合成微生物群落在發(fā)酵食品中的應用研究

段永蘭

摘 要：合成微生物群落的應用范圍較廣，將其應用于發(fā)酵食品，可有效改善食品的風味、品質和營養(yǎng)結構，對食品的創(chuàng)新研發(fā)具有重要意義。本文闡述了微生物概念，重點闡述了合成微生物群落的特點，并針對部分微生物群落在傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的應用進行具體分析，在總結合成微生物在發(fā)酵食品中應用的基礎上，肯定合成微生物群落研究的重要性和發(fā)展前景，旨在為促進微生物發(fā)展在我國發(fā)酵食品中的應用和發(fā)展提供借鑒。

關鍵詞：合成微生物群落;發(fā)酵食品;生物處理

近年來，生物學家提出一種合成微生物群落的概念。這一概念是基于自然微生物群落功能的不穩(wěn)定性和可應用范圍的局限性提出的，具體研究思路是通過人工簡化和模擬復雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，利用生物分子之間的特性，科學設計生物群落的結構，改善微生物群落功能的穩(wěn)定性。

1 微生物

微生物作為生命組成系統(tǒng)的重要部分，在能源、環(huán)境衛(wèi)生、腸道健康、醫(yī)藥、食品研發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。本研究主要從常見的食品發(fā)酵領域入手，探究微生物在發(fā)酵食品中的應用。

1.1 常見的發(fā)酵微生物

制作發(fā)酵食品常用到的微生物主要為發(fā)酵微生物。常見的發(fā)酵微生物有4種，即細菌、霉菌、酵母菌和放線菌。其中在發(fā)酵食品應用較多的主要是細菌中的醋酸桿菌、乳酸菌和非致病棒桿菌。在日常生產(chǎn)中，人們常根據(jù)測序結果將不同生物功能的兩種或多種微生物相結合，形成功能各異的合成微生物群落，制成生物菌劑進行復配使用，轉化應用于發(fā)酵食品工業(yè)，不僅能提升發(fā)酵效率，增強發(fā)酵效果，還能改善食品的風味，增加發(fā)酵食品中氨基酸、糖和酸的質量分數(shù)，優(yōu)化發(fā)酵食品的口感，增加食用價值，提升食品的附加值。

1.2 常見的發(fā)酵食品

發(fā)酵食品是利用有益微生物的部分特性而制成的一類食品，其口感獨特，風味俱佳。在日常生活中，發(fā)酵食品相當常見，種類豐富多樣，例如調味料有食醋、醬油、豆瓣醬、黃酒、味精;飲品有啤酒、葡萄酒、果酒等;乳制品有酸奶、奶酪、酸性奶油;豆制品中有豆腐乳、豆豉、納豆等;蔬菜中有酸菜、泡菜、醬菜、榨菜等。部分發(fā)酵食品還具有特定的保健功效。例如發(fā)酵乳可以調理腸胃、促進消化;利用酵母制成的面包口感松軟，易于消化;紅茶清新爽口，適量飲用可幫助降低血脂血壓。由此可見，發(fā)酵食品在人們的日常飲食中扮演著重要的角色，備受人們的歡迎，市場需求量大。

2 合成微生物群落

合成微生物群落是近年來新興的研究方向之一，其屬于合成生物學和微生物組學交叉范疇。不同于單一的物種培養(yǎng)研究，其是一種由人工合成的多個物種共同培養(yǎng)的微生物體系，特點是復雜度低、組成明確、可控性高[1]。簡單來說，也可認為是一種從傳統(tǒng)的單一細胞行為研究擴展到多細胞微生物群落行為的研究。合成微生物群落的關鍵在于通過微生物之間的數(shù)量控制、位置排布和功能差異來實現(xiàn)微生物的任務分工和功能互補。盡管應用前景廣闊，但由于對合成微生物群落的研究還缺乏深入和全面的可行性實驗分析和論證，目前其還存在功能不穩(wěn)定、可合成的群落種類有限的瓶頸。本研究基于以上幾點側重研究合成微生物群落在食品發(fā)酵領域的應用。

