隨著現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展，發(fā)酵劑的使用在提升發(fā)酵食品品質(zhì)和制造效率方面發(fā)揮著重要作用，是實(shí)現(xiàn)發(fā)酵食品工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；年P(guān)鍵。優(yōu)良發(fā)酵劑不僅應(yīng)具有發(fā)酵劑的基礎(chǔ)活性，還應(yīng)具備改善食品風(fēng)味、質(zhì)地等品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)的多元化功能。

本文展望發(fā)酵劑未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為相關(guān)研究人員的科研創(chuàng)新工作提供思路和借鑒，助力其科研創(chuàng)新與實(shí)踐應(yīng)用的深化。

優(yōu)良生產(chǎn)、益生特性發(fā)酵劑菌種的生物學(xué)表征

食品發(fā)酵是通過(guò)所需微生物生長(zhǎng)及酶作用轉(zhuǎn)化食品成分生產(chǎn)食品或飲料的過(guò)程，發(fā)酵體系中的菌群結(jié)構(gòu)組成、產(chǎn)生的代謝物等因素共同決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)地、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)和安全性等特性。因此，對(duì)發(fā)酵劑菌種的生物學(xué)特性（如生理特性、代謝特性、抗逆性等）進(jìn)行表征，可更好地篩選優(yōu)良菌種用于發(fā)酵生產(chǎn)，有助于發(fā)酵工藝的優(yōu)化及功能性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

1）生理特性分析：包括菌種的生長(zhǎng)速率、適宜溫度、pH值范圍、氧氣需求量等，了解菌種的生理特性有助于確定其在不同條件下的生長(zhǎng)和代謝能力。

2）代謝特性探究：研究菌種的代謝途徑、代謝產(chǎn)物、酶系統(tǒng)等，通過(guò)代謝途徑和代謝產(chǎn)物的分析，可以確定菌種的主要代謝途徑和其對(duì)底物的利用能力及產(chǎn)生的有益代謝產(chǎn)物（如有機(jī)酸、維生素等）。

3）耐脅迫特性分析：研究菌種對(duì)不利環(huán)境因素的適應(yīng)能力，如高溫、低溫、酸堿度、鹽濃度等，了解菌種的耐脅迫特性有助于確定其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

4）益生特性評(píng)估：如果菌種被認(rèn)為具有益生特性，如對(duì)人體健康有益的活性代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)能力等。

食品微生物種類(lèi)和數(shù)量繁多，不同菌種/株間生理表型差異大，這為篩選具有優(yōu)異特性的菌株帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)篩選方法雖然能夠識(shí)別出具備優(yōu)良生產(chǎn)和益生特性的發(fā)酵劑菌株，但是往往工作量大且效率低下，亟需建立高通量靶向篩選方法。

近年來(lái)，《Cell》等頂級(jí)期刊及其子刊研究成果顯示，發(fā)酵劑菌株的生理特性、益生功效與其特定的功能基因（簇）密切相關(guān)，這提示可從遺傳背景角度預(yù)測(cè)并鎖定具有優(yōu)良生產(chǎn)、益生特性的發(fā)酵劑菌株。

因此，深入解析不同潛在發(fā)酵劑菌株的遺傳背景、生理表型和功能特性差異規(guī)律，明確特征基因組與微生物優(yōu)良生產(chǎn)、發(fā)酵特性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，可為優(yōu)良發(fā)酵劑菌株的高效篩選提供靶標(biāo)和方向。

如利用UHPLC-QE-MS等技術(shù)手段分析不同菌種/株代謝食品基質(zhì)（如糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂肪等）產(chǎn)風(fēng)味物質(zhì)（如醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)等）、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氨基酸、核苷酸、短鏈肽等）的能力差異，結(jié)合多組學(xué)聯(lián)用技術(shù)和生物信息學(xué)方法，解析與菌種/株特定代謝物產(chǎn)生相關(guān)的潛在功能基因（簇）、代謝途徑與調(diào)控機(jī)制；進(jìn)一步利用CRISPR、同源重組等基因編輯技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而鎖定與菌株生產(chǎn)特性相關(guān)關(guān)鍵基因（簇）。

通過(guò)體外模型、動(dòng)物模型和臨床試驗(yàn)評(píng)估不同發(fā)酵劑菌株特定功效差異，結(jié)合比較基因組學(xué)方法鎖定影響益生功效的潛在功能基因（簇），進(jìn)一步使用基因敲除方法和無(wú)菌鼠模型進(jìn)行驗(yàn)證，確定影響菌株功效的功能基因（簇），進(jìn)而為具有特定益生功效的菌株高效選育提供分子靶標(biāo)。

