《食品科学》：江苏科技大学余永建研究员等：传统食醋发酵区系中微生物群落及相互作用关系研究进展

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中国传统食醋的发酵是一个多菌种参与下的复杂化学变化过程，发酵体系（醋醅）中的微生物可能来自原料、曲、种子以及自然环境，多种微生物共同形成稳定的群落结构是保证食醋品质的基础。醋醅中丰富的微生物群落是形成食醋独特风味品质最关键的影响因素。

江苏科技大学粮食学院的刘稼鑫、叶晓婷、余永建*等人以传统食醋发酵体系中的关键微生物为研究对象，总结了传统发酵食醋中微生物群落演替规律以及核心微生物间相互作用关系的研究进展（图1），并为该领域未来的研究方向提出一些建议。以期从新的角度更为全面地揭示微生物对发酵过程的影响，同时希望能够对微生物群落定向调控技术、合成微生物群落技术等手段的发展和产业化应用提供参考。

01

传统发酵食醋中微生物多样性及演替规律

1.1 传统发酵食醋中微生物群落的基本结构

近年来，随着分子生物学、分子生态学等先进技术的发展，有关食醋中微生物群落的研究愈发丰富。为从整体上把握相关文献的数量变化及时序规律，本文在Web of Science核心数据库中按照TS＝（（（“*vinegar*”）NOT（“wood-vinegar”）AND（“*bacteria*”））OR（（“*vinegar*”）NOT（“woodvinegar”）AND（“*bacterial*”））OR（（“*vinegar*”）NOT（“wood-vinegar”）AND（“*microbe*”））OR（（“*vinegar*”）NOT（“wood-vinegar”）AND（“*microbiota*”）））进行高级检索，时间跨度选择“2011—2021”，最终共得到591 篇有关食醋中微生物群落的出版文献，分别通过Origin和CiteSpace V软件对检索结果进行时序数量统计和关键词共现分析（图2）。

由图2A可以看出，相关研究数量在整体上呈现逐年递增的趋势，近2年发文量保持着较高水平，说明对于该领域的研究仍存在较大发展空间；在关键词共现图中，结点越大则该关键词的词频越高，由图2B可知，该领域近年来的研究热点主要包括食醋中微生物的鉴定与定量、微生物群落的多样性及演替规律以及发酵微生物对发酵过程的影响等。在对前人研究成果进行充分学习和整理的基础上，本文对几种代表性食醋中的主要微生物进行了总结（表1）。

如表1所示，在传统发酵食醋中占主导地位的细菌为醋酸杆菌属（Acetobacter）和乳酸杆菌属（Lactobacillus），发酵初期醋酸杆菌的丰度一般较低（5%～8%），而由于乳酸杆菌多来自于酒醪，在发酵初期大多保持着较高的丰度（30%～90%），随发酵的进行，醋酸杆菌的种群数量快速上升并最终保持较高水平，乳酸杆菌种群数量的变化趋势则在不同种类食醋中呈现出一定的差异性。而在传统发酵食醋中主要的真菌种类则存在较大差异，例如，山西老陈醋和镇江香醋酿造过程中优势真菌属为酵母菌属（Saccharomyces），四川麸醋和天津独流陈醋中曲霉属（Aspergillus）居于主导地位，而凉州熏醋酿造过程中的优势真菌属则为链格孢属（Alternaria），这可能是地理气候、酿造原料和工艺等因素的差异所导致。

1.2 山西老陈醋中微生物多样性及演替规律

山西老陈醋作为传统发酵食醋的代表之一，其酿制过程一般涉及制曲、淀粉糖化、乙醇发酵、醋酸发酵4个主要阶段，在对山西老陈醋微生物群落的研究过程中，最先建立的是对大曲中微生物群落结构的认识。Mucor、Absidia是大曲中的优势霉菌，主要负责酿制过程中淀粉、蛋白质等生物大分子的水解；Candida、Hansenula、Saccharomyces等酵母菌则与大曲产酯类和醇类的功能有关；醋酸杆菌、乳酸杆菌和芽孢杆菌是大曲中的主要细菌，能够产生大量的有机酸、氨基酸和酯类物质，具有增强食醋风味和调节食醋口感等作用。