2.1 合成微生物群落的特點

合成微生物群落是基于人工選擇的多物種共同培養(yǎng)的研究成果，這決定了其具有完全不同于單一微生物和自然復雜微生物群落的功能特性，存在很大的設計空間。相較于單一微生物，合成微生物群落的功能更為多樣。

2.1.1 可人工選擇合成微生物群落的組成生物種類

合成微生物群落實質是多種細胞生物共存的組合，不同生物所具備的功能特性不同，在保留自身特性的同時，經(jīng)過人工選擇，能與其他生物特性形成互補或增益的效果，因而具有自然微生物群落的諸多優(yōu)點，對于外界環(huán)境的負面干擾具有更強的抵抗力，功能的穩(wěn)定性也更強。

2.1.2 可調控合成微生物群落的空間結構

一個重要特征是能通過多個物種共同執(zhí)行多種功能或者將復雜任務分解為多個步驟，從而有效完成單一物種不可能進行的復雜生化過程[2]。EITEMAN等[3]指出具體方法是改變細胞交流、物種代謝作用、空間結構等方式調控生物分子之間的相互作用，實現(xiàn)對微生物群落功能的改造，實現(xiàn)靶向功能的設計。

2.1.3 可人為控制合成微生物群落的位置和數(shù)量分布

要想形成具有某些功能的微生物群落，需了解這些微生物之間的特性，如空間結構、繁殖能力、生長條件、代謝作用等。在某些食品發(fā)酵過程中，微生物的數(shù)量和分布位置至關重要。例如豆乳的發(fā)酵需要瑞士乳桿菌和嗜熱鏈球菌等乳酸發(fā)酵常規(guī)微生物的參與。在具體操作過程中，需要控制這些微生物的生長條件，如溫度、光照、氧氣、pH等條件。

2.2 合成微生物群落的應用

合成微生物群落的應用前景廣闊，目前主要應用于生物處理技術領域，包括但不限于環(huán)境衛(wèi)生、燃料生產(chǎn)、高附加值化學品的合成、污染物降解等、食品發(fā)酵等領域，本研究主要探討其在發(fā)酵食品中的應用。

3 合成微生物群落在發(fā)酵食品中的應用

3.1 乳制品的發(fā)酵

合成微生物群落在發(fā)酵食品中的應用較多。在食品發(fā)酵應用中，發(fā)酵乳制品的應用具有典型性。李艷等[4]利用測序技術對自然發(fā)酵乳及傳統(tǒng)開菲爾粒中酵母菌的多樣性進行了研究，結果表明馬克思克魯維酵母、釀酒酵母和季也蒙畢赤酵母是優(yōu)勢菌群，將二者生物特性加以結合和調控，可用于制作發(fā)酵乳。酸奶能促進腸胃蠕動和胃酸分泌且口感獨特，是人們?nèi)粘Ｏ矏鄣娜橹破?。乳制品中的微生物的功能有些是相互補充，有些則會抑制彼此的生長。LIU等[5]研究中指出在西藏地區(qū)的酸牦牛乳中，瑞士乳桿菌為優(yōu)勢乳酸菌，而發(fā)酵乳桿菌的檢出頻率較低，德氏乳桿菌保加利亞亞種出現(xiàn)頻率較高，說明在這一微生物群落中，瑞士乳桿菌抑制了發(fā)酵乳桿菌的生長，而德氏乳桿菌保加利亞亞種與其是共生互補關系?；诖?，在制作酸奶等發(fā)酵乳制品時，可參照這一結果匹配相應的適用于產(chǎn)品風味調整的微生物群落。

