高级食品微生物学- 课件 第八章 发酵食品中的微生物群

发酵食品中的微生物群第八章目录第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变第二节

传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性第三节

我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略第四节

合成微生物群及其在发酵食品中的应用3/27第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变1.乳酸菌广泛存在于许多发酵食品和饮料中2.芽孢杆菌存在于亚洲和非洲的碱性发酵食品中3.酵母菌用于发酵食品、酒精饮料和非食品混合淀粉水解起始剂4.丝状霉菌在发酵食品和酒精饮料中的主要作用是产生酶和降解抗营养因子5.几种考克氏菌、微球菌和葡萄球菌存在于发酵乳制品、发酵香肠、肉和鱼制品中一、发酵食品中的微生物概览4/27根据植物/动物来源使用的底物(原料)可以将全球发酵食品分为九大类：①发酵谷物；②发酵蔬菜和竹笋；③发酵豆类；④发酵块根块茎；⑤发酵乳制品；⑥发酵和腌制肉制品；⑦发酵、干燥和熏制的鱼制品；⑧各种发酵产品；⑩酒精饮料。二、全球发酵食品中的微生物发酵乳制品

发酵乳制品根据微生物分为两大类：①乳酸发酵，主要是乳酸菌；②真菌-乳酸发酵，乳酸菌和酵母菌合作产生最终产品。2.发酵蔬菜产品

蔬菜的发酵主要以乳杆菌属和片球菌属为主，其次是明串珠菌属、魏氏菌属、四联球菌属和乳球菌属。第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变5/273.传统发酵豆制品

发酵大豆食品主要有两种类型：由具有黏性特征的芽孢杆菌（主要是枯草杆菌）发酵的大豆食品，以及由丝状霉菌（主要是曲霉、毛霉、根霉）发酵的大豆食品。4.发酵根和块茎产品木薯的根部在传统上会被发酵成主食，木薯发酵的初始阶段以木薯棒状杆菌为主，之后加入一连串的乳酸菌继续发酵。二、全球发酵食品中的微生物第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变6/275.发酵肉制品参与肉类发酵的主要微生物群是乳酸菌，其次是凝固酶阴性葡萄球菌、微球菌和肠杆菌科。6.发酵水产品

世界上发酵和传统保存的鱼产品中都存在几种细菌和酵母菌。虾酱中发光杆菌属是其主要的优势菌属，所占比例达到71.94%；其次是弧菌属，比例为12.54%。7.其他发酵食品

例如在镇江香醋醋酸发酵阶段醋酷中的优势微生物为醋酸菌、乳酸菌和酵母，三者占细菌和真菌总和的80%以上，巧克力是可可豆发酵的产物，发酵乳酸杆菌和巴氏醋酸杆菌是其主要的细菌种类。二、全球发酵食品中的微生物第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变7/27世界上的酒精饮料分为以下10种类型。(1)由淀粉分解发酵剂生产的非蒸馏，且不经过滤的酒精饮料

例如印度和尼泊尔的kodokojaanr(由鸭脚粟发酵)和bhaatijaanr(由米饭发酵)，韩国的Makgeolli(由米饭发酵)。(2)由淀粉分解发酵剂生产的非蒸馏，但经过滤的酒精饮料

例如日本的清酒(sake)和我国的黄酒。(3)用淀粉分解发酵剂生产的蒸馏酒精饮料

例如我国的白酒、日本的烧酒(shochu)和韩国的烧酒(soju)。(4)生产过程中有人类唾液淀粉酶所参与的酒精饮料

例如秘鲁的chicha。第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变三、含酒精的饮料8/27世界上的酒精饮料分为以下10种类型。(5)通过单菌株发酵生产的酒精饮料，例如啤酒。(6)由蜂蜜制成的酒精饮料，例如埃塞俄比亚的tej。(7)由植物的特定部分制成的酒精饮料，例如墨西哥的pulque和印度的toddy和kanji。(8)通过麦芽(发芽)生产的酒精饮料，例如南非的高粱啤酒(bantu)、尼日利亚和加纳的皮托(pito)，以及贝宁的tchoukoutou。(9)由水果制成，但不经过蒸馏的酒精饮料，例如葡萄酒(wine)、苹果酒(cider)。(10)由水果和谷物制成的蒸馏酒精饮料，例如威士忌(whisky)和白兰地(brandy)。三、含酒精的饮料第一节

