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随着现代食品工业的发展，发酵剂的使用在提升发酵食品品质和制造效率方面发挥着重要作用，是实现发酵食品工业生产标准化、规模化的关键。优良发酵剂不仅应具有发酵剂的基础活性，还应具备改善食品风味、质地等品质及营养的多元化功能。 本文展望发酵剂未来的发展趋势，以期为相关研究人员的科研创新工作提供思路和借鉴，助力其科研创新与实践应用的深化。
优良生产、益生特性发酵剂菌种的生物学表征 食品发酵是通过所需微生物生长及酶作用转化食品成分生产食品或饮料的过程，发酵体系中的菌群结构组成、产生的代谢物等因素共同决定了最终产品的质地、风味、营养和安全性等特性。因此，对发酵剂菌种的生物学特性（如生理特性、代谢特性、抗逆性等）进行表征，可更好地筛选优良菌种用于发酵生产，有助于发酵工艺的优化及功能性产品的开发。 1）生理特性分析：包括菌种的生长速率、适宜温度、pH值范围、氧气需求量等，了解菌种的生理特性有助于确定其在不同条件下的生长和代谢能力。 2）代谢特性探究：研究菌种的代谢途径、代谢产物、酶系统等，通过代谢途径和代谢产物的分析，可以确定菌种的主要代谢途径和其对底物的利用能力及产生的有益代谢产物（如有机酸、维生素等）。 3）耐胁迫特性分析：研究菌种对不利环境因素的适应能力，如高温、低温、酸碱度、盐浓度等，了解菌种的耐胁迫特性有助于确定其在实际应用中的稳定性。 4）益生特性评估：如果菌种被认为具有益生特性，如对人体健康有益的活性代谢产物的产生，对肠道菌群的调节能力等。 食品微生物种类和数量繁多，不同菌种/株间生理表型差异大，这为筛选具有优异特性的菌株带来了极大的挑战。传统筛选方法虽然能够识别出具备优良生产和益生特性的发酵剂菌株，但是往往工作量大且效率低下，亟需建立高通量靶向筛选方法。 近年来，《Cell》等顶级期刊及其子刊研究成果显示，发酵剂菌株的生理特性、益生功效与其特定的功能基因（簇）密切相关，这提示可从遗传背景角度预测并锁定具有优良生产、益生特性的发酵剂菌株。 因此，深入解析不同潜在发酵剂菌株的遗传背景、生理表型和功能特性差异规律，明确特征基因组与微生物优良生产、发酵特性的关联机制，可为优良发酵剂菌株的高效筛选提供靶标和方向。 如利用UHPLC-QE-MS等技术手段分析不同菌种/株代谢食品基质（如糖类、蛋白质、脂肪等）产风味物质（如醛类、酮类、酯类等）、营养物质（如氨基酸、核苷酸、短链肽等）的能力差异，结合多组学联用技术和生物信息学方法，解析与菌种/株特定代谢物产生相关的潜在功能基因（簇）、代谢途径与调控机制；进一步利用CRISPR、同源重组等基因编辑技术进行验证，进而锁定与菌株生产特性相关关键基因（簇）。 通过体外模型、动物模型和临床试验评估不同发酵剂菌株特定功效差异，结合比较基因组学方法锁定影响益生功效的潜在功能基因（簇），进一步使用基因敲除方法和无菌鼠模型进行验证，确定影响菌株功效的功能基因（簇），进而为具有特定益生功效的菌株高效选育提供分子靶标。
发酵剂菌种有益代谢产物的功能解析及分子调控 食品发酵过程中产生的大量有益代谢产物（如γ-氨基丁酸、维生素等）有利于增强发酵食品的营养价值。不同种类或结构的代谢产物益生功效可能表现出显著差异，其产生具有菌株特异性。因此，解析发酵剂菌种特征代谢产物及其功能，探究有益代谢产物、菌体和底物的调控机制及分子调控规律，可为高产有益代谢产物菌种挖掘提供理论基础。 基于发酵菌种基因组大数据，使用AntiSMASH、BiG-SLiCE等生物信息学软件，结合MIBiG数据库预测有益代谢产物的生物合成基因簇（BGC）及其生物活性。 采用离子交换、凝胶/亲和层析等集成技术，对特征代谢产物进行分离纯化和结构表征，进一步通过体外肠道模拟、动物实验为一体的功能评价模型，阐明发酵剂菌种有益代谢产物发挥功效的量效关系。 