摘要：中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品由于微生物的發(fā)酵作用改善產(chǎn)品的營養(yǎng)價值并賦予產(chǎn)品獨特的風味，成為人們飲食中重要的組成部分。文章主要闡述了我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品常用的微生物檢測技術，并對中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物多樣性的研究進展進行了綜述，旨在為篩選優(yōu)良發(fā)酵菌株，調(diào)控中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品的發(fā)酵過程提供理論參考。
關鍵詞：傳統(tǒng)發(fā)酵食品;測序方法;微生物多樣性;核心微生物
發(fā)酵是一種用于改善食品品質和長期保存食品的加工手段[1]。傳統(tǒng)發(fā)酵食品通常憑借自然野生菌落發(fā)酵為主要生產(chǎn)方式。在進行發(fā)酵時通常會引入來自于原料和環(huán)境的多種微生物，而這些微生物可利用原料中的營養(yǎng)成分通過三大代謝途徑———糖、脂肪和蛋白質代謝改變食物本身的質地及食用品質，產(chǎn)生獨特的發(fā)酵香氣[2]。在我國幾千年的歷史進程中，開發(fā)了原料多樣、工藝復雜、種類繁多的傳統(tǒng)發(fā)酵食品如發(fā)酵酒、酸菜、大醬、臘肉等，構成了我國飲食文化重要的組成部分。由于在自然發(fā)酵的過程中微生物種類和豐度存在差異，而且常伴有有害菌或致病菌的引入，這會嚴重影響傳統(tǒng)發(fā)酵食品的感官品質、風味和食用安全性[3]。
因此，揭示傳統(tǒng)發(fā)酵食品的微生物多樣性，探究菌群結構和發(fā)酵過程中的核心微生物對科學安全地制作、調(diào)控發(fā)酵食品有著重要的指導作用，為傳統(tǒng)食品的發(fā)酵過程工業(yè)化、規(guī)模化、穩(wěn)定安全化提供了理論基礎。本文重點綜述了現(xiàn)代高通量檢測方法，對中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物特殊的多樣性結構和主要核心作用微生物、中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品的前景導向進行了展望，為傳統(tǒng)發(fā)酵食品的加工工藝改良和品質調(diào)控提供了理論基礎。
1中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物多樣性研究方法
由于傳統(tǒng)發(fā)酵食品生產(chǎn)方式所涉及到的微生物來源廣、種類多、演替演化規(guī)律復雜，僅單純依靠傳統(tǒng)人工分離方法不能滿足當下人們對傳統(tǒng)發(fā)酵食品中復雜微生物系統(tǒng)的了解。近些年，隨著分子生物技術的不斷發(fā)展，新一代測序技術正逐漸取代傳統(tǒng)培養(yǎng)方法，廣泛應用于微生物多樣性的分析。這些新一代測序技術一類是擴增子測序，例如一代測序：變性梯度凝膠電泳技術(PCR-DGGE);二代高通量測序：16SrDNA、ITS測序等;三代測序：16SrDNA全長、宏基因組技術，其優(yōu)勢在于可以對每一條獨立的DNA分子進行測序，從而分析得到微生物的物種注釋及代謝通路信息。這些技術在發(fā)酵酒肉制品、谷物食品等鑒定中都有廣泛的應用[4]。
1.1PCR-DGGE技術
傳統(tǒng)的平板分離培養(yǎng)方法過度依賴人工的操作及菌體的生長，實驗周期長，不確定性大。PCR-DGGE技術避開了傳統(tǒng)檢測方法的弊端，采用特異性PCR擴增從樣本中提取出來的基因組DNA，在DGGE技術有效分離和快速鑒定后將擴增產(chǎn)物進行分析從而獲取到樣品中菌群圖譜[5]。燕平梅等利用PCR-DGGE技術在不同品種酸菜樣品中檢測到8種微生物，而散裝酸菜的微生物多樣性更為豐富，同時，在經(jīng)16SrDNA測定后，發(fā)現(xiàn)乳酸菌屬為酸菜中的核心微生物[6]。
