高級(jí)食品微生物學(xué)- 課件 第八章 發(fā)酵食品中的微生物群

發(fā)酵食品中的微生物群第八章目錄第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變第二節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性第三節(jié)

我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略第四節(jié)

合成微生物群及其在發(fā)酵食品中的應(yīng)用3/27第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變1.乳酸菌廣泛存在于許多發(fā)酵食品和飲料中2.芽孢桿菌存在于亞洲和非洲的堿性發(fā)酵食品中3.酵母菌用于發(fā)酵食品、酒精飲料和非食品混合淀粉水解起始劑4.絲狀霉菌在發(fā)酵食品和酒精飲料中的主要作用是產(chǎn)生酶和降解抗?fàn)I養(yǎng)因子5.幾種考克氏菌、微球菌和葡萄球菌存在于發(fā)酵乳制品、發(fā)酵香腸、肉和魚制品中一、發(fā)酵食品中的微生物概覽4/27根據(jù)植物/動(dòng)物來(lái)源使用的底物(原料)可以將全球發(fā)酵食品分為九大類：①發(fā)酵谷物；②發(fā)酵蔬菜和竹筍；③發(fā)酵豆類；④發(fā)酵塊根塊莖；⑤發(fā)酵乳制品；⑥發(fā)酵和腌制肉制品；⑦發(fā)酵、干燥和熏制的魚制品；⑧各種發(fā)酵產(chǎn)品；⑩酒精飲料。二、全球發(fā)酵食品中的微生物發(fā)酵乳制品

發(fā)酵乳制品根據(jù)微生物分為兩大類：①乳酸發(fā)酵，主要是乳酸菌；②真菌-乳酸發(fā)酵，乳酸菌和酵母菌合作產(chǎn)生最終產(chǎn)品。2.發(fā)酵蔬菜產(chǎn)品

蔬菜的發(fā)酵主要以乳桿菌屬和片球菌屬為主，其次是明串珠菌屬、魏氏菌屬、四聯(lián)球菌屬和乳球菌屬。第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變5/273.傳統(tǒng)發(fā)酵豆制品

發(fā)酵大豆食品主要有兩種類型：由具有黏性特征的芽孢桿菌（主要是枯草桿菌）發(fā)酵的大豆食品，以及由絲狀霉菌（主要是曲霉、毛霉、根霉）發(fā)酵的大豆食品。4.發(fā)酵根和塊莖產(chǎn)品木薯的根部在傳統(tǒng)上會(huì)被發(fā)酵成主食，木薯發(fā)酵的初始階段以木薯棒狀桿菌為主，之后加入一連串的乳酸菌繼續(xù)發(fā)酵。二、全球發(fā)酵食品中的微生物第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變6/275.發(fā)酵肉制品參與肉類發(fā)酵的主要微生物群是乳酸菌，其次是凝固酶陰性葡萄球菌、微球菌和腸桿菌科。6.發(fā)酵水產(chǎn)品

世界上發(fā)酵和傳統(tǒng)保存的魚產(chǎn)品中都存在幾種細(xì)菌和酵母菌。蝦醬中發(fā)光桿菌屬是其主要的優(yōu)勢(shì)菌屬，所占比例達(dá)到71.94%；其次是弧菌屬，比例為12.54%。7.其他發(fā)酵食品

例如在鎮(zhèn)江香醋醋酸發(fā)酵階段醋酷中的優(yōu)勢(shì)微生物為醋酸菌、乳酸菌和酵母，三者占細(xì)菌和真菌總和的80%以上，巧克力是可可豆發(fā)酵的產(chǎn)物，發(fā)酵乳酸桿菌和巴氏醋酸桿菌是其主要的細(xì)菌種類。二、全球發(fā)酵食品中的微生物第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變7/27世界上的酒精飲料分為以下10種類型。(1)由淀粉分解發(fā)酵劑生產(chǎn)的非蒸餾，且不經(jīng)過(guò)濾的酒精飲料

例如印度和尼泊爾的kodokojaanr(由鴨腳粟發(fā)酵)和bhaatijaanr(由米飯發(fā)酵)，韓國(guó)的Makgeolli(由米飯發(fā)酵)。(2)由淀粉分解發(fā)酵劑生產(chǎn)的非蒸餾，但經(jīng)過(guò)濾的酒精飲料