传统发酵食品中微生物的多样性和演变9/27第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性经代谢转化动植物原料的化学成分提高营养的生物利用率丰富食品的感官质量提供生物防腐效果和改善食品安全降解有毒成分和抗营养因子产生抗氧化剂和抗微生物化合物刺激益生菌功能，并添加一些促进健康的生物活性化合物功能微生物在食品发酵过程中的作用：10/27第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性一、传统发酵食品中微生物的代谢

通过分析发酵食品菌相组成与代谢物之间的相关性，从而找到发酵体系中的功能微生物群，这种方法是寻找复杂发酵系统中核心微生物群的主要方法之一。例如，表8-8中利用宏基因组学和代谢组学等技术在乳酪中发现了部分微生物与风味物质（代谢产物）之间的联系。11/271.抗菌性能

从发酵蔬菜和乳制品中分离得到的许多种乳酸菌均具有抗菌活性，这是由于这些细菌产生了细菌素和乳链球菌素等抗菌化合物。2.抗氧化活性

发酵食品中的抗氧化活性包括有：1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)自由基清除活性、

2,2‘-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS)自由基清除活性、总酚含量(TPC)和还原能力测定。

亚洲的许多发酵大豆食品均具有抗氧化性。3.多肽生产在发酵食品中发现的多肽具有免疫调节、抗血栓和抗高血压特性等功能特性。芽孢杆菌属的细菌参与了蛋白质的酶解，从而产生了有益于健康的多肽和氨基酸。二、传统发酵食品中微生物的功能性质

第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性12/274.微生物产酶

在亚洲的许多发酵大豆食品中，由芽孢杆菌属细菌在发酵过程中产生的酶（如蛋白酶等），能将复杂化合物分解成多种具生物活性的简单生物分子。发酵食品和饮料中常见的菌丝真菌(如放射霉菌)能产生各种碳水化合物酶。5.异黄酮皂苷的增加和聚合氨酸(PGA)的生产

亚洲一些发酵大豆食品的发酵过程中，异黄酮糖苷被水解成相应的苷元。聚谷氨酸(PGA)是由

发酵大豆食品中的一些芽孢杆菌属细菌产生。6.抗营养物质的降解

发酵食品中存在的一些微生物可能会将阻碍营养吸收的物质降解，从而使食品的营养价值提高。第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性二、传统发酵食品中微生物的功能性质

13/277.发酵食品治疗作用

许多传统发酵食品既是食物，也是药物，既可饱腹，又可发挥一定治疗功效。例如红葡萄酒由于

含有调节生物钟的褪黑素而具有抗衰老的特性。8.营养素的合成食品发酵过程中会富集一些维生素、必需氨基酸和生物活性化合物。9.预防高血压和心脏病发酵全谷物食品可以降低血清低密度脂蛋白胆固醇，改善高甘油三酯血症和高血压。10.预防癌症一些发酵食品具有抗突变和抗癌活性。第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性二、传统发酵食品中微生物的功能性质

14/2711.对胃肠道疾病的防护

发酵食品中存在的乳酸菌可能会降低某些胃肠道疾病的发生率、持续时间和严重程度。12.抗过敏反应

从开菲尔(kefir)中分离得到的马乳酒样乳酸杆菌M1具有抗过敏作用。13.预防糖尿病和骨质疏松症第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性二、传统发酵食品中微生物的功能性质

摄入高纤维食物可能会减少糖尿病患者的胰岛素需求，并可能增加非糖尿病患者对胰岛素的敏感性。纳豆中所含有的维生素I&刺激骨骼的形成，这可能有助于预防日本老年妇女的骨质疏松症。而酸乳中所含的矿物质元素(镁、钙、磷和钾)则能与蛋白一同作用，促进健康骨骼的形成。15/2714.缓解乳糖吸收不良

第二节传统发酵食品中微生物的代谢和功能特性二、传统发酵食品中微生物的功能性质

15.发酵食品的健康风险发酵食品中的重要健康风险之一是生物胺的存在。生物胺存在于酸菜、鱼产品、奶酪、葡萄酒、啤酒、干制香肠等发酵食品中。肠杆菌科细菌和肠球菌是食品中生物胺的主要生产者。用于生产酸乳的德尔乳酸杆菌保加利亚亚种含有大量半乳糖苷酶，可改善乳糖不耐受者的乳糖吸收不良症状。

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传统酿造食品已经成为我国的文化符号，在现代工业高度发展的今天，仍以其独特的魅

