牛奶的成分决定了开菲尔颗粒形成的结构和微生物动态：揭示微生物群、代谢物与颗粒结构之间的联系

《Journal of Dairy Science》：Milk composition shapes structural and microbial dynamics of kefir grain formation: Linking microbiota, metabolites, and grain architecture

　　开菲尔颗粒在不同乳清基质中连续传代培养的微生物互作与代谢调控机制研究。通过扫描电镜、微生物测序和代谢组学分析，发现牛乳、羊乳及乳清蛋白浓缩物（WPC）显著影响颗粒形态（纤维/碎片化）、微生物群落组成（以Lactobacillus kefiranofaciens为主）及代谢物（短链脂肪酸、甘氨酸等）产生，揭示基质通过Casein含量、氨基酸组分调控微生物竞争与协同代谢，形成稳定颗粒结构。

　　### 了解不同乳制品基质对Kefir颗粒发展的影响

Kefir颗粒作为一种复杂的微生物共生体，其结构形成和功能表现受到培养基质的显著影响。这项研究通过28天的连续子培养，探讨了来自不同乳制品的基质——牛奶、山羊奶和乳清蛋白浓缩物（WPC）——如何影响Kefir颗粒的结构发展、微生物群落演替以及代谢产物的生成。研究结合了扫描电子显微镜（SEM）、基于培养和测序的微生物群落分析，以及非靶向代谢组学技术，全面揭示了基质组成如何调控颗粒形态和微生物功能。

Kefir颗粒的形成涉及多种微生物之间的相互作用，包括乳酸菌（LAB）、酵母和醋酸菌。这些微生物通过代谢物的交换形成共生关系，促进颗粒的结构稳定性和功能性。研究发现，尽管不同基质在初始阶段存在差异，但**乳酸杆菌Kefiranofaciens**（Lb. kefiranofaciens）在所有处理中均成为优势菌种，为颗粒提供了结构和代谢的基础。其丰度在山羊奶中最高，其次是牛奶，最低的是WPC，这种差异与基质中源自蛋白质的氮含量（CN）、肽类和游离氨基酸（AA）的含量密切相关。

发酵过程中，初级营养物质如乳糖和棕榈酸的含量下降，而次级代谢产物如短链脂肪酸（SCFAs）、甘氨酸、羟基犬尿氨酸和2′,4′-二羟基乙酰苯等则显著增加。这些代谢产物不仅作为交叉营养物质供微生物利用，还作为生态调节因子，促进了酵母和乳酸菌之间的竞争与协作关系。不同基质下形成的微生物-代谢物网络影响了最终的颗粒形态：山羊奶促进了丝状、富含胞外多糖（EPS）的颗粒结构；牛奶支持了紧凑且稳定的颗粒；而WPC则导致了碎片化结构，并改变了代谢物的组成。

这些发现不仅加深了我们对Kefir颗粒形成过程中微生物-代谢物相互依赖性的理解，还为基质优化和定向启动菌株设计提供了策略。例如，通过调整基质成分，可以影响颗粒的结构和代谢物的组成，从而优化Kefir的发酵效果和功能特性。研究结果表明，选择合适的基质对于实现稳定的颗粒结构和丰富的代谢产物至关重要。

### 基质对Kefir颗粒结构的影响

Kefir颗粒的形态在不同基质下表现出显著差异。在牛奶（包括牛乳和山羊乳）培养下，颗粒呈现出经典的不规则、类似花椰菜的形态，伴随着紧密的微生物生物膜嵌入胞外多糖（EPS）基质中。相比之下，WPC培养下的颗粒较小且结构较为脆弱。这一差异可能与基质中蛋白质和碳水化合物的种类及含量有关。

在牛乳中，颗粒直径在28天的连续子培养过程中逐渐增大，达到1.0–1.5厘米，而山羊乳培养下的颗粒也表现出相似的生长趋势。然而，WPC培养下的颗粒则明显更小，且在培养过程中呈现碎片化趋势。这种差异可能与基质中缺乏CN有关，因为CN在微生物聚集和EPS合成中起着关键作用。此外，牛乳和山羊乳中的乳糖含量较高，为微生物提供了丰富的碳源，而WPC中乳糖含量极低，导致代谢产物的多样性减少，进一步影响颗粒的稳定性。

在扫描电子显微镜（SEM）分析中，Kefir颗粒的结构特征也因基质不同而有所变化。例如，在山羊乳培养下，颗粒的中间层出现了大量的丝状结构，这可能与**Lb. kefiranofaciens**的胞外多糖合成能力有关。而牛乳培养下的颗粒则表现出更紧密的微生物聚集和分层结构，这可能与乳酸菌（如**Lc. lactis**）和酵母（如**Klu. marxianus**）的协同作用有关。WPC培养下的颗粒则由于缺乏CN的结构支持，表现出较为松散的聚集形态，且中间层和内层的菌落密度较低。

此外，不同基质下颗粒的生长速率也存在显著差异。在牛乳和山羊乳培养下，颗粒的生长速率较高，且在28天的培养过程中逐渐趋于稳定。而在WPC培养下，颗粒的生长速率始终较低，且在后期表现出更明显的下降趋势。这表明，WPC中的营养物质可能不足以支持微生物的快速生长，导致颗粒的结构发育受限。

