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摘 要：食品釀造普遍存在著“固－液－氣的相變、菌種到種群到群落的生態(tài)演替、物系－菌系－酶系的相互關(guān)聯(lián)、好氧→微氧→厭氧的代謝過(guò)程、體系溫度前緩→中挺→后緩落有序變化”等“五法則三層次”規(guī)律，人體消化道內(nèi)的食品發(fā)酵也存在著類似的規(guī)律性。通過(guò)比較分析，可深化人體消化道微生態(tài)規(guī)律性研究，同時(shí)，人體消化道微生態(tài)平衡理論可為深入研究食品釀造微生態(tài)自愈力提供科學(xué)參考。
關(guān)鍵詞：微生態(tài)；規(guī)律性
? 李家民
?。ㄋ拇ㄣ粕岬镁茦I(yè)股份有限公司）
1 食品釀造微生態(tài)“五三”原理
1.2 物系－菌系－酶系的關(guān)聯(lián)效應(yīng)
在一定空間范圍內(nèi)以物質(zhì)形態(tài)存在的都屬于物系范疇，體系中存在的全部微生物構(gòu)成菌系，各類微生物代謝、合成的所有生物酶形成酶系。物系、菌系和酶系三者緊密關(guān)聯(lián)。固態(tài)多菌種發(fā)酵涉及的物系主要有兩類：一類包含谷物糧食、輔料、釀造水等非生命物系；另一類則是在發(fā)酵過(guò)程中參與活動(dòng)的菌種和生物酶以及與發(fā)酵宿主共生共棲的內(nèi)源性微生物等生物性物系。本文中的物系主要指非生命物系，安全、優(yōu)質(zhì)的物系是微生物賴以生長(zhǎng)、繁殖和代謝的營(yíng)養(yǎng)底物，為菌系生命活動(dòng)提供能量和營(yíng)養(yǎng)成分，是各類生物酶得以生成的前提。
1.2.1 物系是固態(tài)發(fā)酵原料和環(huán)境
發(fā)酵宿主是最重要的物系，而菌和酶也是物系的重要部分。著名的巴斯德實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，菌系依賴于相應(yīng)物系而存在，物系必須有適宜的菌系才能發(fā)生改變。在制備曲藥時(shí)，若僅僅只有淀粉質(zhì)原料而沒(méi)有菌種，則淀粉不可能自行發(fā)酵轉(zhuǎn)化成曲藥，這也是新曲房不易“穿衣”的一個(gè)原因。從這個(gè)角度講，微生物應(yīng)該算作是制備曲藥的一種重要原料，同時(shí)，當(dāng)曲藥以原料形式被加入到糧糟后，一方面為糧糟增添各種風(fēng)味成分及其前驅(qū)物質(zhì)，更重要的是提供種類多、數(shù)量大的微生物群落，為糧糟的糖化、發(fā)酵、生香提供足夠動(dòng)力。
菌系和酶系動(dòng)態(tài)地改變物系。固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等原料在微生物及其分泌的酶作用下，經(jīng)過(guò)一系列酶解或合成反應(yīng)，變成醇、醛、酸、酯等。有一種比較形象的說(shuō)法是“糖化靠霉菌、發(fā)酵靠酵母、生香靠細(xì)菌”。微生物對(duì)原料中蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等的分解過(guò)程可概括如圖1。
物系變化過(guò)程也是發(fā)酵物質(zhì)流動(dòng)的過(guò)程。以固態(tài)白酒淀粉發(fā)酵為例，在發(fā)酵前期，氧含量充足，酵母菌、霉菌等好氧微生物在有氧狀態(tài)下大量生長(zhǎng)繁殖，淀粉類物質(zhì)在淀粉酶的作用下，分解為糖類物質(zhì)。在發(fā)酵中期，進(jìn)入微氧環(huán)境，酵母菌發(fā)揮發(fā)酵的主要作用，將糖類物質(zhì)繼續(xù)分解為醇和酸類物質(zhì)及其它酯類前體物質(zhì)。在發(fā)酵后期，在厭氧條件下，梭狀芽苞桿菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，在酯化酶的作用下，將酸、醇類物質(zhì)合成酯類香味物質(zhì)。整個(gè)白酒生產(chǎn)的過(guò)程也是物質(zhì)流動(dòng)和能量流動(dòng)的過(guò)程，前段微生物發(fā)酵產(chǎn)生的物質(zhì)成為了后段微生物的發(fā)酵底物和營(yíng)養(yǎng)成分，在實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物料的分解和有機(jī)成分的合成的同時(shí)，也促進(jìn)了相應(yīng)階段優(yōu)勢(shì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖、代謝。隨著原有物料逐漸減少，產(chǎn)物濃度不斷增加，發(fā)酵環(huán)境中有益微生物逐漸繁殖富積，整個(gè)物系始終會(huì)處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化平衡過(guò)程中。