随着研究的深入，山西老陈醋酿制过程中微生物群落的结构和演替规律得以揭示。有研究者采用变性梯度凝胶电泳（DGGE）研究山西老陈醋大曲及其他发酵阶段微生物群落的多样性和动态演替规律，发现大曲中部分真菌如Streptomyces、Eurotium、Monascus、Pichia和Bacillus、Staphylococcus等在乙醇发酵阶段消失，Weissella、Lactobacillus、Streptococcus、Saccharomyces在乙醇发酵后期居于主导地位。随着发酵的进行，Weissella等微生物转向消亡，而Acetobacter、Lactobacillus、Saccharomycopsis、Alternaria在醋酸发酵阶段保持了较高丰度。随着高通量测序技术和组学技术在发酵领域的应用，山西老陈醋中微生物群落的演替规律及其与风味物质的关系愈发明确。山西老陈醋醋酸发酵过程可分为3个阶段（早期：第0～4天；中期：第5～21天；后期：第22～26天）。在早期，Pantoea、Pediococcus、Lactococcus、Rhizobium的数量显著增加，且主要与发酵过程中体系内的醇、醛、酮、酯等挥发性物质的含量有关；在中期，Lactobacillus成为优势菌，乳酸杆菌的存在导致体系内乳酸含量迅速上升；当发酵进行至后期时，乳酸杆菌数量显著减少，Acetobacter、Komagataeibacter、Kroppenstedtia居于主导地位，促进了食醋中有机酸特别是乙酸的积累以及醛类、酯类、乙偶姻等风味物质的生成。值得关注的是，相较于采用DGGE方法所得到的检测结果，研究者通过第2代测序技术首次在醋酸发酵阶段发现Lactococcus和Komagataeibacter，说明采用传统纯培养技术探索发酵过程中菌群结构仍存在一定局限性，随着第2代测序技术的发展，传统发酵食醋中微生物群落的结构和演替规律将被更为全面地揭示。山西老陈醋不同发酵阶段微生物群落的演替规律及主要微生物所占比例如图3所示。

1.3 镇江香醋中微生物多样性及演替规律

镇江香醋是我国最具代表性的四大名醋之一，其酿制过程主要采用固态分层发酵工艺，成品经陈酿后具有香气浓郁、酸而不涩的特点。早期对香醋中微生物群落的研究依赖于纯培养技术，目前在实验室中仅能够得到少部分与产酸、产气、致浑浊、致腐败等因素相关的微生物，主要为醋酸杆菌、乳酸杆菌和芽孢杆菌等。

传统研究方法的局限性导致了人们对香醋中微生物群落结构的认识不足，近年来，通过免培养法对镇江香醋中微生物群落结构进行分析，发现醋醅中除含有丰富的醋酸杆菌和乳酸杆菌外，还存在Sinorhizobium、Enterobacter、Gluconacetobacter等此前采用纯培养方法未能检测到的物种。但免培养的DGGE法由于检测通量较小，能够得到的操作分类单元（OTUs）仍十分有限。

随着第2代测序技术的出现，食醋中的微生物群落信息得以被深入挖掘，从而有效揭示了醋酸发酵过程中微生物群落的演替规律。通过对醋酸发酵过程中微生物群落的动态变化进行检测，研究者发现Acetobacter和Lactobacillus是发酵过程中的主要细菌，其中Lactobacillus主要来源于酒醪，其相对丰度在发酵初期呈上升趋势，并在发酵第8天达到最大，而后逐渐降低。Acetobacter则主要来源于醋醅，其相对丰度在发酵前期较低，但始终呈上升趋势，在发酵第8天左右超过乳酸杆菌，在发酵后期占据主导地位；真菌群落则主要以Aspergillus和Alternaria为主，Aspergillus的相对丰度随着发酵开始逐渐上升，并在发酵第7天后趋于稳定。Alternaria在发酵前3 d迅速生长，并在第4～7天始终保持着高丰度，之后其相对丰度开始迅速下降并维持在较低水平，直至发酵结束。有研究者利用宏基因组学技术分析了镇江香醋醋酸发酵阶段微生物群落的结构和功能，不仅明确了醋酸阶段的优势细菌和优势真菌，Acetobacter、Lactobacillus等7个核心微生物与香醋中挥发性风味物质的关系也被揭示（图4）。