### 微生物群落组成与代谢物的动态变化

微生物群落的组成和丰度在不同基质下也发生了显著变化。研究发现，**Lb. kefiranofaciens**在所有处理中均占据主导地位，尤其是在山羊乳培养下，其相对丰度高达97.87%。这可能与山羊乳中较高的游离氨基酸（尤其是甘氨酸）和较低的αs1-CN含量有关，这些条件有利于**Lb. kefiranofaciens**的生长和代谢活动。

在酵母方面，**Kaz. turicensis**和**Klu. marxianus**是主要的菌种，但它们的相对丰度在不同基质下有所变化。例如，在山羊乳培养下，**Kaz. turicensis**的丰度较高，而**Klu. marxianus**的丰度较低，这可能与代谢物的相互作用有关。在WPC培养下，酵母的丰度较低，这可能是因为缺乏足够的碳源，导致其生长受限。

代谢物的组成也随着基质的不同而发生显著变化。例如，**Lb. kefiranofaciens**和**Kaz. turicensis**在山羊乳培养下表现出更高的代谢活性，产生了丰富的短链脂肪酸和甘氨酸。而在WPC培养下，代谢物的多样性较低，主要以游离氨基酸的代谢为主，如谷氨酸的积累。这种代谢物的差异可能反映了不同基质下微生物的代谢策略不同，例如在WPC中，微生物更倾向于利用蛋白质和肽类作为碳源，而在牛奶中，乳糖则是主要的代谢底物。

此外，研究还发现，某些代谢物如羟基犬尿氨酸和2′,4′-二羟基乙酰苯在所有基质中均被检测到，这表明这些代谢物可能在Kefir颗粒的形成过程中起着关键作用。它们可能作为信号分子或生态调节因子，影响微生物之间的相互作用和群落结构的稳定。

### 基质对发酵液的影响

发酵液的化学和微生物特性同样受到基质的影响。例如，在牛乳培养下，发酵液的pH值较低，且乳酸菌的活性较高，导致乳酸的积累。而在山羊乳培养下，pH值略高，且酵母的代谢产物如短链脂肪酸和酚类化合物的含量较高。这些差异可能与基质中不同成分的代谢途径有关。

此外，WPC培养下的发酵液表现出不同的代谢特征。由于缺乏CN，发酵液中的乳酸菌更倾向于利用蛋白质和肽类作为碳源，导致谷氨酸等游离氨基酸的积累。同时，WPC培养下的发酵液中观察到较高的柠檬酸、尿嘧啶和草酸含量，这可能反映了微生物在低糖环境下的代谢调整。这些代谢产物的变化可能影响发酵液的口感、营养价值和生物活性。

在微生物数量方面，乳酸菌在WPC培养下的数量显著高于牛乳和山羊乳培养下的数量。这可能是因为WPC中的蛋白质和肽类为乳酸菌提供了更多的营养物质，使其在低糖环境中占据优势。然而，酵母的数量在WPC培养下显著下降，这可能与营养物质的缺乏和代谢环境的变化有关。

### 微生物与代谢物之间的相互作用

研究还揭示了微生物与代谢物之间的复杂相互作用。例如，**Lb. kefiranofaciens**和**Kaz. turicensis**在山羊乳培养下表现出较高的代谢活性，产生了丰富的短链脂肪酸和甘氨酸。这些代谢物可能通过交叉喂养机制促进微生物的生长和代谢，同时作为生态调节因子影响群落的稳定性和功能。

在WPC培养下，微生物的代谢策略则发生了显著变化。由于缺乏CN，微生物更倾向于利用蛋白质和肽类作为碳源，导致游离氨基酸的积累。同时，WPC培养下的代谢物多样性较低，这可能与基质中营养物质的有限性有关。这种代谢物的差异可能影响发酵液的营养成分和生物活性。

此外，某些代谢物如甘氨酸和羟基犬尿氨酸在不同基质下均被检测到，这表明它们可能在Kefir颗粒的形成过程中起着关键作用。甘氨酸可能通过促进微生物的聚集和生物膜的形成，对颗粒的结构稳定性产生积极影响。而羟基犬尿氨酸则可能通过影响微生物的代谢途径，调控其生长和功能。

### 结论与应用前景

综上所述，基质的组成对Kefir颗粒的形成和功能具有深远的影响。不同基质下，微生物群落的结构和代谢物的组成均发生了显著变化，这些变化可能与基质中的蛋白质、碳水化合物和缓冲能力有关。研究结果表明，选择合适的基质可以优化Kefir颗粒的结构和代谢物的组成，从而提高其功能性和稳定性。

这些发现为Kefir颗粒的定向发酵和功能乳制品的开发提供了理论依据。例如，通过调整基质成分，可以促进特定微生物的生长，从而优化颗粒的结构和代谢产物的组成。此外，研究还揭示了某些代谢物在微生物群落中的关键作用，为未来的微生物生态研究和代谢调控提供了新的方向。

未来的研究可以进一步探索这些代谢物的具体生态功能，以及它们如何影响微生物的相互作用和群落的稳定性。此外，还可以研究不同基质下微生物的代谢机制，以期开发出更高效的发酵工艺和功能乳制品。这些研究不仅有助于理解Kefir颗粒的形成机制，还为食品工业和微生物工程提供了重要的参考价值。