例如日本的清酒(sake)和我國(guó)的黃酒。(3)用淀粉分解發(fā)酵劑生產(chǎn)的蒸餾酒精飲料

例如我國(guó)的白酒、日本的燒酒(shochu)和韓國(guó)的燒酒(soju)。(4)生產(chǎn)過(guò)程中有人類唾液淀粉酶所參與的酒精飲料

例如秘魯?shù)腸hicha。第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變?nèi)?、含酒精的飲?/27世界上的酒精飲料分為以下10種類型。(5)通過(guò)單菌株發(fā)酵生產(chǎn)的酒精飲料，例如啤酒。(6)由蜂蜜制成的酒精飲料，例如埃塞俄比亞的tej。(7)由植物的特定部分制成的酒精飲料，例如墨西哥的pulque和印度的toddy和kanji。(8)通過(guò)麥芽(發(fā)芽)生產(chǎn)的酒精飲料，例如南非的高粱啤酒(bantu)、尼日利亞和加納的皮托(pito)，以及貝寧的tchoukoutou。(9)由水果制成，但不經(jīng)過(guò)蒸餾的酒精飲料，例如葡萄酒(wine)、蘋果酒(cider)。(10)由水果和谷物制成的蒸餾酒精飲料，例如威士忌(whisky)和白蘭地(brandy)。三、含酒精的飲料第一節(jié)

傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的多樣性和演變9/27第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化動(dòng)植物原料的化學(xué)成分提高營(yíng)養(yǎng)的生物利用率豐富食品的感官質(zhì)量提供生物防腐效果和改善食品安全降解有毒成分和抗?fàn)I養(yǎng)因子產(chǎn)生抗氧化劑和抗微生物化合物刺激益生菌功能，并添加一些促進(jìn)健康的生物活性化合物功能微生物在食品發(fā)酵過(guò)程中的作用：10/27第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性一、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝

通過(guò)分析發(fā)酵食品菌相組成與代謝物之間的相關(guān)性，從而找到發(fā)酵體系中的功能微生物群，這種方法是尋找復(fù)雜發(fā)酵系統(tǒng)中核心微生物群的主要方法之一。例如，表8-8中利用宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù)在乳酪中發(fā)現(xiàn)了部分微生物與風(fēng)味物質(zhì)（代謝產(chǎn)物）之間的聯(lián)系。11/271.抗菌性能

從發(fā)酵蔬菜和乳制品中分離得到的許多種乳酸菌均具有抗菌活性，這是由于這些細(xì)菌產(chǎn)生了細(xì)菌素和乳鏈球菌素等抗菌化合物。2.抗氧化活性

發(fā)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‘-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS)自由基清除活性、總酚含量(TPC)和還原能力測(cè)定。

亞洲的許多發(fā)酵大豆食品均具有抗氧化性。3.多肽生產(chǎn)在發(fā)酵食品中發(fā)現(xiàn)的多肽具有免疫調(diào)節(jié)、抗血栓和抗高血壓特性等功能特性。芽孢桿菌屬的細(xì)菌參與了蛋白質(zhì)的酶解，從而產(chǎn)生了有益于健康的多肽和氨基酸。二、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的功能性質(zhì)

第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性12/274.微生物產(chǎn)酶

在亞洲的許多發(fā)酵大豆食品中，由芽孢桿菌屬細(xì)菌在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的酶（如蛋白酶等），能將復(fù)雜化合物分解成多種具生物活性的簡(jiǎn)單生物分子。發(fā)酵食品和飲料中常見(jiàn)的菌絲真菌(如放射霉菌)能產(chǎn)生各種碳水化合物酶。5.異黃酮皂苷的增加和聚合氨酸(PGA)的生產(chǎn)

亞洲一些發(fā)酵大豆食品的發(fā)酵過(guò)程中，異黃酮糖苷被水解成相應(yīng)的苷元。聚谷氨酸(PGA)是由

發(fā)酵大豆食品中的一些芽孢桿菌屬細(xì)菌產(chǎn)生。6.抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的降解

發(fā)酵食品中存在的一些微生物可能會(huì)將阻礙營(yíng)養(yǎng)吸收的物質(zhì)降解，從而使食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提高。第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性二、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的功能性質(zhì)

