王旭亮，陈　耀，李　红，王德良，王异静，张五九（.中国食品发酵工业研究院，北京0005；.烟台大学生命科学学院，山东烟台64005）



多种微生物共存下的空间位阻效应——固态法白酒风味丰富性及其与液态法白酒风味差异的原因分析

王旭亮1，陈耀2，李红1，王德良1，王异静1，张五九1
（1.中国食品发酵工业研究院，北京100015；2.烟台大学生命科学学院，山东烟台264005）

摘要：解析固态法白酒风味丰富性产生的原因对固态法白酒、液态法白酒的创新发展均具有重要意义。在查阅国内外大量文献资料的基础上，首先对固态法白酒风味丰富性、固态法白酒与液态法白酒风味差异性以及风味丰富性对中国白酒重要性进行了总结；其次对白酒发酵过程微生物的多样性进行了综述；再次从传统固态法白酒的特征方面，论述了固态法白酒发酵过程中存在的空间位阻效应，并分析了其对白酒微生物多样性、发酵体系复杂性及白酒风味丰富性的作用；最后在此基础上提出了多种微生物共存下的空间位阻效应理论，以为固态发酵法白酒风味丰富性及其与液态发酵法白酒风味差异性的原因提供理论支持。

关键词：发酵工程；白酒；风味丰富性；空间位阻效应；固态法白酒；液态法白酒；微生物多样性

优先数字出版时间：2015-12-02；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20151202.0947.001.html。

白酒是以粮谷为主要原料，以大曲、小曲或麸曲及酒母等为糖化发酵剂，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏而制成的饮料酒。依据《GB/T 17204—2008饮料酒分类》，白酒按生产工艺分为固态法白酒、液态法白酒和固液法白酒。其定义分别为：固态法白酒指以粮谷为原料，采用固态（或半固态）糖化、发酵、蒸馏，经陈酿、勾兑而成的，未添加食用酒精及非白酒发酵产生的呈香呈味物质，具有本品固有风格特征的白酒；液态法白酒指以含淀粉、糖类物质为原料，采用液态糖化、发酵蒸馏所得的基酒（或食用酒精），可以调香或串香，勾调而成的白酒；固液法白酒指以固态法白酒（不低于30 %）、液态法白酒、食品添加剂勾调而成的白酒。本文所述的固态法白酒是指在蒸煮、糖化、发酵、蒸馏等主要过程中采用固态基质形态生产的白酒，液态法白酒是指糖化、发酵、蒸馏等主要过程中采用液态基质形态生产的白酒，与《GB/T 17204—2008饮料酒分类》的定义略有不同，特此说明。

固态法生产白酒是中国白酒的传统工艺。白酒作为中国特有的传统酒种，是中华民族的瑰宝，其在长期发展演变过程中形成了自然多菌种固态发酵的独特工艺，具有非常丰富的风味物质。但机械化和连续化程度相对较低、劳动强度大、生产成本相对较高。

液态法生产白酒是中国白酒工业的一项重大技术改革。相对于传统固态法白酒，液态发酵法生产白酒具有出酒率高、机械化连续化程度高、成本低、不用辅料、劳动强度低、劳动效率高、便于综合利用等优点[1]。但其存在风味物质丰富程度不足的问题，从而使液态法白酒口味淡薄、单一，缺乏固态法发酵白酒的自然感[2-3]。

固态法白酒发展中存在的机械连续化程度不高与液态法白酒存在风味物质丰富度低等问题，很大程度上是由于对固态法白酒中非常丰富的风味物质的产生机制尚无清晰认识。因此，从理论上探究固态法白酒风味丰富的原因，对固态法白酒、液态法白酒的创新发展均具有重要意义。

本文在查阅国内外大量文献资料的基础上，首先对固态法白酒风味丰富性、固态法白酒与液态法白酒风味差异性以及风味丰富性对中国白酒的重要性进行了总结；其次对白酒发酵过程中微生物多样性进行了综述；然后从传统固态法白酒的特征，论述了固态法白酒发酵过程中存在的空间位阻效应，并分析了其对白酒微生物多样性、发酵体系复杂性及白酒风味丰富性的作用；最后，在此基础上提出了多种微生物共存下的空间位阻效应理论，以为固态发酵法白酒风味丰富性及其与液态发酵法白酒风味差异性的原因提供理论支持。

1传统固态法白酒风味丰富性

1.1传统固态法白酒风味丰富性

白酒是中国特有的一种蒸馏酒，独特的生产工艺赋予了中国白酒独特的风味特色，其香味组分极其复杂，组分种类之多，含量跨度之大，堪称世界蒸馏酒之冠[4]。自20世纪60年代就开始以现代分析技术对中国白酒风味进行分析，随着分析技术的不断进步和革新，对于白酒中风味物质丰富性的认识也逐渐深入。

1968年，轻工业部食品发酵工业研究所（现改名为中国食品发酵工业研究院）与中科院大连化物所合作，对茅台酒香味组分进行了剖析研究，采用了包括填充柱、毛细管柱和制备色谱在内的系列分离方法以及红外、质谱等鉴定技术，从茅台酒中定性鉴定了50种组分，从而奠定了在我国采用现代色谱技术分析白酒的基础[4]。

自1968年色谱分析技术引入白酒组分分析以来，白酒中越来越多的微量成分被发现。

1984年，熊子书[5]对当时已检出白酒中香味成分进行了统计，为136种（定量的有90种），其中酸类25种，酯类42种，醇类30种，醛类10种，酮类3种，芳香族化合物8种，氨基酸10种，多元醇4种，硫化物及游离氨4种，加上有些尚未确认的，总数在150种以上。

1998年，沈怡方[6]综述了在白酒中已经检测出了342种香味物质，定量的物质有180种以上。其中醇类37种（包括多元醇5种），酯类100种，酸类42种，氨基酸15种，羰基化合物30种，缩醛21种，含氮化合物38种，含硫化合物7种，呋喃化合物6种，酚类化合物13种，醚类化合物10种，其他3种。