3.2 酒曲的制作

甜酒釀是人們過年過節(jié)時喜歡食用的一種食物。用于制作酒釀的酒曲中含有人工合成的微生物群落。李艷利用聚合酶鏈式反應變性梯度凝膠電泳技術測得了酒曲中的微生物主要是由細菌、曲霉、酵母菌等多種微生物組合而成的微生物群落。酵母菌是一種單細胞真菌，在無氧條件下，其可以有效分解糯米中的葡萄糖，產(chǎn)生酒精和二氧化碳。葉光斌等[6]分別對四川瀘州、宜賓和貴州等地區(qū)白酒窖泥中的微生物多樣性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，這些微生物群落中，優(yōu)勢種群分別為梭菌綱細菌、地衣芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌。人們在釀造酒類時會主動選取具有此類微生物組合的原料和適合此類微生物群落繁殖的條件，大大改進了甜酒的口感和生產(chǎn)效率。

3.3 發(fā)酵蔬菜的制作（榨菜、酸菜、醬菜、泡菜）

發(fā)酵蔬菜會用到合成生物菌落。荊雪嬌等[7]利用優(yōu)勢條帶回收克隆的測序方法得出在泡菜中除了使用糖乳桿菌外，其他乳桿菌含量都較低的結論。同時還指出諸多其他榨菜、醬菜和酸菜中均發(fā)現(xiàn)了有害菌或條件致病菌的存在。這引發(fā)了相關學者對發(fā)酵蔬菜致病菌的進一步研究，對于加強發(fā)酵蔬菜的食用安全性有導向性研究作用。利用不同工藝生產(chǎn)出的泡菜、榨菜、醬菜和酸菜，其多樣性和群落之間的結構差異較大，這表明微生物的特性和細胞結構、分布位置、數(shù)量等對發(fā)酵蔬菜的影響較為顯著。采用相同工藝生產(chǎn)的發(fā)酵蔬菜樣品，其中的細菌多樣性指數(shù)差異較小，主要表現(xiàn)為PCA分析聚類。加工工藝、包裝工藝和原料不同的發(fā)酵蔬菜中都包含豐富的乳桿菌群。根據(jù)荊雪嬌等[7]的研究結果，可以看到所有發(fā)酵蔬菜中都有植物乳桿菌，泡菜和酸菜的優(yōu)勢菌群是短乳桿菌，而在泡菜和浙江榨菜中，彎曲乳桿菌是優(yōu)勢菌群，酸菜和醬菜的優(yōu)勢菌群分別為消化乳桿菌和食用糖乳桿菌。

4 結語

單一菌種的微生物應用會受到各種條件的限制，對發(fā)酵食品風味和功效的改善效果不佳。合成微生物群落則能更好地適應環(huán)境的變化，并且在代謝過程中能進行分工協(xié)作，且由于數(shù)量和菌種可調控，能催化較為復雜的反應，對于改善發(fā)酵食品的品質、風味和營養(yǎng)有顯著效果。此外，人工合成微生物群落在燃料研究、環(huán)境衛(wèi)生、生物醫(yī)藥等領域中也發(fā)揮著重要作用，人工合成微生物群落的發(fā)展前景廣闊。

參考文獻

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[3]EITEMAN M A，LEE SA，A LTMAN E.A co-fermentation strategy to consume sugar mixtures effectively[J].Journal of Biology Engergy，2008（2）：3.

[4]李艷，范佳.自然發(fā)酵乳及傳統(tǒng)開菲爾粒中酵母菌的多樣性研究[J].河北科技大學學報，2014，35（6）：561-568.

[5]LIU W J，SUN Z H，ZHANG Y B，et al.A survey ofthe bacterial composition of kurut from Tibet using a culture independent approach[J].Jpurnal of Dairy Science，2012，95（3）：1064-1072.

[6]葉光斌，羅惠波，楊曉東，等.基于免培養(yǎng)法研究瀘州地區(qū)濃香型白酒窖泥原核微生物群落結構[J].食品科學，2013，34（17）：176-181.

[7]荊雪嬌，李艷琴，燕平梅，等.傳統(tǒng)發(fā)酵蔬菜微生物群落結構分析[J].食品與發(fā)酵科技，2016，52（1）：28-32.