發(fā)酵劑菌種有益代謝產(chǎn)物的功能解析及分子調(diào)控

食品發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的大量有益代謝產(chǎn)物（如γ-氨基丁酸、維生素等）有利于增強(qiáng)發(fā)酵食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。不同種類(lèi)或結(jié)構(gòu)的代謝產(chǎn)物益生功效可能表現(xiàn)出顯著差異，其產(chǎn)生具有菌株特異性。因此，解析發(fā)酵劑菌種特征代謝產(chǎn)物及其功能，探究有益代謝產(chǎn)物、菌體和底物的調(diào)控機(jī)制及分子調(diào)控規(guī)律，可為高產(chǎn)有益代謝產(chǎn)物菌種挖掘提供理論基礎(chǔ)。

基于發(fā)酵菌種基因組大數(shù)據(jù)，使用AntiSMASH、BiG-SLiCE等生物信息學(xué)軟件，結(jié)合MIBiG數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)有益代謝產(chǎn)物的生物合成基因簇（BGC）及其生物活性。

采用離子交換、凝膠/親和層析等集成技術(shù)，對(duì)特征代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離純化和結(jié)構(gòu)表征，進(jìn)一步通過(guò)體外腸道模擬、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為一體的功能評(píng)價(jià)模型，闡明發(fā)酵劑菌種有益代謝產(chǎn)物發(fā)揮功效的量效關(guān)系。

此外，通過(guò)在基因組及代謝產(chǎn)物層面探究發(fā)酵劑菌種發(fā)酵過(guò)程中菌體、有益代謝產(chǎn)物和底物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，能夠明確與有益代謝產(chǎn)物合成及調(diào)控相關(guān)的功能基因和代謝通路。

通過(guò)構(gòu)建菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物生成和底物消耗動(dòng)力學(xué)模型，探究pH值、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和輔酶等因子對(duì)菌種合成代謝物的調(diào)控規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)有益代謝產(chǎn)物的定向調(diào)控。

以獲取高產(chǎn)GABA菌種為例，根據(jù)基因組數(shù)據(jù)，通過(guò)比較基因組學(xué)方法確定菌種GABA合成相關(guān)的gad操縱子，包括GABA生物合成的關(guān)鍵基因gadA和gadB，以及負(fù)責(zé)GABA在細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)功能的基因gadC；通過(guò)基因組分析確定短乳桿菌是乳酸菌中唯一攜帶完整gad操縱子的菌種。體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)短乳桿菌NCL912的GABA產(chǎn)量為（205.8±8.0）g/L，而不具備該操縱子的植物乳桿菌KCTC3103的GABA產(chǎn)量?jī)H為0.67g/L。

此外，研究不同濃度（0，10，20，30，40，50，100μmol/L）的磷酸吡哆醛（PLP）對(duì)短乳桿菌RK03生產(chǎn)GABA的影響，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中PLP濃度為10μmol/L和20μmol/L時(shí)GABA的產(chǎn)量最高。

復(fù)合發(fā)酵劑菌種群體共生和

協(xié)同增效的物質(zhì)基礎(chǔ)解析

復(fù)合發(fā)酵劑菌種群體共生和協(xié)同作用可促進(jìn)菌種生長(zhǎng)、優(yōu)化代謝產(chǎn)物生成，從而提高整體發(fā)酵效率和改善食品品質(zhì)，還可通過(guò)維持微生物群落的穩(wěn)定性增強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性。

復(fù)合發(fā)酵劑菌種群體共生和協(xié)同增效的物質(zhì)基礎(chǔ)涉及多方面的生物化學(xué)和微生物學(xué)機(jī)制，主要包括以下內(nèi)容：

1）代謝途徑互補(bǔ)：不同菌種可能具有不同的代謝途徑和酶系統(tǒng)，這些途徑在底物轉(zhuǎn)化和代謝產(chǎn)物生成中相互補(bǔ)充，從而增加了總體代謝能力。

2）代謝產(chǎn)物互用：某些菌種分解底物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可能是其它菌種生長(zhǎng)所需的底物，這種共生關(guān)系促進(jìn)了底物的完全利用，減少了代謝產(chǎn)物的積累。

3）酶的協(xié)同作用：不同菌種分泌的酶可能具有互補(bǔ)功能，共同作用于底物的降解或轉(zhuǎn)化，從而加速反應(yīng)速率。

4）共生物質(zhì)互換：不同菌種之間可能通過(guò)分泌物質(zhì)或者細(xì)胞間連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行物質(zhì)交換，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、信號(hào)分子等，這種共生交換促進(jìn)了菌種之間的相互協(xié)調(diào)和生長(zhǎng)調(diào)控。