此外，通过在基因组及代谢产物层面探究发酵剂菌种发酵过程中菌体、有益代谢产物和底物之间的动态关系，能够明确与有益代谢产物合成及调控相关的功能基因和代谢通路。 通过构建菌体生长、产物生成和底物消耗动力学模型，探究pH值、营养基质和辅酶等因子对菌种合成代谢物的调控规律，从而实现有益代谢产物的定向调控。 以获取高产GABA菌种为例，根据基因组数据，通过比较基因组学方法确定菌种GABA合成相关的gad操纵子，包括GABA生物合成的关键基因gadA和gadB，以及负责GABA在细胞膜上转运功能的基因gadC；通过基因组分析确定短乳杆菌是乳酸菌中唯一携带完整gad操纵子的菌种。体外试验发现短乳杆菌NCL912的GABA产量为（205.8±8.0）g/L，而不具备该操纵子的植物乳杆菌KCTC3103的GABA产量仅为0.67g/L。 此外，研究不同浓度（0，10，20，30，40，50，100μmol/L）的磷酸吡哆醛（PLP）对短乳杆菌RK03生产GABA的影响，发现培养基中PLP浓度为10μmol/L和20μmol/L时GABA的产量最高。  复合发酵剂菌种群体共生和 协同增效的物质基础解析 复合发酵剂菌种群体共生和协同作用可促进菌种生长、优化代谢产物生成，从而提高整体发酵效率和改善食品品质，还可通过维持微生物群落的稳定性增强产品稳定性。 复合发酵剂菌种群体共生和协同增效的物质基础涉及多方面的生物化学和微生物学机制，主要包括以下内容： 1）代谢途径互补：不同菌种可能具有不同的代谢途径和酶系统，这些途径在底物转化和代谢产物生成中相互补充，从而增加了总体代谢能力。 2）代谢产物互用：某些菌种分解底物产生的代谢产物可能是其它菌种生长所需的底物，这种共生关系促进了底物的完全利用，减少了代谢产物的积累。 3）酶的协同作用：不同菌种分泌的酶可能具有互补功能，共同作用于底物的降解或转化，从而加速反应速率。 4）共生物质互换：不同菌种之间可能通过分泌物质或者细胞间连接结构进行物质交换，如营养物质、信号分子等，这种共生交换促进了菌种之间的相互协调和生长调控。 5）环境因子调节：共生关系可能使菌种对环境因子的适应能力增强，如某些菌种能产生抗氧化物质或者表面活性剂，帮助其它菌种更好地适应环境压力。 复合发酵剂菌种群体共生和协同增效主要取决于微生物间正向的相互作用，如交叉喂养、群体感应等。 1）交叉喂养。交叉喂养是指菌种/株利用其它菌种/株分泌的代谢产物（包括碳源、氮源、氨基酸、维生素等生长因子）促进自身生长的代谢互养关系。 保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌复合发酵剂在牛奶发酵过程中的协同共生是典型的交叉喂养模式，嗜热链球菌的蛋白酶（prtS）酪蛋白降解能力较弱，不能直接从牛奶体系中获得生长所需的足够氨基酸，保加利亚乳杆菌表现出较强的蛋白水解能力，可为嗜热链球菌提供生长所需的氨基酸（如组氨酸、蛋氨酸和脯氨酸）、小分子肽等，而大多数保加利亚乳杆菌缺乏丙酮酸-甲酸裂解酶以及叶酸合成相关酶，因此无法合成叶酸、甲酸和吡啶等菌种生长所需的物质。 嗜热链球菌具有较高的丙酮酸-甲酸裂解酶活性以及完整的叶酸合成途径，可为保加利亚乳杆菌提供这些必需物质。 2）群体感应。群体感应是一种由自诱导物介导的菌种/株群体交流现象。某些微生物产生信号分子并释放到环境中，当其浓度达到一定阈值时，将触发细胞响应信号分子，进而特异性激活下游基因表达。这种相互作用方式影响着微生物群落之间的关系。 这种信号分子在不同菌种中具有差异，如N-酰基-高丝氨酸内酯（AHL）存在于革兰氏阴性菌中，自诱导肽（乳酸链球菌肽、植物乳杆菌素等）和呋喃糖基硼酸盐存在于革兰氏阳性菌中，酵母中检测到的信号分子主要是一些芳香醇，如法尼醇、色胺醇和酪醇等物质。 