02

传统发酵食醋中微生物间相互作用

在微生物主导下的发酵体系中，微生物之间存在的复杂相互作用关系是群落保持稳定以及产生风味物质的重要基础。酵母菌作为酒曲中的主要微生物，在制酒阶段发挥了重要作用，酵母菌与其他微生物之间的互作关系大多在发酵前期对食醋品质产生影响。随着酿造进行至醋酸发酵阶段，乳酸杆菌和醋酸杆菌成为优势微生物，二者间的互作关系在整个互作体系中居于主导地位。

2.1 酵母菌与其他微生物之间的相互作用关系

传统固态发酵食醋在引入醋酸杆菌进行醋酸发酵之前，往往需要先向糯米、高粱等原料中加入大曲、酒药等发酵剂进行乙醇发酵，大曲和酒药作为乙醇发酵阶段重要的糖化剂和发酵剂，其中含有丰富的微生物群落，主要包括霉菌、酵母菌和细菌3类，对于上述微生物各自在乙醇发酵中的作用则可表述为霉菌的糖化作用、酵母菌的发酵作用和细菌的生香作用。酵母菌作为乙醇发酵阶段不可或缺的一种微生物，能够通过厌氧发酵将原料中的糖转化为乙醇和二氧化碳，是推动发酵进程的重要动力。

2.1.1 酵母菌的发酵作用为醋酸杆菌提供充足底物

酵母菌在乙醇发酵阶段将糖转化为乙醇，醋酸杆菌再利用乙醇代谢产生乙酸，该过程基于代谢产物呈递的简单相互作用模型如图5所示。由于酿酒酵母是一种发酵型酵母，能够通过自身发酵作用分解糖并产生乙醇，所产生的乙醇作为醋酸杆菌发酵的底物促进了醋酸杆菌的生长发育，进而促进了乙酸等有机酸在食醋中的积累。

2.1.2 酵母菌与乳酸杆菌之间的相互作用促进风味物质的形成

研究结果表明，酵母菌和乳酸杆菌在一定条件下共培养有利于提高发酵体系中乙醇和乳酸的含量。同时，相较于单菌发酵，混合发酵还能够显著提高果醋的抗氧化活性和氨基酸等滋味物质的含量。由此推断，乳酸杆菌的加入不仅可能会对酵母菌的发酵活动具有一定促进作用，同时也有利于乳酸杆菌自身生产有机酸和挥发性风味物质。

值得注意的是，酵母菌和乳酸杆菌同样是中国传统酒饮料酿造过程中主要的功能性微生物，由于共培养过程中乳酸杆菌发酵产酸抑制了某些不耐酸酵母菌的生长，而另一些酵母菌如毕赤酵母可以产生大量酯类物质，因此对低pH值、高渗环境适应力较强。另外，由于共培养还存在营养物质的竞争和代谢产物的交换，这可能是导致不同培养组合中微生物生长状态和风味物质组成不同的另一原因。

2.2 乳酸杆菌与醋酸杆菌之间的相互作用关系

2.2.1 乳酸杆菌与醋酸杆菌间相互作用的多样性

乳酸杆菌和醋酸杆菌均为醋酸发酵过程中重要的功能微生物。前期研究表明，乳酸杆菌和醋酸杆菌不仅在数量上占据着绝对的优势，也是乙酸、乳酸等有机酸以及乙酸乙酯、2,3-丁二酮等多种风味物质的重要生物来源，二者间的相互作用关系会对发酵结果产生一定影响。