2007年，季克良等[7]用全二维气相色谱/飞行时间质谱（GC×GC/TOFMS）研究白酒中的微量成分，并对我国主要传统香型白酒中微量成分进行了比较。在相同条件下，酱香型白酒分出963个峰，浓香型白酒分出674个峰，清香型白酒分出484个峰。鉴定出匹配度大于800的组分：酱香型白酒的为873种，浓香型白酒的为342种，清香型白酒的为178种。

2007—2009年，“中国清香型汾酒风味物质剖析技术体系及其关键风味物质研究”项目组，利用GC-MS技术，在清香型白酒中检测出703种化合物，其中醇类58种，醛类19种，缩醛类10种，酮类38种，酯类124种，脂肪酸类31种，吡嗪类12种，酚类27种，芳香族化合物91种，萜烯类41种，吡啶及吡咯类8种，呋喃类22种，内酯类10种，硫化物16种，氨基类7种，烷烃类38种，其他化合物11种，未知化合物（有色谱峰，但不能确定的化合物）140种，确定了366种化合物的结构[8]。

2012年，徐占成等[9]将搅拌吸附萃取（SBSE）和全二维气相色谱/飞行时间质谱联用技术（GC×GC/TOFMS）联合应用，在剑南春酒中检测出1870种微量成分。

由以上研究可以看出，随着分析技术的发展，对传统固态白酒的风味成分分析越来越深入，更多的微量成分被检测出来[9]，并充分说明传统固态法白酒具有非常丰富的风味物质。随着科技的进步，传统固态法白酒中更为丰富的风味物质将会被检测出。

1.2固态法与液态法白酒风味差异性

液态法白酒是中国白酒工业的一项重大技术改革，其相对于传统固态法白酒，在机械自动化及精准控制方面具有无可比拟的优势[1]，但却没有取得长足的发展，其中很重要的一个原因是由于液态法白酒与固态法白酒的风味具有明显差异，在人们长期饮用固态法白酒并形成习惯的情况下，液态法白酒很难得到认可[10]。因此，分析液态法白酒与固态法白酒的差异对液态法白酒的发展具有很重要的意义。

研究表明，相对于传统固态法白酒，液态法白酒风味相对单一、缺乏固态法白酒的自然感[2-3]。金桥采用常规化验、纸柱层析、气相色谱等分析手段，初步揭示出液态法白酒与固态法白酒的主要差别为：液态法白酒中的高级醇（杂醇油）比固态法白酒高2倍左右，其中异丁醇与异戊醇的比值也较大；液态法白酒中的酯类在数量上只有固态法的三分之一左右，在种类上则更少；液态法白酒中的酸类仅为固态法的十分之一左右；液态法白酒的全部香气成分不足20种，而固态法白酒却有40～50余种[2]。章忠泰等[11]采用毛细柱加填充柱2种结合的方法，分析了固态法白酒和液态法白酒中除色谱骨架成分（乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯）外的高级脂肪酸酯的差异，由检测结果可以看出，液态法白酒中除色谱骨架外的主要酯类的含量和种类要明显低于固态法白酒。由此可见，液态法白酒风味单一，不仅表现在骨架成分的低酸、低酯、高醇，更表现在风味物质的种类相对较少。

对于液态法白酒中存在的风味单一的问题，行业内进行了大量的研究，并取得了很大的进展，基本上解决了液态发酵法白酒低酸、低酯、高杂醇油等骨架成分与固态法白酒的问题[12]。但尚未从根本上解决液态发酵白酒口感淡薄、风味物质不足的问题[1]。由此可见，相对于低酸、低酯、高醇等骨架成分方面的差异，风味物质丰富程度的不足是液态法白酒与固态法白酒更为本质的差异。

1.3丰富的微量风味成分是中国白酒的重要基础

固态法白酒作为中国白酒的传统酒种，人们在长期饮用过程中形成了固有消费习惯和质量评判标准，而含有非常丰富的风味物质是固态法白酒的重要特征，因此酒体的丰富性也成为评判中国白酒质量和价值优劣的重要物质基础[10]。从以下几个方面可以说明此问题：名优白酒中均检测出种类丰富的风味物质[7-9]；感官品评与风味物质检测相结合分析也表明风味物质种类数量与产品质量具有明显的相关性[7]；在生产实践中，少量的调味酒对白酒的香气、口感和风格具有决定性的影响，但检测它们的色谱骨架成分，并没有发现有多大的不同，这就是所谓的复杂成分起重要作用[13]；串蒸法可以有效提高液态法白酒的质量，无论是丢糟串蒸、香醅串蒸，还是浸蒸，本质上都是提取固态发酵酒醅中的风味物质；而固液勾兑法则更是直接利用固态法白酒风味丰富性来提高液态法白酒的质量[14]。因此，含有丰富的微量成分是决定中国白酒香气、口感、风格和质量的关键因素，是中国白酒的典型特征和重要基础。

综上所述，含有种类丰富的微量风味物质是传统固态法白酒的典型特征，是固态法白酒和液态法白酒的本质差异，同时也是中国白酒的重要物质基础和核心，是决定中国白酒香气、口感、风味和质量的关键因素。

2传统固态法白酒酿造微生物多样性

具有种类丰富的风味物质是中国白酒的重要特征，对中国白酒的风格形成具有不可替代的作用。与威士忌、白兰地、朗姆酒等蒸馏酒的风味物质主要来源于原料和贮存容器不同，中国白酒的风味物质主要由微生物代谢产生[15]。近年来的研究表明，微生物多样性是导致白酒风味物质复杂性的重要基础；多微液态发酵、多微麸曲等也相继被证实优于相对单一的纯菌工艺[16-17]。尽管已经认识到多菌种混合发酵优于单一菌种发酵，但由于缺乏有效的技术手段，对白酒微生物多样性的复杂程度尚未有充分的认识。