與傳統(tǒng)的測序方法對比，PCR-DGGE技術在對傳統(tǒng)方法未能培養(yǎng)出來的菌株進行鑒定時，用時更短，準確度更高，并可對大量樣本同時進行測序工作，是研究發(fā)酵食品微生物群落結構最常用的分子生物技術之一[7]。但該技術具有一定的局限性，當對復雜的生態(tài)系統(tǒng)進行研究時，對豐度較低(低于1%)的微生物無法檢測出來[8]。
1.2高通量測序技術
高通量測序技術是基于高通量測序平臺檢測特定環(huán)境下的微生物，并結合生物與信息學來分析樣本中各種微生物物種種類、物種豐度、種群結構、系統(tǒng)演變等相關信息。根據(jù)細菌和真菌間的序列差異，高通量測序可以化分為16SrDNA、18SrDNA和ITS測序。16SrDNA主要進行原核微生物的物種鑒定，而18SrDNA和ITS測序主要用于真核微生物的鑒定。
相比PCR-DGGE技術，高通量測序通過獲得大量測序結果數(shù)據(jù)，能夠對豐度低于0.0001%的痕量菌準確檢出，從而系統(tǒng)完整地解析樣品中微生物菌相組成。李欣蔚等通過16SrDNA測序技術對自然發(fā)酵酸菜樣品中的多樣性組成進行了分析，與PCR-DGGE技術測定結果相吻合，證實了高通量測序的準確性[10]。在真菌鑒定方面主要有ITS測序技術和18SrDNA技術兩種，18SrDNA雖然能有效地鑒定出真核微生物的存在并進行物種注釋，但其準確度往往較低，在實際測序中常有部分真菌不能被分類。
ITS測序技術較18SrDNA技術測序的準確度更高，對真菌微生物的鑒定能力更強。然而，高通量測序技術由于針對局部DNA區(qū)域的鑒定，因此，只能完成微生物屬水平鑒定。隨著三代測序的蓬勃發(fā)展，全長高通量序列測定可以彌補微生物在種水平鑒定上的空白。
曹碧璇等利用16SrDNA基因全長序列分析鑒定出自然發(fā)酵酸菜液樣品中有7個細菌菌屬及9個菌種，實現(xiàn)了微生物多樣性在種水平上的解析[11]。高通量測序是對傳統(tǒng)測序的革新式改變，也是目前最常見的測序方法，成本低廉，且令對發(fā)酵食品全部基因的深入分析成為可能。
1.3宏基因組技術
高通量測序技術促進了組學技術的發(fā)展，相較于高通量測序，宏基因組基于對現(xiàn)代基因組學技術的應用，其優(yōu)勢在于不僅可以準確地對樣品進行物種注釋，而且可以進行功能注釋，挖掘部分微生物的功能基因對其代謝途徑進行預測，這為開發(fā)利用未知或未被培養(yǎng)的微生物、全面探究微生物基因功能性提供了研究基礎[12]。彭明芳等利用基因組技術對廣西酸菜進行功能注釋，結果共注釋到17種在碳水化合物和氨基酸代謝與轉運功能上豐富的基因，如纖維素酶、果膠酶、淀粉水解酶和酯酶等，預測了微生物在酸菜發(fā)酵過程中可能發(fā)揮的作用[13]。
Guo等利用宏基因組技術在白酒窖泥中發(fā)現(xiàn)了乳酸菌、芽孢桿菌和梭菌等細菌與乳酸、乙酸等有機酸及乙醇、酯類等風味化合物產(chǎn)生有關，而半乳酵母、青霉菌和曲霉菌等真菌微生物在白酒發(fā)酵中可以產(chǎn)生葡萄糖淀粉酶和α-淀粉酶，這對糖酵解過程影響顯著并可將淀粉等大分子物質降解為小分子糖[14]，但宏基因組測序對數(shù)據(jù)處理核心技術的要求極高，當樣本數(shù)量極大時，需要進行多次測序，且宏基因組測序方法的定義和算法還不完善，是目前微生物學家面臨的一大難題。
目前對于研究發(fā)酵食品常用的測序方法如上所述，不同的方法各有特點，比如PCR-DGGE技術的高效快速，高通量測序技術的精準分析，基因組技術的功能基因注釋。在實際的應用選擇中，要結合樣品的狀態(tài)、測序的目的、預期的深度以及性價比進行合理選擇。
2傳統(tǒng)發(fā)酵食品微生物多樣性及核心微生物研究進展
近些年來，學者們對傳統(tǒng)發(fā)酵食品的微生物多樣性展開了研究，產(chǎn)品主要涉及7大類，分別為發(fā)酵谷物類、豆類、乳類、蔬菜類、肉類、酸面團類和其他。每一類都包含許多具有代表性的發(fā)酵食品。本部分內(nèi)容針對上述類別的中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物多樣性研究進行了綜述。
2.1傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品
