質、熱量和動量傳遞受阻，減少了不同糧食顆粒間的交互作用。同時采用稻殼為輔料，進一步增加了阻隔效應。這就使中國白酒發酵體系分割為數量眾多相對獨立的微生態體系，每個微生態體系都相對獨立的進行演化。

發酵基質顆粒的非均一性使微生態體系初始狀態呈現差異性。中國白酒以天然糧谷為原料，其存在天然的非均一性。原料多采用錘式、輥式粉碎，制曲原料和釀酒原料的顆粒均呈現出很大的差異性[6]。而基質顆粒大小是固態發酵的重要影響因素，其對發酵過程微生物生長、物質和能量的傳遞具有重要的作用?；|顆粒越小，比表面積越大。這通常意味著微生物有更多的生長空間，顆粒內以及顆粒與氣相之間物質和熱量更容易傳遞，但卻不利于整個發酵體系與外環境之間物質和能量的傳遞[47]。因此，基質顆粒的非均一性使微生態體系的初始條件呈現差異性，使其具備演化成更為復雜的微生態體系的可能。

物質傳遞受阻使發酵體系各微環境呈現不同的生態過程。盡管固態發酵以氣態為流動相，有利于氧氣的擴散，但白酒生產過程采用地缸、窖池等半封閉的發酵容器[6]，發酵容器內處于相對微氧狀態；氧氣呈現由表面酒醅向深層酒醅的擴散過程，使得表層酒醅氧氣濃度高于深層酒醅；表層微生物優先于深層微生物利用氧氣，這進一步加劇不同層次酒醅氧氣濃度的差異。同時，由于靜止固態發酵不同深度空氣分壓呈現明顯差異[48]，這就使氧氣濃度在發酵體系內呈現梯度分布。而氧氣對于微生物的生長、發育、繁殖、代謝，以及微生物群落的變化具有重要的作用。氧氣濃度梯度化的差異必然導致微生態體系梯度式的差異和分化。

熱量傳遞受阻使微生態環境呈現梯度式差異。微生物代謝活動會產生大量的熱量，而固態發酵由于傳熱效率低，容易導致熱量積聚，并在體系內產生溫度梯度。Rathbun研究靜止固態發酵時發現，體系內的溫度梯度高達3℃/cm物料深度，發酵過程物料溫度升高幅度超過20℃[48-49]。中國白酒制曲過程中物料溫度升高幅度甚至超過30℃；發酵過程中酒醅溫度升高也在15℃左右，并呈現前緩、中挺、后緩落的趨勢[6]。而且，發酵過程不同部位酒醅溫度呈現明顯差異[50]。溫度也是微生物生長繁殖、物質代謝的重要影響因素。發酵過程溫度的時空差異化分布，勢必造成微生態環境更為復雜的變化。

綜上所述，空間位阻效應將白酒發酵體系分隔為數量眾多的微生態體系，每個微生態體系相對獨立的進行演化；天然原料帶來的發酵基質顆粒的非均一性，使微生態體系具備差異性演化的趨勢；傳質受阻導致氧氣濃度的梯度差異，進而激發了差異性演化的過程；傳熱受阻導致的溫度梯度差異，則加劇了微生態的差異性演化程度。而這些因素并不是單獨發生的，各因素間相互作用勢必導致白酒發酵過程更為復雜的微生態環境變化。

3.4空間位阻效應對固態白酒風味豐富性的影響

空間位阻效應使白酒發酵過程呈現令人難以置信的微生物多樣性、異常復雜的微生態環境，二者并非獨立存在，而是存在交互作用，而這對中國白酒風味的豐富性具有重要的作用。

微生物多樣性帶來的風味豐富性。不同種類的微生物具有不同的生理生化特性，代謝產物也各不相同。如己酸菌主要產生己酸，乳酸菌則代謝產生乳酸，四甲基吡嗪主要代謝菌株為枯草芽孢桿菌，產酯酵母代謝產生乙酸乙酯。同時，相同種類的不同菌株代謝產物也各不相同[51]。種類多樣的微生物則帶來更為豐富的次生代謝產物，而空間位阻效應使白酒發酵過程呈現令人難以置信的微生物多樣性，這是中國白酒中豐富風味的基礎來源。