这些信号分子介导的群体感应通过促进细胞自溶，提高菌株环境胁迫耐受性等作用，在发酵剂之间的相互作用中发挥着重要作用，如AI-2被证明可通过提高嗜热链球菌的耐酸性和代谢速率增强与保加利亚乳杆菌的相互作用。 由于每种菌株都具有独特的代谢潜力，产生代谢物的种类、数量、时间等具有差异，因此复合发酵剂菌株间相互作用的存在和强度取决于菌株的特定组合。 未来研究使用人工智能技术构建多菌株协同发酵代谢共生网络，结合转录组学、代谢组学等手段解析不同种菌株协同发酵过程中基因表达调控、特征代谢物、信号分子等物质变化规律，基于群体感应、交叉喂养等相互作用探究复合食品发酵剂群体共生和协同增效物质基础，为优良复合发酵剂的研创提供理论基础。
特色发酵食品的品质形成机制和定向调控 特色发酵食品的品质形成过程是微生物通过代谢食品基质中蛋白质、脂质和碳水化合物等生成独特风味及营养物质的过程，微生物种类及其代谢产物的多样性是影响该过程的核心因素。 为了实现特色发酵食品品质的定向调控，首先需要明确在自然接种条件下特色发酵食品的品质形成机制，即发酵微生物如何形成独特的微生物群落并进行精准代谢。 其次，由于发酵食品中原有的微生物群落具有复杂性高，稳定性差和功能冗余等缺陷，容易造成发酵产品品质的波动，通过特征微生物菌种的选择与重组构建复合发酵剂进行发酵，对提高发酵食品品质的定向调控至关重要。 发酵食品的品质形成机制和定向调控涉及多个方面的因素，包括原料选择、发酵菌种、发酵条件、生产工艺等。 1）菌种选择：发酵食品的菌种是影响品质的关键因素之一，选择合适的发酵菌种可以通过其代谢产物、酶系统等特性来调控食品的风味、口感、营养成分等；菌种的种类和比例会影响到发酵过程中的代谢产物及其相互作用，从而影响到最终产品的品质。 2）发酵条件：控制发酵条件是调控发酵食品品质的关键，包括温度、湿度、pH值、氧气含量等因素都会影响菌种的生长和代谢活性，进而影响产品的质地、口感、营养成分等。 3）原料种类：不同的原料具有不同的成分和特性，对发酵食品的品质也会产生重要影响，选择优质的原料，并根据不同的发酵工艺要求进行加工和处理，可以改善产品的口感、颜色、香味等。 4）辅助发酵剂：有些特色发酵食品需要添加辅助发酵剂，如酵母、乳酸菌、曲霉等，来促进发酵过程和调控产品品质；合理选择发酵剂的种类和比例，可以增强产品的特色风味和营养成分。 5）发酵过程控制：对发酵过程进行严密控制是确保产品品质的关键，包括发酵时间、发酵温度、搅拌速度等参数的调控，都会影响到产品的发酵程度和最终品质。 6）微生物群落动态调控：发酵食品的微生物群落动态变化对产品品质有重要影响，通过合理设计发酵工艺，可以控制不同阶段的微生物群落组成，从而实现产品品质的定向调控。 在基于食品发酵剂实现特色发酵食品品质的定向调控方面，首要任务是在多组学联合分析的框架下，深入探索特色发酵食品的微生物群落结构及其功能，以及这些群落的演替规律。 借助对酶系、菌系和物系之间相互作用的深入解析，揭示核心功能微生物群与食品品质之间的关联。 在此基础上，探究影响复合发酵剂介导的食品发酵的环境因素（如湿度、pH值、氧气和温度等）和生物因素（如初始微生物丰度、延滞期和微生物间相互作用等），并通过模拟发酵和数学建模分析重组复合发酵剂菌种的最佳组成比例和最适环境因素。 Wang等使用16SrRNA测序技术、非靶代谢组学技术结合相关性分析等统计学方法鉴别出白酒发酵过程中产特定风味化合物的核心微生物群，并通过复合发酵剂菌群在白酒发酵中重现该风味化合物，实现了对发酵食品风味的定向调控。这一成果不仅展现了定向调控发酵食品品质的潜力，也为食品科学领域带来了新的研究思路和技术路径。 综合分析国内外最新研究发现，乳酸菌发酵剂是食品发酵领域研究的核心。筛选具有优良生产、益生特性发酵剂菌种，开发多菌株协同作用的复合发酵剂是食品发酵工业的发展趋势。 |
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