在工业封闭式固态发酵器中，关于微生物作用机制及其对谷物醋发酵过程中关键风味形成的影响的深入研究

《Current Research in Food Science》：Mechanistic Insights into Microbial Contribution and Key Flavor Formation of Cereal Vinegar Fermentation in the Industrial Closed Solid-State Fermenter

　　本研究利用代谢组学与宏转录组学技术，解析工业封闭固态发酵罐中谷物醋发酵的微生物代谢网络，揭示醋酸菌属、乳酸菌属等关键微生物在不同阶段的代谢贡献，阐明温度与通气率调控微生物活性及风味形成机制，为优化发酵工艺提供理论依据。

　　在当今食品工业中，发酵技术是生产许多特色食品的关键环节。以醋的生产为例，它不仅是一种历史悠久的传统调味品，而且在世界各地的饮食文化中占据着重要地位。随着科技的进步和工业化的推进，传统的开放式固态发酵工艺逐渐被更现代化、可控性更强的工业封闭固态发酵系统所取代。这种转型虽然提升了生产效率，降低了人工操作的需求，但同时也带来了新的挑战，特别是对微生物群落及其在风味形成中的作用的理解仍然不足。本研究通过采用元转录组学技术，深入探讨了工业封闭固态发酵系统中醋的发酵过程，揭示了关键微生物的功能及其与风味化合物形成之间的关系，为未来实现对风味特征的定向调控提供了科学依据。

### 一、研究背景与意义

醋是一种酸性调味品，其制作工艺在全球范围内有着悠久的历史。在中国，醋主要通过谷物作为原料进行酿造，而西方国家则更倾向于使用水果和蔬菜。传统的谷物醋生产通常依赖于陶坛进行固态发酵，这一过程受到环境微生物、气候条件和人工经验等多种因素的影响，导致风味质量难以控制，且生产过程高度依赖人力。例如，在传统工艺中，醋醅需要每天进行翻动以调节温度和氧气含量，这种操作方式不仅劳动强度大，而且难以保证发酵的一致性和稳定性。近年来，随着机械化和自动化技术的发展，工业封闭固态发酵设备逐渐被引入醋的生产领域，以提高生产效率和产品质量。然而，尽管自动化设备的应用在一定程度上改善了生产条件，其对风味形成机制的了解仍然有限，导致一些生产问题的出现，如风味质量下降等。

因此，深入研究工业封闭固态发酵系统中微生物的作用及其与风味化合物形成之间的关系，对于优化醋的生产流程、提高其风味品质具有重要意义。此外，随着人们对食品质量要求的不断提高，食品工业需要更精确地调控发酵过程，以实现风味的个性化和高质量。而要实现这一目标，必须对发酵过程中活跃的微生物及其代谢网络进行系统分析，从而揭示其在风味形成中的具体作用。

### 二、研究方法与实验设计

本研究采用元转录组学技术，结合发酵过程中的理化参数和风味化合物分析，系统地研究了工业封闭固态发酵系统中醋的发酵过程。实验样品采集自山西紫林醋业有限公司的醋醅生产过程中，分别在发酵的第1、5、9、13和17天进行取样，以代表发酵的不同阶段。通过对这些样本进行元转录组测序，研究人员能够识别出在发酵过程中活跃的微生物群落，并进一步分析其代谢功能和相关基因表达情况。

为了全面评估发酵过程中的理化参数，研究团队对样品进行了多项检测，包括pH值、总酸度（TTA）、乙醇含量、还原糖、非挥发性酸、氨基酸、总酚类物质、总黄酮类物质以及挥发性风味化合物（VFCs）等。这些参数不仅反映了发酵的进程，也为后续的微生物活性分析提供了重要的基础数据。通过高通量测序技术，研究人员能够获得样本中的全部基因信息，并利用KEGG数据库对这些基因进行功能注释，从而构建出与风味形成相关的代谢网络。

此外，研究还采用了主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等统计方法，以可视化不同样品之间的差异，并识别出与风味形成显著相关的微生物群落和代谢途径。这些方法的应用使得研究人员能够更清晰地理解微生物在不同发酵阶段中的动态变化及其对风味化合物的影响。

### 三、发酵过程中理化参数与风味化合物的变化

在发酵过程中，理化参数的变化对风味的形成具有重要影响。例如，总酸度（TTA）和乙醇含量是衡量醋发酵完成的重要指标。通常情况下，当TTA超过3.50 g/100g醋醅且乙醇含量低于0.80 g/100g醋醅时，醋的发酵过程被认为已经完成。本研究中，最终的TTA和乙醇含量分别为3.72 g/100g和0.77 g/100g，表明发酵过程达到了预期的终点。

此外，发酵过程中还伴随着其他理化参数的变化，如还原糖、非挥发性酸、氨基酸、总酚类物质和总黄酮类物质等。这些参数的变化不仅反映了微生物的代谢活动，也影响了最终产品的风味特征。例如，还原糖的含量在发酵初期会下降，随后又有所回升，而非挥发性酸的含量则呈现相反的趋势。这种变化可能与不同微生物在发酵过程中对原料的分解作用有关。