近年来，随着宏基因组学技术尤其是焦磷酸测序技术的发展，为研究白酒微生物多样性提供了可能。随着这些技术在白酒领域的应用，发现传统固态法白酒具有令人难以置信的巨大微生物多样性。正是由于这种巨大的微生物多样性，才致使中国白酒中风味物质的异常丰富性。

本节将从广度和深度两个方面对传统固态法白酒微生物多样性进行综述，同时对白酒微生物多样性研究中存在低估的问题进行简要分析。

2.1微生物多样性的广度

白酒微生物分布具有很大的广度，涵盖原核微生物中的细菌和放线菌，真核微生物中的霉菌和酵母，以及古细菌[15]。近年来，随着宏基因组学技术尤其是高通量测序技术的应用，进一步发现白酒中微生物种类具有极其广泛的分布。

乔晓梅等[18]利用高通量测序法分析了冷季和热季清香型白酒生产用曲真菌群落结构，结果共比对出90种真核生物。

袁帅[19]以茅台、国台第4次蒸馏前的酒糟为研究对象，对酱香型酒糟中细菌多样性进行研究，构建16S rDNA V4区文库进行高通量测序分析，分别读出6755和6738个OTUs（操作分类单元，operational taxonomic unit）。主要分属11个门：酸杆菌门（Acidobacteria），放线菌门（Actinobacteria），拟杆菌门（Bacteroidetes），绿菌门（Chlorobi），绿弯菌门（Chloroflexi），泉古菌门（Crenarchaeo），厚壁菌门（Firmicutes），芽单胞菌门（Gemmatimonadetes），浮霉菌门（Planctomycetes），变形菌门（Proteobacteria），疣微菌门（Verrucomicrobia）。

陶勇等[20]通过454焦磷酸测序法系统研究了浓香型不同窖龄窖泥的细菌和古菌的群落组成及多样性。共获得494293个有效序列，可归为796个可操作分类单元（OTUs），分别属于21个门（phylum）。优势分类门（≥1 %）分别为厚壁菌门（Firmicutes）66.8 %、拟杆菌门（Bacteroidetes）16.0 %、广古菌门（Euryarchaeota）9.0 %、螺旋体门（Spirochaetes）2.2 %、放线菌门（Actinobacteria）1.8 %和绿弯菌门（Chloroflexi）1.0 %。

王福桢[21]通过454焦磷酸测序法，对8个浓香型窖泥样本中原核和真核微生物进行了分析，发现原核微生物分属于18个门，213个属，细菌总OTUs有1183个。同时还发现真核微生物群落分属于5个门，9个纲，10个目，13个科，18个属，真菌总OTU种类为64个。

王莉等[22]以细菌16S rDNA的V6区为对象，采用Illumina高通量测序平台进行深度测序技术，对比分析了酱香型窖底泥与土壤微生物的差异。共获得14156条高质量的V6区标签序，聚类分析共产生1801条OTU序列，其中土壤样本680条，使用1个月的窖底泥样本629条，使用12个月的窖底泥样本492条。

由以上研究可以看出，白酒微生物具有丰富的种类和极其广泛的跨度，且酒曲、酒醅、窖泥等中微生物均呈现巨大的多样性。

2.2微生物多样性的复杂度

白酒微生物多样性不仅呈现出种类多、分布宽等广度方面，而且还具有相当的复杂度，具体表现在以下两个方面：同一功能具有多种微生物，同种微生物具有不同的生理生化特性。

(1)同一功能具有多种微生物。马凯对清香型大曲中可培养真菌多样性进行了研究，发现在白酒中主要提供糖化力的霉菌分布在伞枝犁头霉（Absidia corymbifera）、匍枝毛霉（Rhizopus stolonifer）、黄曲霉（Aspergillus flavus）、普通青霉（Penicillium commune）、多变根毛霉（Rhizomucor variabilis var. Regularior）、微小根毛霉（Rhizomucor pusillus）、卷枝毛霉（Mucor circinelloides）等7个属[23]。王涛对宜宾多粮浓香型白酒酿造环节中产酯化酶霉菌多样性进行了分析，发现其分属青霉属（Penicillium）、曲霉属（Aspergillus）、翘孢霉属（Emericella）、根霉属（Rhizopus）、枝孢属（Cladosporium）、毛霉菌（Mucor）等6个属[24]。熊亚对浓香窖泥中乳酸菌多样性进行了分析，发现其分属于乳杆菌属（Lactobacillus）、片球菌属（Pediococcus）、魏斯氏菌属（Weissella）、肠球菌属（Enterococcus）、微小杆菌属（Exiguobacterium）、杆菌属（Bacillus）、Rummeliibacillus属、Cohnella属等8个属[25]。杨菁瑾对浓香窖泥中己酸菌的多样性进行了分析，发现其分属梭菌属（Clostridium）、芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）等3个属[26]。

(2)同种微生物不同菌株间生理生化特性具有显著差异。对于白酒生产过程中同种微生物不同菌株间生理生化特性的差异，针对性的研究相对较少，但从白酒优质微生物的筛选过程不难看出，白酒生产过程中同种类微生物存在性能及理化特性差异程度不一的菌株。

曾娟等[27]以浓香型白酒醅为筛选源，定向筛选3株高产酒精酵母菌，分子鉴定结果均与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）具有极高的相似性，但从筛选过程中发现各菌株性能明显具有差异性。刘婷婷[28]从中国传统白酒白云边酒的发酵堆积料和出池酒醅中分离得到了7株典型酵母菌，其中4株鉴定为东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）；并进行了耐高温能力、耐酒精能力、以及酒精发酵试验，试验结果显示4株东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）的性能具有明显差异。李光辉[29]对同一浓香型白酒发酵系统中酵母菌的耐酸性能进行了测试，将其分为不同的pH种群。本课题组在进行白酒发酵高糖化性能霉菌筛选时也发现，不同种类霉菌中存在糖化酶活力不同的菌株，在进行清香型白酒优质产酯酵母菌筛选时发现不同菌株的风味代谢产物具有明显的区别[31]。

