Dynamic Changes in Rice Wine during Fermentation: Correlation between Microbial Communities and Physicochemical Factors

Abstract

Makgeolli, Korea's traditional fermented liquor, is a commonly consumed alcoholic beverage in Korea. it is brewed using nuruk, which consists of a diverse community of microorganisms. During the fermentation of makgeolli, the microbial community of nuruk is involved in the saccharification, ripening, and fermentation processes, conferring microbiological and physicochemical properties. Makgeolli has beneficial nutritional and health benefits, improved food safety (e.g., inhibition of harmful bacteria and fungi), and better organoleptic properties (new aromas, tastes, and textures). These factors have increased its diversification and consumption and accelerated industrialization. This has led to the widespread use of makgeolli fermentation starters. The use of a fermentation starter enables more precise control of the physicochemical conditions during the entire fermentation process of makgeolli and results in predictable food stability, safety, and sensory characteristics. However, the correlation between microbial communities and physicochemical properties during fermentation remains unclear. Therefore, this study aimed to (1) identify changes in the microbial community and physicochemical properties during the fermentation process of makgeolli through shotgun metagenomic sequencing, (2) investigate their correlation, and (3) compare makgeolli samples brewed using two types of nuruk. Diverse microbial communities were observed during makgeolli fermentation. The dominant genera in Jinju makgeolli were Kosakonia, Pantoea, and Weissella. Kosakonia, Leuconostoc, and Pichia played a major role in the saccharification process and in alcoholic fermentation during the fermentation process of Jinju makgeolli. In Sansung makgeolli, Enterococcus, Leuconostoc, and Pediococcus were dominant. Moreover, Companilactobacillus led the fermentation of sansung makgeolli. However, to explain their direct contribution, further in-depth research through functional genetic analysis is warranted. PCoA revealed distinct differences in microbial communities between the two types of makgeolli. In conclusion, this study provides insights into the microbial community and physicochemical properties during makgeolli fermentation. The findings will serve as basic data for the development of makgeolli with selective properties.|한국의 전통 발효주인 막걸리는 한국에서 흔히 마시는 알코올음료이다. 막걸리는 다양한 미생물 군집으로 구성된 누룩을 이용하여 양조된다. 막걸리의 발효 중 누룩의 미생물 군집은 당화, 숙성, 발효 과정에 관여하여 미생물학적, 이화학적 특성을 가질 수 있도록 한다. 막걸리는 영양 및 건강상의 이점 (예: 프리바이오틱스, 프로바이오틱스 효과 및 향상된 소화율), 향상된 식품 안전성 (예: 유해한 박테리아 및 진균의 억제), 더 나은 관능적 특성 (새로운 향, 맛, 질감) 등의 유익한 효과로 인한 수요가 증가하였고, 산업화가 가속화되었다. 이로 인해 막걸리 산업에서 발효 스타터 사용이 산업적 표준화가 되어 광범위해졌다. 발효 스타터의 사용은 막걸리의 전체 발효에서 이화학적 조건을 보다 정밀하게 제어할 수 있고, 예측 가능한 식품의 안정성과 안전성, 그리고 관능적인 특성을 얻을 수 있도록 한다. 그러나 발효 중 미생물 군집과 이화학적 특성 간의 상관관계에 관한 연구는 여전히 불분명하다. 따라서 본 연구의 목적은 1) Shotgun metagenomic sequencing 방법을 통해 막걸리의 발효과정 중 미생물 군집과 이화학적 특성의 변화를 확인하고, 2) 이들의 상관관계를 조사하였으며, 3) 두가지의 누룩 (진주 곡자, 산성 누룩)을 이용하여 양조된 막걸리를 비교하였다. 그 결과 막걸리의 발효 중 미생물 군집은 다양하게 관찰되었다. 진주 막걸리에서 가장 우점하는 속 (genus)은 Kosakonia, Pantoea, Weissella 였다. 산성 막걸리에서는 Enterobacter, Leuconostoc, Pediococcus 가 우점하였으며, Principal coordinate analysis (PCoA)는 두 종류의 막걸리 간의 미생물 군집의 뚜렷한 차이를 보여주었다. 두 그룹 간의 발효 과정 중 이화학적 특성의 경향성은 비슷했지만, 그 값에는 유의미한 차이를 보였다. 이러한 이화학적 특성은 서로 다른 미생물 군집의 조성에 의해 변화되었다. 또한 Multidimensional scaling analysis (MDS)와 Pearson correlation analysis 결과에서 두 그룹의 미생물 군집과 다양한 미생물 속들이 이화학적 특성과의 유의미한 상관관계를 보였다. 특히 진주 그룹의 Kosakonia, Leuconostoc 및 Pichia 는 진주 막걸리의 발효 과정 중 당화과정과 알코올 발효에 주요한 역할을 하였으며, 산성 그룹의 Companilactobacillus 는 산성 그룹의 발효를 주도하는 것으로 보인다. 그러나 이들의 직접적인 기여를 설명하기 위해서는 추후 기능 유전자 분석 통한 심층적인 연구가 필요하다. 결론적으로 본 연구는 막걸리의 발효 중 미생물 군집과 이화학적 특성에 대한 통찰력을 제공했으며, 예측 가능한 이화학적 특성을 가진 막걸리의 개발을 위한 기초자료가 될 것으로 기대된다.