物系影響著菌系和酶系。微生物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)，需要充足營(yíng)養(yǎng)源和適宜環(huán)境條件。沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)源，菌種不可能成活；環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高，水分過(guò)少，菌種要么進(jìn)入休眠狀態(tài)自我保護(hù)，要么面臨死亡；在環(huán)境酸度或溶液滲透壓發(fā)生劇烈波動(dòng)時(shí)，也會(huì)嚴(yán)重抑制微生物正常活動(dòng)。沒(méi)有物系則不存在相應(yīng)菌系和酶系；物系一旦發(fā)生較大變化，則環(huán)境中菌系和酶系必然發(fā)生相應(yīng)變化。在固態(tài)白酒發(fā)酵中,人們充分利用物系可影響菌系和酶系的特點(diǎn)來(lái)抑制無(wú)益菌、平衡輔助菌、繁殖有益菌（如窖泥人工老熟技術(shù)的應(yīng)用）。
1.2.2 菌系是發(fā)酵的動(dòng)力
固態(tài)發(fā)酵多屬于開(kāi)放式操作，在菌種制備及釀造過(guò)程中,空氣、水、原料、輔料、工用具以及四周環(huán)境會(huì)帶入或富集種類繁多、數(shù)量豐富的微生物，常見(jiàn)的有細(xì)菌、霉菌、酵母等，既含有益微生物，又有大量雜菌，它們共同構(gòu)成限定空間范圍內(nèi)的菌系。
微生物生存和繁殖需要一定外部條件，包括溫度、濕度、通風(fēng)狀況、環(huán)境營(yíng)養(yǎng)源、微生物群落構(gòu)成等，不同香型的白酒生產(chǎn)場(chǎng)地在不同季節(jié)、環(huán)境下微生物數(shù)量具有不同的特性。在一般情況下，空氣中細(xì)菌較多，原料中霉菌較多，生產(chǎn)場(chǎng)地酵母菌較多，制曲過(guò)程中的微生物，主要來(lái)源于生產(chǎn)環(huán)境和原料。醬香曲中以細(xì)菌最多，酵母、根霉、毛霉等較少；釀酒現(xiàn)場(chǎng)的微生物，以酵母和細(xì)菌最多，霉菌次之，并會(huì)因季節(jié)不同而出現(xiàn)一定差異，即細(xì)菌冬天多夏天少，霉菌和酵母菌則夏天多冬天少。
霉菌是將淀粉質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成葡萄糖的菌類，其糖化力強(qiáng)，繁殖速度快，熱穩(wěn)定性好，耐酸，耐酒精。霉菌生長(zhǎng)繁殖主要條件之一是必須保持大量的水分，常見(jiàn)霉菌有曲霉、根霉、毛霉、青霉、紅曲霉等。酵母菌形態(tài)簡(jiǎn)單，種類較多，有出芽繁殖、孢子繁殖、接合繁殖等3種方式。在白酒生產(chǎn)中，酵母菌主要有酒精酵母、產(chǎn)酯酵母、假絲酵母等。細(xì)菌有球菌和桿菌兩種類型，常見(jiàn)細(xì)菌有乳酸桿菌、醋酸菌、丁酸菌等。細(xì)菌在高溫堆積和高溫發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生相應(yīng)酶系，代謝產(chǎn)物對(duì)白酒香型和風(fēng)味具有特殊作用，適當(dāng)引入細(xì)菌可克服白酒后味不足的缺陷。
1.2.3 酶系是固態(tài)發(fā)酵催化劑
任何活細(xì)胞都能產(chǎn)生各種各樣的酶，生物體中的化學(xué)反應(yīng)，幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。
酶具有選擇性 。Yong K. Park等人用生玉米淀粉和薯類淀粉做發(fā)酵試驗(yàn)，表明玉米和木薯淀粉不管是否經(jīng)過(guò)蒸煮都能發(fā)酵，馬鈴薯淀粉未經(jīng)蒸煮則不能有效發(fā)酵，顯然是因?yàn)榈矸劢Y(jié)構(gòu)引起的，說(shuō)明酶系對(duì)物系具有選擇性。
酶促進(jìn)生化反應(yīng)。酶作為一種生物催化劑，可使生化反應(yīng)的能閾降得更低，使原本需要升溫供能才能形成的活化分子在較低溫度下也能大量形成，從而使原本需高溫才能進(jìn)行的有效反應(yīng)在低溫下也能順利進(jìn)行。在高溫制曲中的美拉德褐變反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)等，在非酶參與下要有100℃以上高溫才能進(jìn)行，當(dāng)有微生物和酶參與時(shí)，在65～68℃左右就能發(fā)生上述反應(yīng)。目前已證實(shí)，在高溫大曲中對(duì)美拉德反應(yīng)起較強(qiáng)催化作用的酶，是由地衣芽孢桿菌所分泌的生物酶。
酶活與物系環(huán)境。酶在參與反應(yīng)時(shí)，受到溫度、pH值、抑制劑等物系條件的影響較大，酶具有活性，一方面會(huì)極大地改變環(huán)境物系，同時(shí)酶活性也會(huì)受到環(huán)境物系許多因素制約。
在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)微生物和生物酶在物系中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)原料的分解和有機(jī)成分的合成，有益微生物也實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)、繁殖、代謝過(guò)程，同時(shí)也促進(jìn)了微生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量、信息的傳遞。
1.3 微生物繁衍規(guī)律，菌種－種群－群落
多菌種固態(tài)發(fā)酵中，微生物以個(gè)體參加代謝、以群落效應(yīng)呈現(xiàn)。每個(gè)微生物個(gè)體屬于一個(gè)菌種，在一定空間里同種個(gè)體集聚形成種群，因而菌種與種群是部分和整體的關(guān)系。
1.3.1 微生物菌種
