中青報·中青網見習記者 楊潔
這是一個色香俱全的實驗室。
在一個個燕麥培養基中加入金屬離子，燕麥味道一會兒便飄香了半個屋子，這是“北工商”鏈黴菌最喜歡的生存環境；在另一個培養皿裡，被分離出來的單孢哈薩克酵母菌會散發出清香的氣味，呈現出圓形小顆粒形狀；而被加入了“北工商”海洋桿菌的培養液中，液體顏色則逐漸變為黃酒的焦糖色。
“各種白酒的酒麴、窖池和釀造環境，形成了一個個獨特的微生物資源庫，含有大量的未知菌種，這些菌種是我國特有的、寶貴的微生物資源。它們有哪些生物學功能？如何釀造出美酒的？這些亟待我們展開研究和開發利用。”
在長達10年的時間，北京工商大學輕工科學技術學院副教授任清帶領團隊，從我國傳統白酒酒麴、酒醅和窖泥中分離篩選釀酒微生物86個屬，3000餘株細菌，其中，已經鑑定確認細菌新種24種，大部分用“北工商”和“北京”命名，他們正一步步解開藏在酒香的神秘“群落”。
釀酒微生物在培養皿中顯現。受訪者供圖
微生物是傳統釀酒工藝的“晶片”
對於1996年出生的姑娘劉波來說，白酒、黃酒等名詞原本跟她的生活並不相關。但跟著課題組展開兩年多的研究後，每逢過年，這位研三的學生會在飯桌上跟父親一一科普，指著其中一瓶分辨是濃香型白酒還是清香型白酒，這背後到底是什麼微生物在起作用。
在微觀的世界裡，中國傳統釀酒是依靠微生物發酵而生產。而在這一條肉眼不可見的“生產鏈”上，多個微生物菌種正有條不紊地分工合作著：當人們把釀酒原料和酒麴倒入窖池，根黴和麴黴等黴菌會加速澱粉變成葡萄糖，酵母菌又將葡萄糖轉化為乙醇。醋酸桿菌接過下一個生產線，促進葡萄糖變成乙酸，乙酸再經過多種微生物的酯化作用生成乙酸乙酯，多種微生物協力合作，也就初步完成了清香型白酒的釀造。
“國外酒風味單一，其釀酒主要是單菌種或少數菌種的液態發酵技術，微生物種類少，所以，發酵形成的風味物質少。而我國白酒釀造是自然多菌種固態發酵，有著獨特的釀造工藝，靠著幾百年傳承下來的制曲技術和老窖池，形成了一個獨特的微生物資源庫。”任清說。
以茅臺、五糧液和汾酒的口味對比為例，三者之所以風味不同主要是因為其釀酒系統中微生物群體的差異化造成的。任清解釋，如果要在其他地方釀出茅臺的風味，就要破解茅臺釀造系統中的微生物群落結構和多個微生物如何相互作用的難題。而當下傳統釀酒行業過分依賴釀酒師和當地窖池，標準化程度低，受到地理氣候和生態環境的影響，每一個窖池、每一批次釀造出來酒的品質也各不相同。
“如果能用科學的手段，找到了傳統釀酒過程中是哪些功能微生物起主要作用，並分離這些主要的功能微生物，利用功能微生物就可以實現‘基於風味感知的白酒品質定向設計’。那麼即便在北京也有可能生產出茅臺，實現傳統釀造向現代發酵工業生產的轉變。”任清做了一個比喻，如果把傳統釀酒工藝看作是一個系統，那麼“晶片”就是微生物。
為了破解“晶片”的密碼，從2013年開始，任清帶領團隊利用培養組學和高通量測序技術，從龐大的微生物生態系統中分離菌種，揭秘這一群藏在酒窖裡的“群落”如何精密地運轉。
北工商團隊在實驗室進行釀酒微生物實驗。受訪者供圖
做科研並非每一天都有意思
在課題組裡，劉波的工作是從龐大微生物生態系統裡篩選菌種。她要從大量的樣本里找到還沒有被前人發現的微生物，像考古探險一樣摸著黑往前走。
微生物的生存環境各不相同。在篩選菌種的過程中需要設定不同溫度和pH值的培養基，待菌種生成後，純化分離出來，展開篩選工作。對這個“95後”小姑娘來說，篩選菌種是一個“極其枯燥的過程”。
2020年5月，在一次菌種篩選工作中，她為每一個實驗週期設計了360個培養皿，但養出來的微生物裡都沒有發現新的菌種。兩個月的時間過去了，她的生活每天在做實驗和看資料之間重複著。實驗裡使用的培養皿超過2000多個，堆積起來比這個身高175釐米左右的小姑娘還要高。
一天早上，劉波偶然發現之前的培養皿里長出了一個個形態幼小的微生物，不易被人察覺。她純化分離出來，在顯微鏡下觀察，經過鑑定發現是一株新菌，此後該株確定為擬桿菌屬的一個新種。