13/277.發(fā)酵食品治療作用

許多傳統(tǒng)發(fā)酵食品既是食物，也是藥物，既可飽腹，又可發(fā)揮一定治療功效。例如紅葡萄酒由于

含有調(diào)節(jié)生物鐘的褪黑素而具有抗衰老的特性。8.營(yíng)養(yǎng)素的合成食品發(fā)酵過(guò)程中會(huì)富集一些維生素、必需氨基酸和生物活性化合物。9.預(yù)防高血壓和心臟病發(fā)酵全谷物食品可以降低血清低密度脂蛋白膽固醇，改善高甘油三酯血癥和高血壓。10.預(yù)防癌癥一些發(fā)酵食品具有抗突變和抗癌活性。第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性二、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的功能性質(zhì)

14/2711.對(duì)胃腸道疾病的防護(hù)

發(fā)酵食品中存在的乳酸菌可能會(huì)降低某些胃腸道疾病的發(fā)生率、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度。12.抗過(guò)敏反應(yīng)

從開(kāi)菲爾(kefir)中分離得到的馬乳酒樣乳酸桿菌M1具有抗過(guò)敏作用。13.預(yù)防糖尿病和骨質(zhì)疏松癥第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性二、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的功能性質(zhì)

攝入高纖維食物可能會(huì)減少糖尿病患者的胰島素需求，并可能增加非糖尿病患者對(duì)胰島素的敏感性。納豆中所含有的維生素I&刺激骨骼的形成，這可能有助于預(yù)防日本老年婦女的骨質(zhì)疏松癥。而酸乳中所含的礦物質(zhì)元素(鎂、鈣、磷和鉀)則能與蛋白一同作用，促進(jìn)健康骨骼的形成。15/2714.緩解乳糖吸收不良

第二節(jié)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的代謝和功能特性二、傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物的功能性質(zhì)

15.發(fā)酵食品的健康風(fēng)險(xiǎn)發(fā)酵食品中的重要健康風(fēng)險(xiǎn)之一是生物胺的存在。生物胺存在于酸菜、魚產(chǎn)品、奶酪、葡萄酒、啤酒、干制香腸等發(fā)酵食品中。腸桿菌科細(xì)菌和腸球菌是食品中生物胺的主要生產(chǎn)者。用于生產(chǎn)酸乳的德?tīng)柸樗釛U菌保加利亞亞種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癥狀。

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傳統(tǒng)釀造食品已經(jīng)成為我國(guó)的文化符號(hào)，在現(xiàn)代工業(yè)高度發(fā)展的今天，仍以其獨(dú)特的魅

力被大家廣泛接受和喜愛(ài)，在國(guó)民的日常生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常重要的地位。傳統(tǒng)釀造具有食品原料復(fù)雜、參與釀造過(guò)程的微生物多、代謝反應(yīng)多、工藝繁復(fù)等特點(diǎn)，使得科學(xué)闡釋傳統(tǒng)釀造過(guò)程存在巨大的挑戰(zhàn)。

基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等生物信息分析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為研究發(fā)酵過(guò)程中微生物群落

結(jié)構(gòu)與功能、微生物群落內(nèi)部及其與環(huán)境的交互等提供了有力的支撐，使得科學(xué)描述

和解釋傳統(tǒng)發(fā)酵食品的釀造技藝成為可能。第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略17/27一、中國(guó)傳統(tǒng)食品釀造微生態(tài)的環(huán)境特點(diǎn)中國(guó)傳統(tǒng)釀造食品種類繁多，各類型的發(fā)酵過(guò)程中形成的微生態(tài)各不相同，但它們的釀造環(huán)境仍存在一些共同的特點(diǎn)。1.極端環(huán)境條件驅(qū)動(dòng)微生物群落的自我凈化2.固態(tài)發(fā)酵方式?jīng)Q定微生態(tài)環(huán)境具有較大的空間差異性第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略18/27二、中國(guó)傳統(tǒng)釀造食品的微生物生態(tài)學(xué)研究策略中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的微生態(tài)系統(tǒng)具有高度的復(fù)雜性對(duì)于一個(gè)復(fù)雜體系，只有在遵循微生物內(nèi)部及其與環(huán)境復(fù)雜的交互作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，解析微生物群落結(jié)構(gòu)、明確其代謝功能，在錯(cuò)綜復(fù)雜的微生物交互作用網(wǎng)絡(luò)中錨定核心功能微生物，才能實(shí)現(xiàn)有效地調(diào)控代謝功能。1.剖析傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物群落的構(gòu)成