由于菌株筛选时通常只对性能优异的菌株进行鉴定，因此对于发酵体系内同种微生物的性能差异存在反映不足的问题。尽管如此，从已鉴定的优势同种菌株也可以看出性能存在明显差异。而优势菌株均是按照一定的标准筛选出来的，其性能已经较为接近，因此不难推断白酒微生物种内差异更为显著，种内多样性也更为复杂。

2.3微生物多样性研究中存在低估问题

尽管大量的文献显示白酒微生物呈现出巨大的多样性，但白酒微生物的多样性仍有可能被低估了，这主要是现有研究的技术深度所限，主要表现为3个方面：分类标准带来微生物多样性的低估，基因检测区域局限性导致微生物多样性的低估，研究方向局限性带来的微生物多样性低估。下面将分别对其进行阐述。

(1)分类标准带来微生物多样性的低估。当前白酒微生物多样性多采用分子基因方法进行研究，通常采用可操作分类单元（operational taxonomic units，OTUs）来表示微生物的种类，其定义为一个或多个基因区域的相似性。以相似度作为微生物的分类标准，就使微生物多样性很大程度上受分辨率的影响。例如微生物A和微生物B相似度为98 %，在低分辨率（相似度97 %）的情况下A、B将归为同一OTUs，只有在较高分辨率（相似度99 %）的情况下才可以被区分为两个OUTs[32]。而目前白酒微生物多样性研究多采用较低的分辨率（相似度97 %）[18，20-22]，因此理论上白酒微生物多样性很有可能被低估。

(2)基因检测区域局限性导致微生物多样性的低估。目前白酒微生物多样性研究主要基于16S rRNA、ITS、18S rRNA、26S rRNA等区域的基因序列检测分析[18-22]，这些基因序列在结构与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决定的，例如同为酿酒酵母，产酒能力却大不相同，这些性能的差异性往往对白酒生产具有更为重要的作用。同时环境适应能力往往是由一些辅助基因决定的，如质粒、转座子等，这些基因可以在相同环境性的不同微生物共有，而不同环境下的同种微生物则不具备[33]。除此之外，研究微生物生态结构多样性往往需要全基因或多位点基因检测和全序列比对技术，而目前采用的基因特定保守区域进行多样性分析则有明显的局限性[32]。因此，基于以上两方面的原因，造成了对白酒微生物多样性的低估。

(3)研究方向局限性带来的微生物多样性低估。微生物的基因整体可以分为核心基因和辅助基因2个部分[34]，核心基因反映同种类微生物的共有特性或基础特性，相对比较稳定，具有重要的分类学意义；而辅助基因反映同种微生物间不同个体的独有特性，易变性强[33]，具有重要的工业生产意义。而目前白酒微生物多样性的研究主要侧重于核心基因的研究，而关于辅助基因的研究相对较少。这种研究方向的局限性也势必造成白酒微生物多样性的低估。

综上所述，尽管由于技术手段和研究方向带来的多样性低估，现有的研究也充分显示了白酒微生物具有巨大的微生物多样性，具体表现为：参与白酒发酵的微生物种类极其丰富，涵盖范围十分广泛；酒曲、酒醅、窖泥等中微生物均呈现复杂的多样性；同一功能具有多种不同微生物，同种微生物具有不同的生理生化特性。

3传统固态法白酒发酵过程中的空间位阻效应

具有种类丰富的风味物质是中国传统固态法白酒的重要特征，对中国白酒风格形成具有不可替代的作用；而发酵过程存在的巨大微生物多样性，并由此产生复杂多样的代谢产物，是造就白酒风味物质丰富性的重要基础。

然而依据竞争排除理论，不具有竞争优势的物种将逐渐消亡[35]，致使同一生态位只能存在一种生物[36]，从而使微生物多样性降低[37]。这与白酒微生物呈现的巨大多样性相悖，可称之为白酒微生物多样性悖论。因此，解析中国白酒中丰富风味物质的产生机制，就必须回答白酒微生物多样性是如何保持的问题。

本节将针对如何解释白酒发酵过程、如何保持巨大的微生物多样性以及非常丰富风味代谢产物的代谢产生机制，从传统固态法白酒的特征，论述固态法白酒发酵过程中存在的空间位阻效应，并分析了其对白酒微生物多样性、发酵体系复杂性及白酒风味丰富性的作用。在此基础上提出了多种微生物共存下的空间位阻效应理论，对固态发酵法白酒风味丰富性及其与液态发酵法白酒风味差异性的原因进行了解释。

3.1中国白酒生产中的空间位阻效应

空间位阻效应（Steric hindrance）指由于分子间活性基团不能有效接触，从而导致原本能发生的化学反应不能顺利进行的现象，是影响化学反应的重要因素[38]。本文将空间位阻概念引入中国传统白酒领域，将其描述为：由于固态发酵带来的空间位阻，致使白酒发酵过程物质、能量、动量传递受阻的现象，为了更为贴切的描述，英文名称为Spatial hindrance。

固态发酵是中国白酒的重要工艺特点，且多采用静止固态发酵的形式。固态发酵通指在没有或几乎没有自由水存在下的发酵过程[39]。与液态发酵相比，固态发酵具有2个典型的特征：固态基质颗粒间以气相为连续相，颗粒内缺乏自由水。这就致使固态发酵过程存在两方面的位阻效应：发酵基质颗粒间的空间位阻效应和发酵基质颗粒内的空间位阻效应。

基质颗粒间的空间位阻效应。与液态发酵以水溶液为连续相不同，固态发酵则以气体为连续相[40]。而物质扩散和细胞营养吸收主要在液态水溶液中进行[41]，这就使固态发酵过程基质颗粒间物质的扩散和传递受阻[42]。与水相比，空气以及固态基质的导热性能差，这不利于热量的传递[40]。同时，由于固体颗粒流动性差，空气密度较水小，因此固态发酵体系中动量传递也明显受阻。

