合成微生物群落在發(fā)酵食品中的應(yīng)用研究

段永蘭

摘 要：合成微生物群落的應(yīng)用范圍較廣，將其應(yīng)用于發(fā)酵食品，可有效改善食品的風(fēng)味、品質(zhì)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，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(diǎn)闡述了合成微生物群落的特點(diǎn)，并針對部分微生物群落在傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的應(yīng)用進(jìn)行具體分析，在總結(jié)合成微生物在發(fā)酵食品中應(yīng)用的基礎(chǔ)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(jìn)微生物發(fā)展在我國發(fā)酵食品中的應(yīng)用和發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：合成微生物群落;發(fā)酵食品;生物處理

近年來，生物學(xué)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(yīng)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(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，利用生物分子之間的特性，科學(xué)設(shè)計(jì)生物群落的結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域入手，探究微生物在發(fā)酵食品中的應(yīng)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(xì)菌、霉菌、酵母菌和放線菌。其中在發(fā)酵食品應(yīng)用較多的主要是細(xì)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(jié)果將不同生物功能的兩種或多種微生物相結(jié)合，形成功能各異的合成微生物群落，制成生物菌劑進(jìn)行復(fù)配使用，轉(zhuǎn)化應(yīng)用于發(fā)酵食品工業(yè)，不僅能提升發(fā)酵效率，增強(qiáng)發(fā)酵效果，還能改善食品的風(fēng)味，增加發(fā)酵食品中氨基酸、糖和酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，優(yōu)化發(fā)酵食品的口感，增加食用價(jià)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(dú)特，風(fēng)味俱佳。在日常生活中，發(fā)酵食品相當(dāng)常見，種類豐富多樣，例如調(diào)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(diào)理腸胃、促進(jìn)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(xué)和微生物組學(xué)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(gè)物種共同培養(yǎng)的微生物體系，特點(diǎn)是復(fù)雜度低、組成明確、可控性高[1]。簡單來說，也可認(rèn)為是一種從傳統(tǒng)的單一細(xì)胞行為研究擴(kuò)展到多細(xì)胞微生物群落行為的研究。合成微生物群落的關(guān)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(shí)現(xiàn)微生物的任務(wù)分工和功能互補(bǔ)。盡管應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)側(cè)重研究合成微生物群落在食品發(fā)酵領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 合成微生物群落的特點(diǎn)

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(fù)雜微生物群落的功能特性，存在很大的設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)是多種細(xì)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(shí)，經(jīng)過人工選擇，能與其他生物特性形成互補(bǔ)或增益的效果，因而具有自然微生物群落的諸多優(yōu)點(diǎn)，對于外界環(huán)境的負(fù)面干擾具有更強(qiáng)的抵抗力，功能的穩(wěn)定性也更強(qiáng)。

2.1.2 可調(diào)控合成微生物群落的空間結(jié)構(gòu)

一個(gè)重要特征是能通過多個(gè)物種共同執(zhí)行多種功能或者將復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)步驟，從而有效完成單一物種不可能進(jìn)行的復(fù)雜生化過程[2]。EITEMAN等[3]指出具體方法是改變細(xì)胞交流、物種代謝作用、空間結(jié)構(gòu)等方式調(diào)控生物分子之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對微生物群落功能的改造，實(shí)現(xiàn)靶向功能的設(shè)計(jì)。

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(jié)構(gòu)、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(guān)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(yīng)用

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

3 合成微生物群落在發(fā)酵食品中的應(yīng)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(yīng)用較多。在食品發(fā)酵應(yīng)用中，發(fā)酵乳制品的應(yīng)用具有典型性。李艷等[4]利用測序技術(shù)對自然發(fā)酵乳及傳統(tǒng)開菲爾粒中酵母菌的多樣性進(jìn)行了研究，結(jié)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(jié)合和調(diào)控，可用于制作發(fā)酵乳。酸奶能促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)和胃酸分泌且口感獨(dú)特，是人們?nèi)粘Ｏ矏鄣娜橹破贰Ｈ橹破分械奈⑸锏墓δ苡行┦窍嗷パa(bǔ)充，有些則會(huì)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(bǔ)關(guān)系。基于此，在制作酸奶等發(fā)酵乳制品時(shí)，可參照這一結(jié)果匹配相應(yīng)的適用于產(chǎn)品風(fēng)味調(diào)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(shí)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?zhǔn)椒磻?yīng)變性梯度凝膠電泳技術(shù)測得了酒曲中的微生物主要是由細(xì)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(xì)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(jìn)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(xì)菌、地衣芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌。人們在釀造酒類時(shí)會(huì)主動(dòng)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(jìn)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(huì)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(jié)論。同時(shí)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(guān)學(xué)者對發(fā)酵蔬菜致病菌的進(jìn)一步研究，對于加強(qiáng)發(fā)酵蔬菜的食用安全性有導(dǎo)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(jié)構(gòu)差異較大，這表明微生物的特性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)、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(xì)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(jié)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(jié)語

單一菌種的微生物應(yīng)用會(huì)受到各種條件的限制，對發(fā)酵食品風(fēng)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(yīng)環(huán)境的變化，并且在代謝過程中能進(jìn)行分工協(xié)作，且由于數(shù)量和菌種可調(diào)控，能催化較為復(fù)雜的反應(yīng)，對于改善發(fā)酵食品的品質(zhì)、風(fēng)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(lǐng)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(xiàn)

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[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(jié)構(gòu)[J].食品科學(xué)，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(jié)構(gòu)分析[J].食品與發(fā)酵科技，2016，52（1）：28-32.