力被大家广泛接受和喜爱，在国民的日常生活及经济发展中具有非常重要的地位。传统酿造具有食品原料复杂、参与酿造过程的微生物多、代谢反应多、工艺繁复等特点，使得科学阐释传统酿造过程存在巨大的挑战。

基因组学和转录组学等生物信息分析技术的发展和应用为研究发酵过程中微生物群落

结构与功能、微生物群落内部及其与环境的交互等提供了有力的支撑，使得科学描述

和解释传统发酵食品的酿造技艺成为可能。第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略17/27一、中国传统食品酿造微生态的环境特点中国传统酿造食品种类繁多，各类型的发酵过程中形成的微生态各不相同，但它们的酿造环境仍存在一些共同的特点。1.极端环境条件驱动微生物群落的自我净化2.固态发酵方式决定微生态环境具有较大的空间差异性第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略18/27二、中国传统酿造食品的微生物生态学研究策略中国传统发酵食品中的微生态系统具有高度的复杂性对于一个复杂体系，只有在遵循微生物内部及其与环境复杂的交互作用机制的基础上，解析微生物群落结构、明确其代谢功能，在错综复杂的微生物交互作用网络中锚定核心功能微生物，才能实现有效地调控代谢功能。1.剖析传统发酵食品微生物群落的构成

目前研究发酵食品中群落结构的手段主要可分为依赖纯培养的方法和不依赖纯培养的方法。表8-11分别介绍了不依赖纯培养的各方法的研究范畴和优缺点。第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略19/271.剖析传统发酵食品微生物群落的构成第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略20/27二、中国传统酿造食品的微生物生态学研究策略3.关注复杂的微生物群落内部及其与环境之间的互作关系（1）微生物群落内部微生物之间的交互作用是普遍而广泛存在的，并且是决定群落结构和功能的内在因素之一。目前关于中国传统酿造食品中微生物交互作用的研究大多采用纯培养结合共培养的方式。（2）微生物与环境之间也有复杂的交互作用关系系统理解传统酿造食品的发酵进程，需要明晰环境与微生物之间的互作机制，才能更好地理解传统工艺的科学性，进而建立调控群落功能的有效策略。4.调控微生物群落的酿造功能2.解析微生物群落的代谢功能

针对复杂微生态系统中微生物群落代谢行为的研究，需要架构起微生物群落和代谢物之

间的交互桥梁。第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略21/27三、中国传统酿造食品的微生物生态学研究展望目前的研究在微生物群落结构、代谢功能方面提供了基础信息，未来需要对这一复杂生态系统进一步深入解析，以实现科学阐释传统酿造技艺的科学性，为进一步推动产业提升奠定基础。1.多组学信息的有效整合是阐明传统发酵食品复杂微生物群功能的有效切入点。2.培养功能性微生物是关键步骤。3.自上而下和自下而上的研究并举。4.使用数学模型和建立预测模型是未来研究中国传统发酵食品的重要发展方向，是产品品质

保障和进一步提升的重要支撑。5.人工功能核心微生物群落的构建。传统发酵食品微生物群落中的关键少数微生物对于推进发酵的进程有决定性作用。第三节我国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略22/27近年来，随着食品发酵技术应用需求的不断提高，加上功能单一的菌种在提高风味品质方面存在着局限性，使得利用多种功能微生物组合来构建合成微生物群落成了发酵食品领域中一个研究的热点。一、

合成微生物群落的概念合成微生物群落是指在明确培养基质的条件下，人工将两种或两种以上遗传背景清晰的微生物通过共同培养而形成的微生物群体，其组成可以是自然界中不一定共存的野生型菌株，也可以是一个或多个经基因改造的工程菌株。第四节合成微生物群及其在发酵食品中的应用23/27二、

合成微生物群落的特征1.可人工选择合成微生物群落的组成生物种类2.可调控合成微生物群落的空间结构3.可人为控制合成微生物群落的位置和数量分布第四节合成微生物群及其在发酵食品中的应用24/27三、合成微生物群落相互作用和调控机制可以通过改变细胞交流、物种代谢作用、生长环境等方式对微生物间的相互作用进行调控，从而对合成微生物群落进行改造，实现特定的功能。1.微生物间的相互作用研究物种间的相互作用可以分为积极的和消极的两种类型，积极的相互作用包括共生(互利共生和偏利共生)，消极的相互作用包括寄生、捕食以及竞争。由于菌种间存在复杂的交互关系，因此在构建微生物群落时要考虑参与菌种的功能、分布和生长环境等众多因素，而不