基质颗粒内的空间位阻效应。中国白酒以粮谷为原料，通过粉碎或部分粉碎、蒸煮后作为发酵基质。在此基质上，水以与淀粉等物质结合的形态存在，缺乏自由水。由于水分是物质、能量、动量传递的载体，而自由水的缺乏势必使基质颗粒内物质、能量、动量传递受到阻碍。

由上所述，中国白酒生产过程中的空间位阻效应可归纳如下：由于中国白酒传统工艺的静止固态发酵特点，使发酵体系内固态、液态、气态三相共存，缺乏自由水，并以气体为流动相，由此带来固态基质颗粒间和颗粒内物质、热量、动量的传递受阻，此种现象即为中国白酒生产过程中的空间位阻效应。

3.2空间位阻效应对微生物多样性的影响

微生物通常不是以个体形式存在，而是以生态交互网络结构的群体形式存在[36]。竞争关系是生态交互网络中重要的关系，影响着系统内群体的结构。生态学竞争主要是指一个个体影响其他个体生存繁殖的过程，其主要有2种类型：资源掠夺型竞争（exploitative competition）和直接干扰型竞争（interference competition）[43]。资源掠夺型竞争指不同个体同时需要同种资源而发生的竞争，是一些个体由于先利用了资源而影响其他个体可利用资源量的行为；这是一种间接竞争，同种微生物和相近种类微生物个体间的竞争多属此种类型[44]，如白酒发酵过程中酿酒酵母不同个体间都需要以还原糖为碳源而发生的竞争。直接干扰型竞争指一些个体直接伤害其他个体而发生的竞争，是直接阻止竞争者利用资源的行为；这是一种直接的竞争，通常发生在不同微生物之间[45]，例如：白酒发酵过程中酿酒酵母通过分泌酒精或乳酸菌通过分泌乳酸从而阻碍其他微生物生长繁殖。在自然选择的作用下，充分竞争的结果往往使得一种或几种没有竞争关系的优势微生物得以生存，没有竞争优势的微生物则会消亡；从系统角度上看，充分竞争的结果就是微生物多样性的减少[46]。而白酒发酵过程采用静止固态发酵，并由其造成的发酵体系内物质、热量、动量的传递受阻，这就阻碍了白酒微生物之间的相互作用，有效地避免了微生物之间的竞争，从而保持了白酒发酵过程中的微生物多样性[35]。

由于微生物之间的竞争不仅在种间进行，而且也在种内进行，因此白酒生产中的空间位阻效应不仅使微生物的种类呈现多样化，而且在相同资源条件下，也势必会增加微生物的整体数量。更进一步，无论是微生物整体数量的增加，还是微生物种类多样化增加，都将进一步的增加微生物的变异量。而空间位阻效应也有利于变异型的保持，从而使白酒发酵体系内呈现更为复杂的多样性。

综上所述，空间位阻效应可以有效阻止白酒发酵体系内微生物个体之间的竞争，从而使微生物多样性得以有效保持，并有利于微生物整体数量和变异量的增加，从而使体系呈现更为复杂的多样性。

3.3空间位阻效应对发酵过程环境复杂性的影响

空间位阻效应使白酒发酵体系微分为数量众多且相对独立的微生态体系。中国白酒采用自然静止固态发酵的形式，固态、液态、气态三相并存，并以气体为连续相[39]，使得不同粮食颗粒之间的物质、热量和动量传递受阻，减少了不同粮食颗粒间的交互作用。同时采用稻壳为辅料，进一步增加了阻隔效应。这就使中国白酒发酵体系分割为数量众多相对独立的微生态体系，每个微生态体系都相对独立的进行演化。

发酵基质颗粒的非均一性使微生态体系初始状态呈现差异性。中国白酒以天然粮谷为原料，其存在天然的非均一性。原料多采用锤式、辊式粉碎，制曲原料和酿酒原料的颗粒均呈现出很大的差异性[6]。而基质颗粒大小是固态发酵的重要影响因素，其对发酵过程微生物生长、物质和能量的传递具有重要的作用。基质颗粒越小，比表面积越大。这通常意味着微生物有更多的生长空间，颗粒内以及颗粒与气相之间物质和热量更容易传递，但却不利于整个发酵体系与外环境之间物质和能量的传递[47]。因此，基质颗粒的非均一性使微生态体系的初始条件呈现差异性，使其具备演化成更为复杂的微生态体系的可能。

物质传递受阻使发酵体系各微环境呈现不同的生态过程。尽管固态发酵以气态为流动相，有利于氧气的扩散，但白酒生产过程采用地缸、窖池等半封闭的发酵容器[6]，发酵容器内处于相对微氧状态；氧气呈现由表面酒醅向深层酒醅的扩散过程，使得表层酒醅氧气浓度高于深层酒醅；表层微生物优先于深层微生物利用氧气，这进一步加剧不同层次酒醅氧气浓度的差异。同时，由于静止固态发酵不同深度空气分压呈现明显差异[48]，这就使氧气浓度在发酵体系内呈现梯度分布。而氧气对于微生物的生长、发育、繁殖、代谢，以及微生物群落的变化具有重要的作用。氧气浓度梯度化的差异必然导致微生态体系梯度式的差异和分化。

热量传递受阻使微生态环境呈现梯度式差异。微生物代谢活动会产生大量的热量，而固态发酵由于传热效率低，容易导致热量积聚，并在体系内产生温度梯度。Rathbun研究静止固态发酵时发现，体系内的温度梯度高达3℃/cm物料深度，发酵过程物料温度升高幅度超过20℃[48-49]。中国白酒制曲过程中物料温度升高幅度甚至超过30℃；发酵过程中酒醅温度升高也在15℃左右，并呈现前缓、中挺、后缓落的趋势[6]。而且，发酵过程不同部位酒醅温度呈现明显差异[50]。温度也是微生物生长繁殖、物质代谢的重要影响因素。发酵过程温度的时空差异化分布，势必造成微生态环境更为复杂的变化。