目前研究發(fā)酵食品中群落結(jié)構(gòu)的手段主要可分為依賴純培養(yǎng)的方法和不依賴純培養(yǎng)的方法。表8-11分別介紹了不依賴純培養(yǎng)的各方法的研究范疇和優(yōu)缺點(diǎn)。第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略19/271.剖析傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物群落的構(gòu)成第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略20/27二、中國(guó)傳統(tǒng)釀造食品的微生物生態(tài)學(xué)研究策略3.關(guān)注復(fù)雜的微生物群落內(nèi)部及其與環(huán)境之間的互作關(guān)系（1）微生物群落內(nèi)部微生物之間的交互作用是普遍而廣泛存在的，并且是決定群落結(jié)構(gòu)和功能的內(nèi)在因素之一。目前關(guān)于中國(guó)傳統(tǒng)釀造食品中微生物交互作用的研究大多采用純培養(yǎng)結(jié)合共培養(yǎng)的方式。（2）微生物與環(huán)境之間也有復(fù)雜的交互作用關(guān)系系統(tǒng)理解傳統(tǒng)釀造食品的發(fā)酵進(jìn)程，需要明晰環(huán)境與微生物之間的互作機(jī)制，才能更好地理解傳統(tǒng)工藝的科學(xué)性，進(jìn)而建立調(diào)控群落功能的有效策略。4.調(diào)控微生物群落的釀造功能2.解析微生物群落的代謝功能

針對(duì)復(fù)雜微生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落代謝行為的研究，需要架構(gòu)起微生物群落和代謝物之

間的交互橋梁。第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略21/27三、中國(guó)傳統(tǒng)釀造食品的微生物生態(tài)學(xué)研究展望目前的研究在微生物群落結(jié)構(gòu)、代謝功能方面提供了基礎(chǔ)信息，未來(lái)需要對(duì)這一復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步深入解析，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)闡釋傳統(tǒng)釀造技藝的科學(xué)性，為進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)提升奠定基礎(chǔ)。1.多組學(xué)信息的有效整合是闡明傳統(tǒng)發(fā)酵食品復(fù)雜微生物群功能的有效切入點(diǎn)。2.培養(yǎng)功能性微生物是關(guān)鍵步驟。3.自上而下和自下而上的研究并舉。4.使用數(shù)學(xué)模型和建立預(yù)測(cè)模型是未來(lái)研究中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵食品的重要發(fā)展方向，是產(chǎn)品品質(zhì)

保障和進(jìn)一步提升的重要支撐。5.人工功能核心微生物群落的構(gòu)建。傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物群落中的關(guān)鍵少數(shù)微生物對(duì)于推進(jìn)發(fā)酵的進(jìn)程有決定性作用。第三節(jié)我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品微生物生態(tài)學(xué)及其研究策略22/27近年來(lái)，隨著食品發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用需求的不斷提高，加上功能單一的菌種在提高風(fēng)味品質(zhì)方面存在著局限性，使得利用多種功能微生物組合來(lái)構(gòu)建合成微生物群落成了發(fā)酵食品領(lǐng)域中一個(gè)研究的熱點(diǎn)。一、

合成微生物群落的概念合成微生物群落是指在明確培養(yǎng)基質(zhì)的條件下，人工將兩種或兩種以上遺傳背景清晰的微生物通過(guò)共同培養(yǎng)而形成的微生物群體，其組成可以是自然界中不一定共存的野生型菌株，也可以是一個(gè)或多個(gè)經(jīng)基因改造的工程菌株。第四節(jié)合成微生物群及其在發(fā)酵食品中的應(yīng)用23/27二、

合成微生物群落的特征1.可人工選擇合成微生物群落的組成生物種類2.可調(diào)控合成微生物群落的空間結(jié)構(gòu)3.可人為控制合成微生物群落的位置和數(shù)量分布第四節(jié)合成微生物群及其在發(fā)酵食品中的應(yīng)用24/27三、合成微生物群落相互作用和調(diào)控機(jī)制可以通過(guò)改變細(xì)胞交流、物種代謝作用、生長(zhǎng)環(huán)境等方式對(duì)微生物間的相互作用進(jìn)行調(diào)控，從而對(duì)合成微生物群落進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)特定的功能。1.微生物間的相互作用研究物種間的相互作用可以分為積極的和消極的兩種類型，積極的相互作用包括共生(互利共生和偏利共生)，消極的相互作用包括寄生、捕食以及競(jìng)爭(zhēng)。由于菌種間存在復(fù)雜的交互關(guān)系，因此在構(gòu)建微生物群落時(shí)要考慮參與菌種的功能、分布和生長(zhǎng)環(huán)境等眾多因素，而不