微環境復雜性帶來的風味豐富性。環境條件對微生物的生長代謝具有重要影響，同種微生物在不同的環境條件下呈現不同的生長特性，并代謝出不同的次生代謝產物[52]。如酵母在氧氣充足條件下代謝葡萄糖產生二氧化碳和水，在氧氣不足的條件下，進行無氧代謝產生酒精；己酸菌更適宜于厭氧環境，并代謝己酸；產酯酵母在有氧條件下容易代謝產生乙酸乙酯；枯草芽孢桿菌在45℃以上更容易進行生物催化美拉德反應。空間位阻效應使白酒發酵體系分化為多樣化的環境體系，使發酵體系呈現高度的復雜性。這就使得微生物的代謝途徑的激發也呈現多樣化的趨勢，從而使代謝產物更為復雜。

微生物多樣性與微環境交互作用帶來的風味物質豐富性。發酵過程是微生物與環境條件相互作用的結果，二者存在交互作用，相互影響?？臻g位阻效應形成白酒發酵體系內的多樣微生物與多樣化微環境互相作用，使多樣化的微生態體系進一步放大，形成更為復雜的微生態體系，這勢必導致白酒發酵過程中產生豐富多樣的風味代謝產物。

3.5中國白酒風味豐富性的“多種微生物共存下的空間位阻效應理論”

固態法生產白酒是中國白酒的傳統工藝，其產品具有非常豐富的風味物質，而這也是與液態法白酒的重要區別；同時，固態法白酒發酵過程中具有令人難以置信的巨大微生物多樣性，而這種巨大的微生物多樣性是與競爭理論相悖的。針對如何解釋白酒發酵過程如何保持巨大的微生物多樣性以及非常豐富的風味代謝產物的代謝產生機制，通過上文的分析，提出多種微生物共存下的空間位阻效應理論。

固態發酵以氣相為連續相，這就使系統內的物質、熱量、動量傳遞受阻，這一方面使微生物之間不能得到充分的競爭，從而保持了微生物的多樣性；另一方面，使發酵體系不同位置的氧氣含量、溫度等環境條件呈現差異性，導致發酵體系微分為多樣化的環境體系。在多樣化的微環境體系和微生物多樣性的交互作用下，進一步加劇發酵系統內微生態體系的分化，勢必產生更為復雜的代謝產物，這就導致固態法白酒呈現更為復雜豐富的風味體系（圖1）。

相對于固態發酵，液態發酵多以水溶液為連續相，這就便于系統內的物質、熱量、動量的傳遞，這一方面使微生物之間得以充分競爭，從而降低了微生物的多樣性；另一方面，使發酵體系不同位置的環境條件更加一致，從而形成均一化的微環境體系。在微環境體系相對均一化和微生物多樣性相對較少的情況下，勢必使代謝產物相對較少，這就導致液態法白酒風味物質豐富性弱于固態法白酒，酒體相對單一。

4結果與討論

固態法生產白酒是中國白酒的傳統生產工藝，具有非常豐富的風味物質，但不便于機械連續自動化和精準控制的實現；液態法生產白酒是中國白酒工業的一項重大技術改革，在機械連續自動化和精準控制方面有無可比擬的優勢，但風味物質豐富程度不足，口味淡薄、單一，缺乏固態發酵白酒的自然感。

固態法白酒發展中存在機械連續化程度不高與液態法白酒存在風味物質豐富度低等問題，很大程度上是由于對固態法白酒中非常豐富的風味物質的產生機制尚無清晰的認識。因此，從理論上探究固態法白酒風味非常豐富的原因，對固態法白酒、液態法白酒的創新發展均具有重要意義。本文在查閱國內外大量文獻資料的基礎上，對此進行了綜述分析，主要有以下幾方面工作和結論：

首先，對固態法白酒風味豐富性、固態法白酒與液態法白酒風味差異性以及風味豐富性對中國白酒重要性進行了總結。更加明析如下問題：含有種類豐富的微量風味物質是傳統固態法白酒的典型特征，是固態法白酒和液態法白酒的本質差異，同時也是決定中國白酒風格特點的關鍵基礎和核心。

其次，對白酒發酵過程中微生物多樣性進行了綜述，發現參與固態法白酒發酵的微生物具有令人難以置信的多樣性，表現為如下方面：種類極其豐富，涵蓋種類十分廣泛；酒曲、酒醅、窖泥等中的微生物均呈現復雜的多樣性；同一功能具有多種不同微生物，同種微生物具有不同的生理生化特性。