综上所述，空间位阻效应将白酒发酵体系分隔为数量众多的微生态体系，每个微生态体系相对独立的进行演化；天然原料带来的发酵基质颗粒的非均一性，使微生态体系具备差异性演化的趋势；传质受阻导致氧气浓度的梯度差异，进而激发了差异性演化的过程；传热受阻导致的温度梯度差异，则加剧了微生态的差异性演化程度。而这些因素并不是单独发生的，各因素间相互作用势必导致白酒发酵过程更为复杂的微生态环境变化。

3.4空间位阻效应对固态白酒风味丰富性的影响

空间位阻效应使白酒发酵过程呈现令人难以置信的微生物多样性、异常复杂的微生态环境，二者并非独立存在，而是存在交互作用，而这对中国白酒风味的丰富性具有重要的作用。

微生物多样性带来的风味丰富性。不同种类的微生物具有不同的生理生化特性，代谢产物也各不相同。如己酸菌主要产生己酸，乳酸菌则代谢产生乳酸，四甲基吡嗪主要代谢菌株为枯草芽孢杆菌，产酯酵母代谢产生乙酸乙酯。同时，相同种类的不同菌株代谢产物也各不相同[51]。种类多样的微生物则带来更为丰富的次生代谢产物，而空间位阻效应使白酒发酵过程呈现令人难以置信的微生物多样性，这是中国白酒中丰富风味的基础来源。

微环境复杂性带来的风味丰富性。环境条件对微生物的生长代谢具有重要影响，同种微生物在不同的环境条件下呈现不同的生长特性，并代谢出不同的次生代谢产物[52]。如酵母在氧气充足条件下代谢葡萄糖产生二氧化碳和水，在氧气不足的条件下，进行无氧代谢产生酒精；己酸菌更适宜于厌氧环境，并代谢己酸；产酯酵母在有氧条件下容易代谢产生乙酸乙酯；枯草芽孢杆菌在45℃以上更容易进行生物催化美拉德反应。空间位阻效应使白酒发酵体系分化为多样化的环境体系，使发酵体系呈现高度的复杂性。这就使得微生物的代谢途径的激发也呈现多样化的趋势，从而使代谢产物更为复杂。

微生物多样性与微环境交互作用带来的风味物质丰富性。发酵过程是微生物与环境条件相互作用的结果，二者存在交互作用，相互影响。空间位阻效应形成白酒发酵体系内的多样微生物与多样化微环境互相作用，使多样化的微生态体系进一步放大，形成更为复杂的微生态体系，这势必导致白酒发酵过程中产生丰富多样的风味代谢产物。

3.5中国白酒风味丰富性的“多种微生物共存下的空间位阻效应理论”

固态法生产白酒是中国白酒的传统工艺，其产品具有非常丰富的风味物质，而这也是与液态法白酒的重要区别；同时，固态法白酒发酵过程中具有令人难以置信的巨大微生物多样性，而这种巨大的微生物多样性是与竞争理论相悖的。针对如何解释白酒发酵过程如何保持巨大的微生物多样性以及非常丰富的风味代谢产物的代谢产生机制，通过上文的分析，提出多种微生物共存下的空间位阻效应理论。

固态发酵以气相为连续相，这就使系统内的物质、热量、动量传递受阻，这一方面使微生物之间不能得到充分的竞争，从而保持了微生物的多样性；另一方面，使发酵体系不同位置的氧气含量、温度等环境条件呈现差异性，导致发酵体系微分为多样化的环境体系。在多样化的微环境体系和微生物多样性的交互作用下，进一步加剧发酵系统内微生态体系的分化，势必产生更为复杂的代谢产物，这就导致固态法白酒呈现更为复杂丰富的风味体系（图1）。

相对于固态发酵，液态发酵多以水溶液为连续相，这就便于系统内的物质、热量、动量的传递，这一方面使微生物之间得以充分竞争，从而降低了微生物的多样性；另一方面，使发酵体系不同位置的环境条件更加一致，从而形成均一化的微环境体系。在微环境体系相对均一化和微生物多样性相对较少的情况下，势必使代谢产物相对较少，这就导致液态法白酒风味物质丰富性弱于固态法白酒，酒体相对单一。

4结果与讨论

固态法生产白酒是中国白酒的传统生产工艺，具有非常丰富的风味物质，但不便于机械连续自动化和精准控制的实现；液态法生产白酒是中国白酒工业的一项重大技术改革，在机械连续自动化和精准控制方面有无可比拟的优势，但风味物质丰富程度不足，口味淡薄、单一，缺乏固态发酵白酒的自然感。

固态法白酒发展中存在机械连续化程度不高与液态法白酒存在风味物质丰富度低等问题，很大程度上是由于对固态法白酒中非常丰富的风味物质的产生机制尚无清晰的认识。因此，从理论上探究固态法白酒风味非常丰富的原因，对固态法白酒、液态法白酒的创新发展均具有重要意义。本文在查阅国内外大量文献资料的基础上，对此进行了综述分析，主要有以下几方面工作和结论：

首先，对固态法白酒风味丰富性、固态法白酒与液态法白酒风味差异性以及风味丰富性对中国白酒重要性进行了总结。更加明析如下问题：含有种类丰富的微量风味物质是传统固态法白酒的典型特征，是固态法白酒和液态法白酒的本质差异，同时也是决定中国白酒风格特点的关键基础和核心。

其次，对白酒发酵过程中微生物多样性进行了综述，发现参与固态法白酒发酵的微生物具有令人难以置信的多样性，表现为如下方面：种类极其丰富，涵盖种类十分广泛；酒曲、酒醅、窖泥等中的微生物均呈现复杂的多样性；同一功能具有多种不同微生物，同种微生物具有不同的生理生化特性。

