合成微生物群落在发酵食品中的应用研究

段永兰

摘 要：合成微生物群落的应用范围较广，将其应用于发酵食品，可有效改善食品的风味、品质和营养结构，对食品的创新研发具有重要意义。本文阐述了微生物概念，重点阐述了合成微生物群落的特点，并针对部分微生物群落在传统发酵食品中的应用进行具体分析，在总结合成微生物在发酵食品中应用的基础上，肯定合成微生物群落研究的重要性和发展前景，旨在为促进微生物发展在我国发酵食品中的应用和发展提供借鉴。

关键词：合成微生物群落;发酵食品;生物处理

近年来，生物学家提出一种合成微生物群落的概念。这一概念是基于自然微生物群落功能的不稳定性和可应用范围的局限性提出的，具体研究思路是通过人工简化和模拟复杂的微生物生态系统，利用生物分子之间的特性，科学设计生物群落的结构，改善微生物群落功能的稳定性。

1 微生物

微生物作为生命组成系统的重要部分，在能源、环境卫生、肠道健康、医药、食品研发中发挥着重要的作用。本研究主要从常见的食品发酵领域入手，探究微生物在发酵食品中的应用。

1.1 常见的发酵微生物

制作发酵食品常用到的微生物主要为发酵微生物。常见的发酵微生物有4种，即细菌、霉菌、酵母菌和放线菌。其中在发酵食品应用较多的主要是细菌中的醋酸杆菌、乳酸菌和非致病棒杆菌。在日常生产中，人们常根据测序结果将不同生物功能的两种或多种微生物相结合，形成功能各异的合成微生物群落，制成生物菌剂进行复配使用，转化应用于发酵食品工业，不仅能提升发酵效率，增强发酵效果，还能改善食品的风味，增加发酵食品中氨基酸、糖和酸的质量分数，优化发酵食品的口感，增加食用价值，提升食品的附加值。

1.2 常见的发酵食品

发酵食品是利用有益微生物的部分特性而制成的一类食品，其口感独特，风味俱佳。在日常生活中，发酵食品相当常见，种类丰富多样，例如调味料有食醋、酱油、豆瓣酱、黄酒、味精;饮品有啤酒、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、纳豆等;蔬菜中有酸菜、泡菜、酱菜、榨菜等。部分发酵食品还具有特定的保健功效。例如发酵乳可以调理肠胃、促进消化;利用酵母制成的面包口感松软，易于消化;红茶清新爽口，适量饮用可帮助降低血脂血压。由此可见，发酵食品在人们的日常饮食中扮演着重要的角色，备受人们的欢迎，市场需求量大。

2 合成微生物群落

合成微生物群落是近年来新兴的研究方向之一，其属于合成生物学和微生物组学交叉范畴。不同于单一的物种培养研究，其是一种由人工合成的多个物种共同培养的微生物体系，特点是复杂度低、组成明确、可控性高[1]。简单来说，也可认为是一种从传统的单一细胞行为研究扩展到多细胞微生物群落行为的研究。合成微生物群落的关键在于通过微生物之间的数量控制、位置排布和功能差异来实现微生物的任务分工和功能互补。尽管应用前景广阔，但由于对合成微生物群落的研究还缺乏深入和全面的可行性实验分析和论证，目前其还存在功能不稳定、可合成的群落种类有限的瓶颈。本研究基于以上几点侧重研究合成微生物群落在食品发酵领域的应用。

2.1 合成微生物群落的特点

合成微生物群落是基于人工选择的多物种共同培养的研究成果，这决定了其具有完全不同于单一微生物和自然复杂微生物群落的功能特性，存在很大的设计空间。相较于单一微生物，合成微生物群落的功能更为多样。

2.1.1 可人工选择合成微生物群落的組成生物种类

合成微生物群落实质是多种细胞生物共存的组合，不同生物所具备的功能特性不同，在保留自身特性的同时，经过人工选择，能与其他生物特性形成互补或增益的效果，因而具有自然微生物群落的诸多优点，对于外界环境的负面干扰具有更强的抵抗力，功能的稳定性也更强。

2.1.2 可调控合成微生物群落的空间结构

一个重要特征是能通过多个物种共同执行多种功能或者将复杂任务分解为多个步骤，从而有效完成单一物种不可能进行的复杂生化过程[2]。EITEMAN等[3]指出具体方法是改变细胞交流、物种代谢作用、空间结构等方式调控生物分子之间的相互作用，实现对微生物群落功能的改造，实现靶向功能的设计。

2.1.3 可人为控制合成微生物群落的位置和数量分布

要想形成具有某些功能的微生物群落，需了解这些微生物之间的特性，如空间结构、繁殖能力、生长条件、代谢作用等。在某些食品发酵过程中，微生物的数量和分布位置至关重要。例如豆乳的发酵需要瑞士乳杆菌和嗜热链球菌等乳酸发酵常规微生物的参与。在具体操作过程中，需要控制这些微生物的生长条件，如温度、光照、氧气、pH等条件。