圖1多種微生物共存下的空間位阻效應

再次，從傳統固態法白酒的特征，論述了固態法白酒發酵過程中存在的空間位阻效應，并分析了其對白酒微生物多樣性、發酵體系復雜性及白酒風味豐富性的作用。在此基礎上提出了多種微生物共存下的空間位阻效應理論，即固態發酵以氣相為連續相，這就使系統內的物質、熱量、動量傳遞受阻，這一方面使微生物之間不能得到充分的競爭，從而保持了微生物的多樣性；另一方面，使發酵體系不同位置的氧氣含量、溫度等環境條件呈現差異性，導致發酵體系多樣化的環境體系。在多樣化的微環境體系和微生物多樣性的交互作用下，進一步加劇發酵系統內微生態體系的分化，勢必產生更為復雜的代謝產物，這就導致固態法白酒呈現更為復雜豐富的風味體系。

最后，采用多種微生物共存下的空間位阻效應理論，對固態發酵法白酒風味豐富性及其與液態發酵法白酒風味差異性的原因進行了解釋。

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習酒十三五目標：5年內進入白酒十強

本刊訊：據《酒業家》報道，貴州茅臺集團習酒銷售公司總經理楊云在2016年習酒經銷商大會上表示，2015年習酒完成了目標任務，銷售收入超過20億，同比增長20 %以上。習酒的十三五愿景是，每年保持實現20 %以上的增長，力爭十三五末實現翻一翻,5年內習酒進入全國白酒10強。公司2016年的營銷思路包括：聚焦品牌、聚焦產品、聚焦市場、聚焦費用、聚焦傳播模式。夯實根基市場、夯實市場基礎。市場建設“三”原則：三動：指揮中心要動（向前移）、服務重心要動（要貼近經銷商和消費者）、活動開展要動（利用外勤365對開展的情況實施網絡化管控）。三不動：價格堅持不動、凈化市場的決心不動、努力實現2016年度目標的信心不動。

來源：酒業家2015-12-29

白酒專家鐘國輝新著發行

本刊訊：白酒專家鐘國輝新著《1956—1967年科學技術遠景規劃與中國白酒現代化》一書出版發行，該書是鐘國輝先生親身經歷和收集到的資料中的精華，鐘老為發展我國釀酒科學技術事業做出突出貢獻，享受國務院專家津貼。耄耋之年仍筆耕不綴，近年來他先后在多家媒體發表的60多篇文章和30多張行業活動照片，都詳載于書中，為新中國白酒發展史提供借鑒?！袄象K伏櫪、志在千里”恭祝鐘老健康長壽，繼續為我國獨創的白酒發展，獻上美麗贊歌！

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Steric Hindrance Effects in the Coexistence of Varieties of Microbes：Analysis of the Causes for Flavor Difference between Solid-fermentation Baijiu and Liquid-Fermentation Baijiu

WANG Xuliang1, CHEN Yao2, LI Hong1, WANG Deliang1, WANG Yijing1and ZHANG Wujiu1
(1.China National Research Institute of Food & Fermentation Industries, Beijing 100015；2. College of Life Science, Yantai University, Yantai, Shandong 264005, China)

Abstract:A clear understanding of the formation mechanism of rich flavoring compounds in solid-fermentation Baijiu is of great significance in innovative development of both solid-fermentation Baijiu and liquid-fermentation Baijiu. In this paper, based on the research data at home and abroad, the flavor richness of solid-fermentation Baijiu, the flavor difference between solid-fermentation Baijiu and liquid-fermentation Baijiu, and the important roles of flavor richness in Baijiu production were summed up firstly, then microbial diversity in liquor fermentation process was reviewed, and then steric hindrance effects in the fermentation process of solid-fermentation Baijiu and its effects on microbial diversity, fermenting system complexity, and liquor flavor richness were discussed from the angle of solid-fermentation Baijiu characteristics, finally, the theory named steric hindrance effects in the coexistence of varieties of microbes was put forward to explain the formation mechanism of rich flavoring compounds in solid-fermentation Baijiu.

Key words:fermentation engineering; Baijiu; flavor richness; steric hindrance effects; solid-fermentation Baijiu; liquid-fermentation Baijiu; microbial diversity

通訊作者：張五九。

作者簡介：王旭亮(1984-)，男，河南洛陽人，工程師，碩士，研究方向為釀酒科學與技術，E-mail：wang-xuliang@163.com。

收稿日期：2015-10-16

基金項目：國家863項目(2012AA021205)；“中國白酒3C計劃——傳統固態法白酒創新工藝研究”項目。

DOI：10.13746/j.njkj.2015401

中圖分類號：TS262.3；TS261.4；Q93-3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-9286（2016）01-0001-09