挥发性风味化合物（VFCs）的种类和含量在发酵过程中呈现出显著的变化。这些化合物包括酯类、酸类、醇类、醛类、酮类、吡嗪类、酚类等，它们共同构成了醋的复杂风味。研究发现，随着发酵的进行，VFCs的种类和数量逐渐增加，尤其在发酵的后期阶段，酯类、酸类、醇类和酮类的含量显著上升。这种变化不仅与微生物的代谢活动有关，也受到温度、氧气含量等环境因素的影响。

### 四、发酵过程中微生物群落的动态变化

通过元转录组学分析，研究人员发现，在工业封闭固态发酵过程中，某些微生物在不同阶段表现出不同的活性。例如，Limosilactobacillus和Acetilactobacillus在发酵初期表现出较高的相对丰度，而在后期阶段，Lactobacillus和Acetobacter则成为主要的活性微生物。这些微生物在发酵过程中发挥着不同的作用，其中Limosilactobacillus和Acetilactobacillus主要负责原料的降解，而Lactobacillus和Acetobacter则在风味形成中起着关键作用。

此外，研究还发现，某些低丰度微生物，如Eubacterium、Bacteroides、Faecalibacterium、Megamonas和Pseudoflavonifractor，与更多风味化合物之间存在显著的正相关关系。这表明，这些微生物虽然在总体丰度上不高，但其代谢活动对风味的形成具有重要作用。因此，研究微生物群落的多样性及其代谢功能，有助于更全面地理解醋的风味形成机制。

### 五、关键微生物的功能与风味形成机制

研究进一步揭示了不同微生物在醋风味形成中的具体作用。例如，Acetobacter、Lactobacillus、Limosilactobacillus和Acetilactobacillus被确定为关键功能微生物。其中，Limosilactobacillus和Acetilactobacillus在发酵初期主要负责原料的降解，而Lactobacillus则在发酵后期发挥主导作用，促进原料的进一步分解。Acetobacter则在整个发酵过程中都参与了风味化合物的形成，特别是在酯类、酸类和醇类的生成中起到了关键作用。

研究还发现，某些特定的代谢途径对风味的形成至关重要。例如，Lactobacillus和Limosilactobacillus在乳酸的生成中表现出较高的活性，而Acetobacter则通过氧化乙醇和转化丙酮酸来生成醋酸。此外，某些风味化合物如乙基麦芽酚和2,3-丁二醇的形成涉及复杂的代谢网络，包括多个酶的参与。这些酶的表达水平和活性在不同发酵阶段有所变化，反映了微生物在不同阶段对风味化合物的合成能力。

### 六、发酵参数对微生物活性和风味形成的影响

研究还探讨了发酵参数，如温度和氧气含量，对微生物活性和风味形成的影响。在工业封闭固态发酵系统中，温度和氧气含量可以通过调节设备的运行条件进行控制，从而影响关键微生物的代谢活动。例如，较高的温度可能促进某些微生物的生长，但同时也可能抑制其他微生物的活性。因此，合理调控温度和氧气含量，有助于优化微生物的代谢网络，从而提高醋的风味品质。

此外，研究还发现，不同的发酵阶段对微生物的代谢活动有不同的要求。例如，在发酵初期，微生物主要通过分解原料中的淀粉和糖类来生成还原糖，而在发酵后期，微生物则通过进一步代谢这些还原糖来生成风味化合物。因此，通过调节发酵参数，可以更有效地引导微生物的代谢活动，从而实现对风味的定向调控。

### 七、研究的创新点与应用前景

本研究的创新之处在于采用了元转录组学技术，结合理化参数和风味化合物分析，系统地揭示了工业封闭固态发酵系统中醋的发酵过程。这种方法不仅能够识别出活跃的微生物群落，还能分析其代谢功能和相关基因的表达情况，从而更全面地理解微生物在风味形成中的作用。

此外，研究还发现，某些微生物的代谢活动对风味化合物的生成具有显著影响。例如，Acetobacter在醋酸和乙基麦芽酚的生成中起着关键作用，而Lactobacillus则在乳酸和酯类的生成中表现出较高的活性。这些发现为未来优化醋的生产流程、提高其风味品质提供了科学依据。

研究的成果不仅有助于提升工业封闭固态发酵技术的应用水平，也为食品工业中的风味调控提供了新的思路。通过合理调控温度和氧气含量，可以引导关键微生物的代谢活动，从而实现对风味的精准控制。这不仅能够提高醋的生产效率，还能确保其风味的稳定性和多样性，满足不同消费者的需求。

### 八、未来研究方向

尽管本研究取得了重要进展，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，如何更精确地调控发酵参数以实现风味的个性化和高质量，以及如何通过优化微生物群落结构来提高醋的风味品质。此外，还需要进一步研究不同微生物之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响风味的形成。

未来的研究可以集中在以下几个方面：首先，可以进一步探讨不同发酵参数对微生物活性和风味形成的具体影响，以期建立更精确的调控模型。其次，可以研究微生物群落的多样性及其对风味形成的影响，以寻找能够提高风味品质的微生物组合。最后，还可以探索如何通过基因工程手段优化关键微生物的代谢能力，从而提高醋的风味品质。

综上所述，本研究通过元转录组学技术，系统地揭示了工业封闭固态发酵系统中醋的发酵过程，为未来实现对风味的定向调控提供了重要的科学依据。研究结果不仅有助于提高醋的生产效率和产品质量，也为食品工业中的微生物调控技术发展提供了新的思路和方法。