2.2 合成微生物群落的应用

合成微生物群落的应用前景广阔，目前主要应用于生物处理技术领域，包括但不限于环境卫生、燃料生产、高附加值化学品的合成、污染物降解等、食品发酵等领域，本研究主要探讨其在发酵食品中的应用。

3 合成微生物群落在发酵食品中的应用

3.1 乳制品的发酵

合成微生物群落在发酵食品中的应用较多。在食品发酵应用中，发酵乳制品的应用具有典型性。李艳等[4]利用测序技术对自然发酵乳及传统开菲尔粒中酵母菌的多样性进行了研究，结果表明马克思克鲁维酵母、酿酒酵母和季也蒙毕赤酵母是优势菌群，将二者生物特性加以结合和调控，可用于制作发酵乳。酸奶能促进肠胃蠕动和胃酸分泌且口感独特，是人们日常喜爱的乳制品。乳制品中的微生物的功能有些是相互补充，有些则会抑制彼此的生长。LIU等[5]研究中指出在西藏地区的酸牦牛乳中，瑞士乳杆菌为优势乳酸菌，而发酵乳杆菌的检出频率较低，德氏乳杆菌保加利亚亚种出现频率较高，说明在这一微生物群落中，瑞士乳杆菌抑制了发酵乳杆菌的生长，而德氏乳杆菌保加利亚亚种与其是共生互补关系。基于此，在制作酸奶等发酵乳制品时，可参照这一结果匹配相应的适用于产品风味调整的微生物群落。

3.2 酒曲的制作

甜酒酿是人们过年过节时喜欢食用的一种食物。用于制作酒酿的酒曲中含有人工合成的微生物群落。李艳利用聚合酶链式反应变性梯度凝胶电泳技术测得了酒曲中的微生物主要是由细菌、曲霉、酵母菌等多种微生物组合而成的微生物群落。酵母菌是一种单细胞真菌，在无氧条件下，其可以有效分解糯米中的葡萄糖，产生酒精和二氧化碳。叶光斌等[6]分别对四川泸州、宜宾和贵州等地区白酒窖泥中的微生物多样性进行了研究。研究发现，这些微生物群落中，优势种群分别为梭菌纲细菌、地衣芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌。人们在酿造酒类时会主动选取具有此类微生物组合的原料和适合此类微生物群落繁殖的条件，大大改进了甜酒的口感和生产效率。

3.3 发酵蔬菜的制作（榨菜、酸菜、酱菜、泡菜）

发酵蔬菜会用到合成生物菌落。荆雪娇等[7]利用优势条带回收克隆的测序方法得出在泡菜中除了使用糖乳杆菌外，其他乳杆菌含量都较低的结论。同时还指出诸多其他榨菜、酱菜和酸菜中均发现了有害菌或条件致病菌的存在。这引发了相关学者对发酵蔬菜致病菌的进一步研究，对于加强发酵蔬菜的食用安全性有导向性研究作用。利用不同工艺生产出的泡菜、榨菜、酱菜和酸菜，其多样性和群落之间的结构差异较大，这表明微生物的特性和细胞结构、分布位置、数量等对发酵蔬菜的影响较为显著。采用相同工艺生产的发酵蔬菜样品，其中的细菌多样性指数差异较小，主要表现为PCA分析聚类。加工工艺、包装工艺和原料不同的发酵蔬菜中都包含丰富的乳杆菌群。根据荆雪娇等[7]的研究结果，可以看到所有发酵蔬菜中都有植物乳杆菌，泡菜和酸菜的优势菌群是短乳杆菌，而在泡菜和浙江榨菜中，弯曲乳杆菌是优势菌群，酸菜和酱菜的优势菌群分别为消化乳杆菌和食用糖乳杆菌。

4 结语

单一菌种的微生物应用会受到各种条件的限制，对发酵食品风味和功效的改善效果不佳。合成微生物群落则能更好地适应环境的变化，并且在代谢过程中能进行分工协作，且由于数量和菌种可调控，能催化较为复杂的反应，对于改善发酵食品的品质、风味和营养有显著效果。此外，人工合成微生物群落在燃料研究、环境卫生、生物医药等领域中也发挥着重要作用，人工合成微生物群落的发展前景广阔。

参考文献

[1]曲泽鹏，陈沫先，曹朝辉，等.合成微生物群落研究进展[J].合成生物学，2020，1（6）：621-634.

[2]北纳波老师.微生物群落各成员间的相互作用[EB/OL].（2020-06-09）[2021-05-15].http：//www.bncc.org.cn/M/Discover/Topics/8538.

[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]李艳，范佳.自然发酵乳及传统开菲尔粒中酵母菌的多样性研究[J].河北科技大学学报，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]叶光斌，罗惠波，杨晓东，等.基于免培养法研究泸州地区浓香型白酒窖泥原核微生物群落结构[J].食品科學，2013，34（17）：176-181.

[7]荆雪娇，李艳琴，燕平梅，等.传统发酵蔬菜微生物群落结构分析[J].食品与发酵科技，2016，52（1）：28-32.