中國傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品主要分為兩類，分別是酸奶和奶酪，在新疆、內(nèi)蒙古、西藏等地有著深遠的制作歷史。這些發(fā)酵乳制品的品質往往因為地理環(huán)境因素以及人為因素而呈現(xiàn)出微生物菌群組成上的差異。中國傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品的微生物組成復雜多樣，不同地域的微生物組成各有特點，通過對傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品微生物多樣性的解析，不僅可以更好地對其品質進行調(diào)控還對乳制品同質化以及有效溯源體制的建立有著重要的指導意義。
2.2傳統(tǒng)發(fā)酵谷物制品
2.2.1發(fā)酵酒類制品
我國的酒文化歷史深遠，釀酒工藝傳承了幾千年，其中在釀酒過程中，發(fā)酵是一個關鍵的環(huán)節(jié)。中國發(fā)酵酒要經(jīng)過獨特而復雜的系統(tǒng)發(fā)酵，由于原料不同，酒曲不同及發(fā)酵工藝不同等，衍生出不同種類的發(fā)酵酒，其中最具代表性的是白酒、黃酒及米酒。大量研究發(fā)現(xiàn)不同酒曲的微生物菌群結構差異較大，賦予了白酒和黃酒不同種香型，如清爽型、鳳香型、濃香型、芝麻香型等。
中國的傳統(tǒng)發(fā)酵酸面團制品主要以饅頭為主，傳統(tǒng)饅頭的制作大多以酵子為發(fā)酵劑。研究發(fā)現(xiàn)，酵子的來源決定了其微生物組成。楊可等發(fā)現(xiàn)關中不同地區(qū)的饅頭酵子中優(yōu)勢菌屬均為乳酸菌屬，但不同地區(qū)的微生物組成差異較大。傳統(tǒng)酵子饅頭往往風味之間存在差異，這也與酵子中微生物的組成和代謝有著密切聯(lián)系[47]。Suo等利用高通量測序方法研究了中國傳統(tǒng)發(fā)酵劑發(fā)酵的饅頭的微生物多樣性及風味成分，結果顯示以乳酸桿菌和片球菌為主的優(yōu)勢菌屬在呈味方面發(fā)揮著重要的作用[48]。
馬凱等在對傳統(tǒng)酵子細菌多樣性的研究中進一步確定了乳酸菌中以魏斯氏菌屬與乳酸乳桿菌屬為主的優(yōu)勢地位，并明確與商業(yè)酵母相比，醇類化合物的含量和種類是區(qū)分傳統(tǒng)酵子發(fā)酵饅頭與商業(yè)酵母的關鍵[49]。此外，學者們還對發(fā)酵茶如普洱茶、黑茶等[50-51]傳統(tǒng)發(fā)酵食品中微生物多樣性進行了研究，為提高產(chǎn)品加工效益和食用品質提供了理論參考。
3展望
中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品種類多，微生物多樣性豐富，大多數(shù)仍停留在作坊式、家庭式的制作模式中，只有極少數(shù)發(fā)酵制品實現(xiàn)了工業(yè)化發(fā)展。這就使我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品存在工藝缺乏創(chuàng)新、制作周期冗長、安全穩(wěn)定性較差等原始問題，難以實現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。未來我們不僅需要全面了解傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的菌群結構、關鍵微生物信息，還需要深入了解發(fā)酵過程中與風味或品質有關的功能性微生物的作用，對其發(fā)酵機理進行挖掘，獲得發(fā)酵性能優(yōu)良的菌種，建立發(fā)酵食品菌種保藏庫，以期為人為調(diào)控中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品的發(fā)酵過程，使中國傳統(tǒng)發(fā)酵食品規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、安全化生產(chǎn)。
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作者：陳鏡如，邊鑫，楊楊，邢童林，王子軒，任麗琨，胡良術，何林陽，張娜
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