5）環(huán)境因子調(diào)節(jié)：共生關(guān)系可能使菌種對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)能力增強(qiáng)，如某些菌種能產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)或者表面活性劑，幫助其它菌種更好地適應(yīng)環(huán)境壓力。

復(fù)合發(fā)酵劑菌種群體共生和協(xié)同增效主要取決于微生物間正向的相互作用，如交叉喂養(yǎng)、群體感應(yīng)等。

1）交叉喂養(yǎng)。交叉喂養(yǎng)是指菌種/株利用其它菌種/株分泌的代謝產(chǎn)物（包括碳源、氮源、氨基酸、維生素等生長(zhǎng)因子）促進(jìn)自身生長(zhǎng)的代謝互養(yǎng)關(guān)系。

保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌復(fù)合發(fā)酵劑在牛奶發(fā)酵過(guò)程中的協(xié)同共生是典型的交叉喂養(yǎng)模式，嗜熱鏈球菌的蛋白酶（prtS）酪蛋白降解能力較弱，不能直接從牛奶體系中獲得生長(zhǎng)所需的足夠氨基酸，保加利亞乳桿菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的蛋白水解能力，可為嗜熱鏈球菌提供生長(zhǎng)所需的氨基酸（如組氨酸、蛋氨酸和脯氨酸）、小分子肽等，而大多數(shù)保加利亞乳桿菌缺乏丙酮酸-甲酸裂解酶以及葉酸合成相關(guān)酶，因此無(wú)法合成葉酸、甲酸和吡啶等菌種生長(zhǎng)所需的物質(zhì)。

嗜熱鏈球菌具有較高的丙酮酸-甲酸裂解酶活性以及完整的葉酸合成途徑，可為保加利亞乳桿菌提供這些必需物質(zhì)。

2）群體感應(yīng)。群體感應(yīng)是一種由自誘導(dǎo)物介導(dǎo)的菌種/株群體交流現(xiàn)象。某些微生物產(chǎn)生信號(hào)分子并釋放到環(huán)境中，當(dāng)其濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，將觸發(fā)細(xì)胞響應(yīng)信號(hào)分子，進(jìn)而特異性激活下游基因表達(dá)。這種相互作用方式影響著微生物群落之間的關(guān)系。

這種信號(hào)分子在不同菌種中具有差異，如N-酰基-高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）存在于革蘭氏陰性菌中，自誘導(dǎo)肽（乳酸鏈球菌肽、植物乳桿菌素等）和呋喃糖基硼酸鹽存在于革蘭氏陽(yáng)性菌中，酵母中檢測(cè)到的信號(hào)分子主要是一些芳香醇，如法尼醇、色胺醇和酪醇等物質(zhì)。

這些信號(hào)分子介導(dǎo)的群體感應(yīng)通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞自溶，提高菌株環(huán)境脅迫耐受性等作用，在發(fā)酵劑之間的相互作用中發(fā)揮著重要作用，如AI-2被證明可通過(guò)提高嗜熱鏈球菌的耐酸性和代謝速率增強(qiáng)與保加利亞乳桿菌的相互作用。

由于每種菌株都具有獨(dú)特的代謝潛力，產(chǎn)生代謝物的種類(lèi)、數(shù)量、時(shí)間等具有差異，因此復(fù)合發(fā)酵劑菌株間相互作用的存在和強(qiáng)度取決于菌株的特定組合。

未來(lái)研究使用人工智能技術(shù)構(gòu)建多菌株協(xié)同發(fā)酵代謝共生網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等手段解析不同種菌株協(xié)同發(fā)酵過(guò)程中基因表達(dá)調(diào)控、特征代謝物、信號(hào)分子等物質(zhì)變化規(guī)律，基于群體感應(yīng)、交叉喂養(yǎng)等相互作用探究復(fù)合食品發(fā)酵劑群體共生和協(xié)同增效物質(zhì)基礎(chǔ)，為優(yōu)良復(fù)合發(fā)酵劑的研創(chuàng)提供理論基礎(chǔ)。

特色發(fā)酵食品的品質(zhì)形成機(jī)制和定向調(diào)控

特色發(fā)酵食品的品質(zhì)形成過(guò)程是微生物通過(guò)代謝食品基質(zhì)中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物等生成獨(dú)特風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程，微生物種類(lèi)及其代謝產(chǎn)物的多樣性是影響該過(guò)程的核心因素。

為了實(shí)現(xiàn)特色發(fā)酵食品品質(zhì)的定向調(diào)控，首先需要明確在自然接種條件下特色發(fā)酵食品的品質(zhì)形成機(jī)制，即發(fā)酵微生物如何形成獨(dú)特的微生物群落并進(jìn)行精準(zhǔn)代謝。