为探究这种影响，研究者们进行了相关实验并推断，乳酸杆菌和醋酸杆菌间的相互作用存在种间特异性和环境特异性，即同一发酵环境下，不同种醋酸杆菌和乳酸杆菌之间存在多种相互作用关系，相同菌种之间的相互作用关系也可能因为发酵环境的变化而发生改变。该结论与此前的猜测一致，即乳酸杆菌与醋酸杆菌之间存在多种相互作用关系，这种差异形成的原因可能是菌种组合的多样性，同时也说明在发酵过程中可以通过对发酵菌株进行筛选，定向引导发酵向有益于提高食醋品质的方向进行。

2.2.2 乳酸杆菌与醋酸杆菌之间的相互作用关系对食醋品质的影响

食醋发酵过程中乳酸杆菌与醋酸杆菌间的相互作用大多产生积极、正向的结果，因此，乳酸杆菌和醋酸杆菌的菌种组合作为一种有效的微生物强化剂受到广泛关注。

传统食品发酵体系中生物强化战略的关键在于通过利用微生物的互作关系对酿造微生物群落实现有效调控，具体可以表述为：分析微生物群落的结构和功能，分离关键核心微生物；解析发酵体系中功能性微生物群落的互作关系；在此基础上，预测并验证这些关键核心微生物的代谢特征，在实际生产中对其生产效率进行进一步评估；最终目标是构建具有良好发酵性能的多细胞功能体系，以实现缩短发酵时间、提高发酵速度、提升产品品质等目标。

2.2.3 乳酸杆菌与醋酸杆菌共发酵提升食醋品质的作用机制

乳酸杆菌与醋酸杆菌之间的相互作用关系多通过代谢产物实现，随着组学技术的发展和风味物质检测手段的完善，二者通过代谢相互作用影响食醋品质的作用机制愈发明确。酶是一种具有催化活性的代谢产物，其催化作用在微生物代谢活动中扮演了重要角色。酶参与相互作用的案例之一为对谷物醋中乳酸含量的调节，Chai Lijuan等探究了传统谷物醋发酵过程中L-/D-型乳酸积累的微生物强化和调控，在此过程中，研究者发现乳酸杆菌为醋酸发酵过程中乳酸的主要生产者，然而随着发酵的进行和乳酸的积累，醋醅中的醋酸杆菌能够通过分泌乳酸脱氢酶催化乳酸逆转化为丙酮酸，从而调节成品醋中L-/D-型乳酸含量（图6）。该结论在另一项研究中得到验证，并判断醋酸杆菌所分泌的乳酸脱氢酶为膜结合酶。此外，乳酸杆菌与醋酸杆菌共培养过程中体系2,3-丁二酮水平的提高也被认为与酶有关，在二者共培养过程中，随着体系内乙酸、乳酸及柠檬酸等代谢产物的积累，丙酮酸/2,3-丁二酮这一代谢通路中编码多种相关酶基因的表达得到促进，进而提高了终产物2,3-丁二酮的含量。2,3-丁二酮是生成乙偶姻的重要前体物质，因此推测该代谢通路可能是乳酸杆菌与醋酸杆菌共培养能够高产乙偶姻的主要原因。另有研究者发现在共培养过程中，乳酸杆菌胞外代谢产物中的某种蛋白可能具有氨肽酶的功能特性，能够在发酵过程中通过水解蛋白产生游离氨基酸作为醋酸杆菌生长代谢所需的营养物质，从而促进醋酸杆菌的发酵作用。有机酸是食醋发酵过程中另一种特征代谢产物，乳酸杆菌、醋酸杆菌能够产生丰富的有机酸，发酵体系内有机酸的积累又可能反过来影响微生物的代谢活动，最终影响食醋中氨基酸、乙偶姻等风味物质的含量。

