国家自然科学基金|西南科技大学何桂强副教授：浓香型酒醅中尿素降解菌的辨析及鉴定

摘要：尿素是白酒生产中致癌物氨基甲酸乙酯的主要前体物质，本研究基于Illumina NovaSeq高通量测序并结合生物信息学以及菌群与尿素的关联性分析，从同一酒企不同窖池发酵的浓香型酒醅中辨析潜在的尿素降解菌群。结果表明，6个不同发酵酒醅中尿素含量为60.89~73.29 mg/kg；皮尔森相关分析表明，尿素含量与短杆菌属Brevibacterium（相关系数rho=−0.7591）、链球菌属Streptococcus（rho=−0.7969）、韦荣氏球菌属Veillonella（rho=−0.8522）和假单胞菌属Pseudomonas（rho=−0.8023）存在显著的负相关性。通过PICRUSt2功能预测在KEGG数据库对比，表明该酒醅细菌菌群功能主要体现在代谢（Metabolism）通路上，丰度占比80.59%；其中，涉及尿素代谢和尿素循环相关的碳水化合物代谢和氨基酸代谢的相对丰度分别为15.95%和14.70%。由皮尔森相关分析结果可知，上述菌属与尿素代谢相关的脲酶（EC：3.5.1.5）呈正相关，而与尿素循环相关的关键酶包括精氨酸琥珀酸合酶（EC：6.3.4.5）、精氨酸琥珀酸裂解酶（EC：4.3.2.1）和鸟氨基甲酰转移酶（EC：2.1.3.3）等呈负相关，表明这些菌属具有降解尿素的潜在能力。在此基础上，从酒醅中筛选出了一株有效降解尿素的菌株，经分子生物学鉴定，初步判定该菌株为亚麻短杆菌（Brevibacterium linens），并已于中国典型培养物保藏中心登记保藏。综上所述，通过辨析和鉴定酒醅中的尿素降解菌，为后续生物强化应用降低白酒中的尿素和氨基甲酸乙酯提供可借鉴的理论依据。

PART.01

结果

本章节重点分析了浓香型酒醅的理化性质、细菌群落结构及其与尿素降解的关系。研究发现，不同车间酒醅的水分、酸度和乙醇含量在正常范围内波动，其中FG27酒醅的总酸和乙醇含量较高，与乳杆菌属丰度相关。细菌群落分析显示，厚壁菌门为优势菌门，乳杆菌属为优势菌属。尿素、精氨酸和瓜氨酸的含量在不同酒醅中存在差异，FG06酒醅尿素含量最高。通过多样性分析和关联网络，发现链球菌属、韦荣氏球菌属、短杆菌属和假单胞菌属与尿素含量呈显著负相关，表明这些菌属可能具有降解尿素的潜力。功能预测显示，酒醅细菌主要通过碳水化合物和氨基酸代谢产生风味物质。最后，通过筛选和鉴定，从酒醅中分离出具有脲酶活性的亚麻短杆菌W2，证实其具有降解尿素的能力。

图  1   不同车间酒醅的理化指标及显著性差异分析

Figure  1.   Analysis of physicochemical indicators and significant differences in fermented grains from different workshops

图  2   不同车间酒醅的OTU韦恩图

Figure  2.   OTU Veen diagram of fermented grains from different workshops

图  3   不同车间酒醅中细菌群落α-多样性指数

Figure  3.   α-Diversity indices of bacterial communities in different fermented grains

图  4   基于门（A）和属水平（B）分析不同酒醅的细菌群落结构

Figure  4.   Analysis of bacterial community structure of different fermented grains based on phylum (A) and genus level (B)

图  5   基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析不同酒醅细菌群落的β-多样性

Figure  5.   β-Diversity of bacterial communities in different fermented grains by NMDS based on Bray-Curtis distance

图  6   理化指标与酒醅样品的RDA分析（A）以及与优势细菌属的关联网络分析（B）

Figure  6.   Correlation between physicochemical parameters and samples by RDA analysis (A), and correlation network analysis of physicochemical parameters and dominant bacterial genera (B)

图  7   酒醅细菌群落的一级（A）和二级（B）代谢功能预测以及细菌群落KEGG直系同源基因簇丰度热图（C）

Figure  7.   First (A) and second (B) levels functional prediction of bacterial community in fermented grains, and abundance heatmap of KEGG orthologous gene clusters (C)

图  8   尿素循环与其代谢通路（A）以及关键代谢酶和细菌属（B）的关联性分析

Figure  8.   Urea cycle and metabolic pathway (A) and its key metabolic enzymes with correlation of bacterial genera (B)

图  9   菌株脲酶活力测定（A）和凝胶电泳图（B）及基于16S rDNA序列的系统发育树（C）

Figure  9.   Detection of urease activity (A), SDS-PAGE image (B), and phylogenetic tree based on 16S rDNA sequence (C)

本章节通过高通量测序和生物信息学分析，发现短杆菌属、链球菌属、韦荣氏球菌属和假单胞菌属与尿素含量呈负相关，与脲酶活性呈正相关。研究筛选出一株高效降解尿素的菌株，经鉴定为亚麻短杆菌，并已保藏。该研究为通过生物强化技术降低白酒中尿素和氨基甲酸乙酯含量提供了理论依据。

PART.03

思维导图

引用本文：王嘉慧，王严庆，李晓韩，等.  浓香型酒醅中尿素降解菌的辨析及鉴定[J]. 食品工业科技，2026，47（2）：199−208. doi:  10.13386/j.issn1002-0306.2025010011.

Citation：WANG Jiahui, WANG Yanqing, LI Xiaohan, et al. Discrimination and Identification of Urea-degrading Bacteria in the Fermented Grains of Chinese Nong-xiang Baijiu[J]. Science and Technology of Food Industry, 2026, 47(2): 199−208. (in Chinese with English abstract). doi:  10.13386/j.issn1002-0306.2025010011.

通信作者简介

何桂强，男，副教授，硕士生导师。工学博士，现任西南科技大学生命科学与农林学院生物工程系教师。主要从事传统发酵食品酿造及风味调控方面的研究，尤其是白酒酿造生物技术及应用相关研究。此外，还从事极端环境下微生物资源的开发和应用研究，采用微生物生理学和系统生物学的方法解析微生物与环境因子的相互作用机制及其生物修复应用。近年来主持了国家自然科学基金、四川省科技计划重点研发项目、酿酒生物技术及应用四川省重点实验室开放基金等多项课题。以第一作者或通讯作者发表SCI和中文核心期刊论文18篇；以第一或第二发明人申请专利14件，授权8件。