图1多种微生物共存下的空间位阻效应

再次，从传统固态法白酒的特征，论述了固态法白酒发酵过程中存在的空间位阻效应，并分析了其对白酒微生物多样性、发酵体系复杂性及白酒风味丰富性的作用。在此基础上提出了多种微生物共存下的空间位阻效应理论，即固态发酵以气相为连续相，这就使系统内的物质、热量、动量传递受阻，这一方面使微生物之间不能得到充分的竞争，从而保持了微生物的多样性；另一方面，使发酵体系不同位置的氧气含量、温度等环境条件呈现差异性，导致发酵体系多样化的环境体系。在多样化的微环境体系和微生物多样性的交互作用下，进一步加剧发酵系统内微生态体系的分化，势必产生更为复杂的代谢产物，这就导致固态法白酒呈现更为复杂丰富的风味体系。

最后，采用多种微生物共存下的空间位阻效应理论，对固态发酵法白酒风味丰富性及其与液态发酵法白酒风味差异性的原因进行了解释。

参考文献：

[1]黑龙江省轻工业研究所.液态发酵白酒的研究[J].黑龙江发酵工业,1979(4)：1-16.

[2]金桥.对液态法白酒的粗浅看法[J].黑龙江发酵,1977(3)：10-15.

[3]玉泉白酒试点组.提高新工艺“香曲酒”质量试验报告[J].黑龙江发酵工业,1975(4)：18-25.

[4]胡国栋.气相色谱在白酒分析中的应用现状与回顾[J].食品与发酵工业,2003,29(10)：65-69.

[5]熊子书.白酒香味成分分析的成就[J],酿酒,1984(3)：6-10.

[6]沈怡方.白酒生产技术全书[M].北京：中国轻工业出版社, 1998.

[7]季克良,郭坤亮,朱书奎,等.全二维气相色谱/飞行时间质谱用于白酒微量成分的分析[J].酿酒科技,2007(3)：100-102.

[8]史静霞.中国清香型汾酒风味物质剖析技术体系及关键风味物质研究[J].酿酒, 2009, 36(4)：83-84.

[9]徐占成,陈勇,王双,等.利用全二维气质联用技术和吸附搅拌萃取技术对中国名酒剑南春酒体风味质量特色的研究[J].酿酒,2012,39(5)：6-8.

[10]龚文昌.关于白酒生产改革中的一点看法[J].中国酒,1996 (1)：6-7.

[11]章忠泰,郭刚,张丽玲.液态法白酒和传统固态法白酒的总酯与色谱总酯量的差异探讨[J].酿酒,2012,39(5)：38-39.

[12]轻工业部食品发酵工业科学研究所.提高液态发酵白酒质量的研究技术总结[J].食品与发酵工业,1979(1)：1-16.

[13]范文来,徐岩.中国白酒风味物质研究的现状与展望[J].酿酒, 34(4)：31-37.

[14]曾祖训.积极发展液态法白酒的优势[J].酿酒,1995,70(4)：85-86.

[15]王旭亮,王德良,韩兴林,等.白酒微生物研究与应用现状[J].酿酒科技,2009(6)：88-91.

[16]邱并生.混菌发酵对白酒液态发酵效率和风味物质的影响[J].微生物学通报, 2014, 41(7)：1477-1478.

[17]熊小毛,刘婷婷,杨团元,等.不同酵母菌及芽孢杆菌混合菌株液态白酒发酵特征分析[J].酿酒科技,2015(2)：17-20.

[18]乔晓梅,赵景龙,杜小威,等.高通量测序法对清香大曲真菌群落结构的分析[J].酿酒科技,2015(4)：28-31.

[19]袁帅.用16S rDNAV4区高通量测序分析两种酒糟细菌多样性[D].贵阳：贵州师范大学,2014.

[20]陶勇,芮俊鹏,李家宝,等.浓香型白酒窖泥中细菌和古菌的组成与多样性[J].化工学报, 2014, 65(5)：1800-1807.

[21]王福桢.北方浓香型白酒发酵微生物多样性分布模式解析[D].呼和浩特：内蒙古大学,2014.

[22]王莉,王亚玉,王和玉,等.酱香型白酒窖底泥微生物组成分析[J].酿酒科技, 2015(1)：12-15.

[23]马凯,崔哲男,郑晓卫,等.汾酒大曲可培养真菌多样性的初步分析[J].中国酿造,233(8)：19-21.

[24]王涛,赵东,游玲,等.浓香型白酒酿造环节中产酯化酶的霉菌多样性[J].食品与发酵工业,2012,38(5)：37-41.

[25]熊亚,陈强,唐玉明,等.泸州老窖不同窖龄窖泥中乳酸菌多样性PCR-DGGE分析[J].应用与环境生物学报,2013,19(6)：1020-1024.

[26]杨菁瑾,唐雪,杨先超,等.泸州老窖不同窖龄窖泥中己酸菌遗传多样性及系统发育[J].四川农业大学学报,2015,33(2)：181-188.

[27]曾娟,施思,吴正云,等.浓香型白酒醅中高产酒精酵母菌的定向筛选及分子鉴定[J].中国酿造,2011,227(2)：26-28.

[28]刘婷婷.白云边酒酿造微生物分析及东方伊萨酵母发酵特性研究[D].武汉：武汉工业学院,2011.

[29]李光辉.白酒酵母的pH种群研究[J].酿酒,2005,32(1)：25-27. [30]王旭亮,王异静,王德良,等.白酒发酵高糖化性能霉菌的筛选及鉴定[J].酿酒科技, 2012(9)：22-28.

[31]王旭亮,王异静,王德良,等.清香型白酒优质产酯酵母菌筛选[J].酿酒科技, 2012(4)：28-33.