综上所述，首先，乳酸杆菌与醋酸杆菌之间的相互作用关系有利于促进体系中乙酸、乳酸等有机酸的快速积累和对其定向调控；其次，共培养条件下某些酶活力的增强和相关基因的强表达有利于促进特定代谢通路的表达，从而提高体系内功能性成分的含量；由微生物产酸引起的胁迫作用和代谢产生的生物酶能够提高食醋中氨基酸类风味物质的含量，从而使食醋具有更加丰富的滋味。综上，乳酸杆菌与醋酸杆菌间的相互作用关系是形成食醋优良品质的重要因素，二者联合应用于食醋酿造将具有很大的发展潜力。

2.3 芽孢杆菌与醋酸杆菌、乳酸杆菌之间的相互作用关系

现有研究表明，部分在体系中微量存在的微生物种群同样对提高食醋品质具有重要意义。芽孢杆菌作为重要的发酵微生物，能够通过自身代谢作用产生大量的乙偶姻，最终提高体系中川芎嗪等功能性物质的含量（图7）。

芽孢杆菌作为一种高产风味物质和功能因子的微生物，其在食醋酿造过程中有较好的应用前景，且其微生物强化作用对发酵食品品质的积极影响已经在白酒酿造中得到了充分验证。但同样需要认识到，食醋醋醅和白酒大曲在外部环境、所含成分、微生物结构上都存在较大差异，所筛选的芽孢杆菌能否与醋醅中原始菌群和谐共生、能否适应醋醅所提供的高酸性环境以及对终产物品质的影响等都是衡量其能否被用于生物强化所需考虑的因素。

03

结 语

微生物群落及其相互作用关系是形成传统发酵食醋风味品质的关键，近年来，研究者们对此开展了丰富的研究。本文综述了传统发酵食醋中微生物群落的结构及核心功能微生物间存在的多种相互作用，同时对微生物互作关系对食醋品质的影响进行了总结。

微生物广泛存在于食醋酿造过程中，微生物群落之间复杂的相互作用关系是维持其结构稳定的基础，但是要完全解析食醋中各种微生物间复杂的相互作用关系还比较困难，合成微生物群落的产业化应用条件还不够完备，目前研究还存在以下几方面欠缺：1）对于醋醅环境中微量存在或不可培养的微生物对发酵所做贡献的研究较少；2）缺少对发酵区系中整个微生物群落内部互作机制的系统性研究；3）对合成微生物群落在实际生产中应用条件的探索不够全面。当前对于微生物强化的实验步骤已经较为明确，可以总结为：预测核心功能微生物、基因组引导核心功能微生物分离、实际生产验证3 个步骤，但对于生物强化过程中的强化时间、强化接种量等条件因素仍缺乏深入探讨。相信随着微生物培养技术和组学技术的不断发展，微生物群落间复杂的互作关系将得到进一步完善，相关发酵技术也将随着研究的深入不断进步。

通讯作者：

余永建博士，研究员

江苏科技大学粮食学院副院长

江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次培养对象，江苏省科技企业家，江苏省科技副总，江苏省第三批产业教授，江苏大学产业教授，华南农业大学兼职教授，江苏省知识产权领军人才，镇江市学术技术带头人，镇江市有突出贡献中青年专家。先后获得江苏省创新争先奖状、中国食品科学技术学会科技创新奖—杰出青年奖、江苏省青年科技杰出贡献奖等奖项。

第一作者：

刘稼鑫硕士研究生

江苏科技大学粮食学院

主要研究方向为传统发酵食品酿造机理解析、微生物交互作用机制解析；近2年来在国内外学术期刊发表论文4 篇，其中以第一作者发表论文2篇，联合申请国家发明专利3 项。

本文《传统食醋发酵区系中微生物群落及相互作用关系研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷17期225-234页. 作者：刘稼鑫，叶晓婷，余永建，王柯，朱圆圆，于振，韩冬，刘鹏，王玉芹. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220926-281. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

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