酒類釀造采用多菌種天然發(fā)酵，多種不同的菌種是指DNA同源性不小于70%或16S rRNA同源性不小于97%的微生物。微生物雖然個(gè)體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不同種類微生物的細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)并不相同。固態(tài)發(fā)酵常見(jiàn)微生物主要分為細(xì)菌、酵母菌、霉菌，雖然其個(gè)體微小、細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻存在本質(zhì)性區(qū)別。這決定了不同種類微生物的生活特性、代謝功能、繁殖方式不同，自然決定了各自所形成的種群差異。
1.3.2 微生物種群
在同一區(qū)域范圍或相對(duì)隔離的體系內(nèi)，大量同種微生物個(gè)體聚集在一起即形成種群。微生物種群雖然由同種個(gè)體組成，但并不等于單個(gè)數(shù)量簡(jiǎn)單相加，具有一些“群體特征”，比如種群密度、菌齡組成、生長(zhǎng)速率等。凡能影響種內(nèi)單個(gè)微生物的一切因素，均能對(duì)整個(gè)種群起到同等影響作用。
在固態(tài)發(fā)酵中，應(yīng)用較多的微生物是細(xì)菌、酵母菌和霉菌。單個(gè)微生物作用力非常有限，生產(chǎn)上主要關(guān)心微生物種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化引起的群體效應(yīng)，包括增長(zhǎng)、波動(dòng)、穩(wěn)定和下降。
微生物種群的數(shù)量變化均以S型曲線呈現(xiàn)，說(shuō)明相對(duì)封閉體系內(nèi)，受營(yíng)養(yǎng)資源限制，以及代謝產(chǎn)物反饋抑制，同種微生物數(shù)量不可能無(wú)限增加，即自然狀態(tài)下“種群密度”存在一個(gè)上限值。在生產(chǎn)中，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要菌種大量繁殖時(shí)就持續(xù)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，需要底物盡量轉(zhuǎn)化時(shí)就稀釋代謝產(chǎn)物濃度。
同一棲息環(huán)境中所有微生物種群通過(guò)各種方式相互關(guān)聯(lián)，比如共生、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗、抑制等，從而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的微生物群落。影響微生物生長(zhǎng)的因素較多，主要有營(yíng)養(yǎng)條件、溫度、酸堿度、氧氣、有毒物質(zhì)及輻射等。
1.3.3 微生物群落
隨著生物化學(xué)及分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微生物群落的研究方法取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，目前主要的研究方法有生物標(biāo)志物法、分子生物學(xué)方法及傳統(tǒng)培養(yǎng)等方法。微生物種群雖然體現(xiàn)出微生物數(shù)量的群體效應(yīng)，但其種類單一，局限性明顯。例如固態(tài)白酒發(fā)酵中，假定只接入酵母菌種，由于酵母只能利用糖分而不能代謝淀粉，在初期將糟醅中殘?zhí)抢猛旰?，淀粉不?huì)自行降解，酵母代謝的上游物料（如糖分）無(wú)法持續(xù)獲得，下游代謝產(chǎn)物（乙醇等）不能有效稀釋?？梢?jiàn)，在任何一個(gè)系統(tǒng)中，單一的種群不可能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在。
在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，由空氣富集、原料自帶、工用具吸附、曲藥接種等，多種微生物種群自然組合成一個(gè)龐大的微生態(tài)體系，即微生物群落。固態(tài)白酒發(fā)酵中主要有固態(tài)曲微生物群落、窖泥微生物群落、糟醅微生物群落等幾種典型微生物群落。“五三”原理在固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)中的研究應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)就是研究和總結(jié)微生物及群落在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的作用，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工序培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)、繁殖、代謝，生產(chǎn)出安全、健康、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的產(chǎn)品，同時(shí)抑制有害微生物的生長(zhǎng)，保證釀造微生態(tài)系統(tǒng)平衡和宿主的安全、健康。
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