[32] Hanson CA, Fuhrman JA, Horner-Devine M C, et al. Beyond biogeographic patterns: processes shaping the microbial landscape[J]. Nature Reviews Microbiology,2012,10(7)：497-506.

[33] Prosser J I, Bohannan B J, Curtis T P, et al. The role of ecological theory in microbial ecology[J]. Nature Reviews Microbiology, 2007, 5(5)：384-392.

[34] Young J PW, Crossman L C, Johnston AW B, et al. The genome of Rhizobium leguminosarum has recognizable core and accessory components[J]. Genome Biology,2006, 7(4)：R34.

[35] Carson J K, Vanesa G Q, Murphy D V, et al. Low pore connectivity increases bacterial diversity in soil[J].Appl Environ Microbiol, 2010, 76(12)：3936-3942.

[36] Faust K, Raes J. Microbial interactions: from networks to models[J]. Nature Reviews Microbiology, 2012, 10(8)：538-550.

[37] Freilich S, Zarecki R, Eilam O, et al. Competitive and cooperative metabolic interactions in bacterial communities[J]. Nature Communications, 2011,2(6)：589.

[38] Regan C K, Craig S L, Brauman J I. Steric effects and solvent effects in ionic reactions[J]. Science, 2002, 295(5563)：2245-2247.

[39] Thomas L, Larroche C, Pandey A. Current developments in solid-state fermentation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2013,81(4)：146-161.

[40] Durand A. Bioreactor designs for solid state fermentation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2003,13(2-3)：113-125.

[41] Gervais P, Molin P. The role of water in solid-state fermentation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2003, 13(2-3)：85-101.

[42] Lonsane B K, Saucedo-Castaneda G, Raimbault M, et al. Scale-up strategies for solid state fermentation systems[J]. Process Biochemistry, 1992,27(5)：259-273.

[43] Birch L C. The meanings of competition[J].American Naturalist, 1957,91(856)：5-18.

[44] Nadell C D, Xavier J B, Foster K R. The sociobiology of biofilms[J]. Fems Microbiol Rev, 2009,33(1)：206-224.

[45] Foster K R, Bell T. Competition, not cooperation, dominates interactions among culturable microbial species[J].Current Biology, 2012,22(19)：1845-1850.

[46] Cornforth D M, Foster K R. Competition sensing: the social side of bacterial stress responses[J]. Nature Reviews Microbiology, 2013, 11(4)：285-293.

[47] Zadrazil F, Puniya AK. Studies on the effect of particle size on solid-state fermentation of sugarcane bagasse into animal feed using white-rot fungi[J].Bioresource Technology, 1995, 54(1)：85-87.

[48] Chen H Z, Xu J, Li Z H. Temperature control at different bed depths in a novel solid-state fermentation system with two dynamic changes of air[J].Biochemical Engineering Journal, 2005,23(2)：117-122.

[49] Mitchell DA, von Meien O F, Krieger N. Recent developments in modeling of solid-state fermentation: heat and mass transfer in bioreactors[J]. Biochemical Engineering Journal, 2003,13(2-3)：137-147.

[50]贝国泉,梁中保.优质大曲酱香型酒窖池发酵过程中上下层酒醅的比较[J].酿酒科技, 1995(6)：18-20.

[51]杨帆,林琳,王和玉,等.茅台大曲中3株芽孢杆菌代谢产物的比对分析[J].酿酒科技, 2011(8)：42-46.

[52]杨帆,王和玉,姚翠屏,等.不同工艺条件下枯草芽孢杆菌代谢产物分析对比[J].酿酒科技, 2010(1)：104-106.

习酒十三五目标：5年内进入白酒十强

本刊讯：据《酒业家》报道，贵州茅台集团习酒销售公司总经理杨云在2016年习酒经销商大会上表示，2015年习酒完成了目标任务，销售收入超过20亿，同比增长20 %以上。习酒的十三五愿景是，每年保持实现20 %以上的增长，力争十三五末实现翻一翻,5年内习酒进入全国白酒10强。公司2016年的营销思路包括：聚焦品牌、聚焦产品、聚焦市场、聚焦费用、聚焦传播模式。夯实根基市场、夯实市场基础。市场建设“三”原则：三动：指挥中心要动（向前移）、服务重心要动（要贴近经销商和消费者）、活动开展要动（利用外勤365对开展的情况实施网络化管控）。三不动：价格坚持不动、净化市场的决心不动、努力实现2016年度目标的信心不动。

来源：酒业家2015-12-29

白酒专家钟国辉新著发行

本刊讯：白酒专家钟国辉新著《1956—1967年科学技术远景规划与中国白酒现代化》一书出版发行，该书是钟国辉先生亲身经历和收集到的资料中的精华，钟老为发展我国酿酒科学技术事业做出突出贡献，享受国务院专家津贴。耄耋之年仍笔耕不缀，近年来他先后在多家媒体发表的60多篇文章和30多张行业活动照片，都详载于书中，为新中国白酒发展史提供借鉴。“老骥伏枥、志在千里”恭祝钟老健康长寿，继续为我国独创的白酒发展，献上美丽赞歌！

欲购买此书者，请与天津图书大厦联系或采取网购方式。网购请与钟广慧女士联系。地址：天津市河东区津塘路18号鼎泰大厦1602室；E-mail：zapaper@aliyun.com；电话/传真：022-24221602；手机：13132099564（小雨）

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

通讯作者：张五九。

作者简介：王旭亮(1984-)，男，河南洛阳人，工程师，硕士，研究方向为酿酒科学与技术，E-mail：wang-xuliang@163.com。

收稿日期：2015-10-16

基金项目：国家863项目(2012AA021205)；“中国白酒3C计划——传统固态法白酒创新工艺研究”项目。

DOI：10.13746/j.njkj.2015401

中图分类号：TS262.3；TS261.4；Q93-3

文献标识码：A

文章编号：1001-9286（2016）01-0001-09