發現新菌種的驚喜，王鎵璇也曾親眼見證過。那時她剛來課題組不久，正在埋頭做實驗，一個師姐突然從隔壁實驗室裡跑進來，高興地叫起來，“我篩選出突變株了”。當時，實驗室裡所有的人都不約而同地停下來，為她鼓掌。後來王鎵璇才知道，這位臨近畢業的師姐已經為突變株篩選的問題死磕了兩個月。
“做科研並非每一天都有意思，有時候需要多一點堅持和耐性。” 王鎵璇說。
為何窖池裡的微生物群落如此難以發現？任清解釋，不同的菌種需要的培養基不同，生長速度不一致，有的長達三五天會長出形狀，而有的則在第二天早上便已經養成。
但微生物菌種之間的相互作用關係非常複雜，有時單一菌種無法產生風味，而需要跟另一個菌種相互作用才能呈現出特定的性狀。那麼在實驗之中要用生物資訊學等知識展開關聯性分析，摸索不同微生物之間潛在的“社交關係”。
王鎵璇曾遇見一個頑固的微生物。當她在分離奇枝菌屬的培養基上，曾發現培養基的表面意外地多出了裂痕。原本以為是因培養基的環境乾燥出現了裂縫，可完成了多項對照試驗後發現，每一組培養基裡都有類似的裂痕。
這會不會是一種新的微生物？她把培養基的環境改成了液體，再提取基因組展開鑑定，驚奇地發現了新的微生物菌種。這一類菌種在固體培養基的環境裡不會長在表面，而會嵌入到培養基之中，生長速度長達一週左右。
“做科研就是在枯燥和無趣之中堅持，要大膽地設想，不斷地給出新的培養環境，總有一天會有收穫的。” 跟著課題組完成了兩年的研究，1998年出生的姑娘王鎵璇慢慢學會了耐著性子做事。
私下裡，任清常帶著課題組的孩子們出去打打牙祭。但只要回到了實驗室，這位教授對同學們的要求極為嚴格，他常說，“科研來不得半點虛假，工作一定要實打實地做，如果篩選出來好的微生物菌種，成果自然就出來了，但要是篩選不出來，不僅功夫白費了，甚至連畢業都夠嗆。”
北工商團隊在實驗室進行釀酒微生物實驗。受訪者供圖
傳統釀酒微生物庫亟待開發
近十年的時間，任清課題組從我國傳統白酒酒麴、酒醅和窖泥中分離篩選釀酒微生物86個屬，3000餘株細菌，其中，已經鑑定確認細菌新種24種，大部分用“北工商”和“北京”命名，目前正在鑑定70餘新菌種，共計100餘種微生物新菌種解開了神秘面紗。
“北工商”海洋桿菌是我國黃酒麴中發現的唯一新菌種。任清介紹，這個菌種可以合成番茄紅素和類胡蘿蔔素等紅色素，不僅可以作為黃酒重要的著色劑，代替焦糖色，還具備良好的抗氧化功能，可廣泛應用在保健養生的產品中。
“‘北工商’食烷菌可以分解石油，生物分解無法降解的物質，對生態環境保護起到了一定的作用。‘北工商’節桿菌可以合成護膚成分，用於化妝品行業，”任清說，微生物的作用不僅僅在釀酒行業，透過一系列研究，未來在食品、護膚品等行業將會有廣闊的應用前景。
除了單個微生物的作用，在微觀世界裡，微生物的“社交功能”可以產生化腐朽為神奇的力量。任清曾帶著學生做過一組實驗。當在進行降解人參皂苷的新菌種篩選中，用特殊培養基培育，過了幾天，培養基會變成黑色。研究後才發現，“北工商”鏈黴菌在培養基之中會產生一種β-葡萄糖苷酶，使得葡萄糖苷鍵斷裂，讓人參和三七中的普通皂苷轉化成藥理活性更高的稀有皂苷，可以顯著提高人參和三七的藥用價值。
在研究中，團隊發現部分微生物還承擔著“喚醒”其他休眠狀態菌種的工作，比如“北京”棒桿菌，它的一個基因編碼一個特殊蛋白質，該蛋白質可以復甦休眠狀態的細菌。他們克隆了該基因，正在研究該基因編碼蛋白質的復甦功能。一旦應用到微生物培養中，可以促進微生物的“甦醒”，加速培育過程。如果應用到食品安全檢測中，可以發現食品中潛伏的有害微生物。
10年間，圍繞新菌種資源，團隊開展了多項研究應用開發工作，獲得授權國際發明專利2項，國家發明專利10項，獲2021年中國輕工業聯合會科技進步三等獎1項，其中，5項專利已經實現成果轉化。
“酒香裡藏著的微生物菌種是我國特有的微生物資源。”在任清看來，這個未知的“群落”還待進一步發現，“未來的工作是要建立我國釀酒微生物資源庫，保護特有的菌種，讓這一群在窖池裡流傳百年的“群落”可以真正地服務社會的發展。”