其次，由于發(fā)酵食品中原有的微生物群落具有復(fù)雜性高，穩(wěn)定性差和功能冗余等缺陷，容易造成發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)的波動(dòng)，通過(guò)特征微生物菌種的選擇與重組構(gòu)建復(fù)合發(fā)酵劑進(jìn)行發(fā)酵，對(duì)提高發(fā)酵食品品質(zhì)的定向調(diào)控至關(guān)重要。

發(fā)酵食品的品質(zhì)形成機(jī)制和定向調(diào)控涉及多個(gè)方面的因素，包括原料選擇、發(fā)酵菌種、發(fā)酵條件、生產(chǎn)工藝等。

1）菌種選擇：發(fā)酵食品的菌種是影響品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，選擇合適的發(fā)酵菌種可以通過(guò)其代謝產(chǎn)物、酶系統(tǒng)等特性來(lái)調(diào)控食品的風(fēng)味、口感、營(yíng)養(yǎng)成分等；菌種的種類(lèi)和比例會(huì)影響到發(fā)酵過(guò)程中的代謝產(chǎn)物及其相互作用，從而影響到最終產(chǎn)品的品質(zhì)。

2）發(fā)酵條件：控制發(fā)酵條件是調(diào)控發(fā)酵食品品質(zhì)的關(guān)鍵，包括溫度、濕度、pH值、氧氣含量等因素都會(huì)影響菌種的生長(zhǎng)和代謝活性，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)地、口感、營(yíng)養(yǎng)成分等。

3）原料種類(lèi)：不同的原料具有不同的成分和特性，對(duì)發(fā)酵食品的品質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生重要影響，選擇優(yōu)質(zhì)的原料，并根據(jù)不同的發(fā)酵工藝要求進(jìn)行加工和處理，可以改善產(chǎn)品的口感、顏色、香味等。

4）輔助發(fā)酵劑：有些特色發(fā)酵食品需要添加輔助發(fā)酵劑，如酵母、乳酸菌、曲霉等，來(lái)促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程和調(diào)控產(chǎn)品品質(zhì)；合理選擇發(fā)酵劑的種類(lèi)和比例，可以增強(qiáng)產(chǎn)品的特色風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分。

5）發(fā)酵過(guò)程控制：對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)密控制是確保產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵，包括發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、攪拌速度等參數(shù)的調(diào)控，都會(huì)影響到產(chǎn)品的發(fā)酵程度和最終品質(zhì)。

6）微生物群落動(dòng)態(tài)調(diào)控：發(fā)酵食品的微生物群落動(dòng)態(tài)變化對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有重要影響，通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)酵工藝，可以控制不同階段的微生物群落組成，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的定向調(diào)控。

在基于食品發(fā)酵劑實(shí)現(xiàn)特色發(fā)酵食品品質(zhì)的定向調(diào)控方面，首要任務(wù)是在多組學(xué)聯(lián)合分析的框架下，深入探索特色發(fā)酵食品的微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能，以及這些群落的演替規(guī)律。

借助對(duì)酶系、菌系和物系之間相互作用的深入解析，揭示核心功能微生物群與食品品質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。

在此基礎(chǔ)上，探究影響復(fù)合發(fā)酵劑介導(dǎo)的食品發(fā)酵的環(huán)境因素（如濕度、pH值、氧氣和溫度等）和生物因素（如初始微生物豐度、延滯期和微生物間相互作用等），并通過(guò)模擬發(fā)酵和數(shù)學(xué)建模分析重組復(fù)合發(fā)酵劑菌種的最佳組成比例和最適環(huán)境因素。

Wang等使用16SrRNA測(cè)序技術(shù)、非靶代謝組學(xué)技術(shù)結(jié)合相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法鑒別出白酒發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)特定風(fēng)味化合物的核心微生物群，并通過(guò)復(fù)合發(fā)酵劑菌群在白酒發(fā)酵中重現(xiàn)該風(fēng)味化合物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵食品風(fēng)味的定向調(diào)控。這一成果不僅展現(xiàn)了定向調(diào)控發(fā)酵食品品質(zhì)的潛力，也為食品科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的研究思路和技術(shù)路徑。

綜合分析國(guó)內(nèi)外最新研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌發(fā)酵劑是食品發(fā)酵領(lǐng)域研究的核心。篩選具有優(yōu)良生產(chǎn)、益生特性發(fā)酵劑菌種，開(kāi)發(fā)多菌株協(xié)同作用的復(fù)合發(fā)酵劑是食品發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。