茅台集团&江南大学：解读传统发酵食品的微生物菌群控制策略

文章来源：中国酒业协会CADA

责编 / 娜仁托娅  美编 / 刘学  校对 / 艾浩

导读

2023年3月7日，江南大学徐岩教授与茅台集团王莉研究员共同在国际食品TOP期刊《食品科学与食品安全综述》（Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety）（1区，IF: 15.786）发表了题为“传统发酵食品微生物菌群的非基因编辑微生物组工程——限制控制、设计控制与整合策略”（Non-gene-editing microbiome engineering of spontaneous food fermentation microbiota–limitation control, design control, and integration）的综述性文章，系统论述了传统发酵食品微生物群的控制原理及未来研究方向。2021级博士陈良强为该论文第一作者。

该综述基于系统微生物学和合成生物学思想，通过深入剖析了传统发酵过程中由微生物导致的生产不稳定因素，并具体以我国白酒为例，展示了提升对微生物菌群控制力的重要性，白酒微生物群落控制力的提升并不是经验式的工艺改进，而是用科技手段去全面了解发酵微生物群的组成、功能、组装特性、控制原理等，传统与科技并行才是推动传统发酵食品朝着绿色、清洁、智能、高效的方向发展。茅台集团通过与江南大学强强联合，肯定了白酒传统工艺的优势的同时明确了科技创新对提升工艺的重要性。

通过利用“木桶效应”描述传统发酵过程，其中最受限的因素（短板）决定了群落最主要的功能，例如溶氧、酸度和温度等指标的限制是产酒的关键要素，因此对于限制机制的解析与限制程度的量化是提升发酵品质与安全的关键。而发酵微生物群的“设计控制”则是通过人为设计天然微生物群的组合以揭示发酵规律、实现特定功能。“设计控制”是现代非基因编辑微生物组工程的核心原理，是一种适于白酒产业转型升级的未来研究策略，其依赖于对发酵微生物资源的全面挖掘及多组学技术的整合应用。然而基于“设计控制”仍然处于起步阶段，更多的理论与技术的应用还有待探索。

本文提出目前“限制控制”的低成本、易操作使得传统工艺难以被替代，尤其对于白酒生产来说，天然微生物资源几乎是零成本的，因此维护酿造环境微生物资源多样性尤为重要，茅台集团发表的《Research trends in Jiang-flavor baijiu fermentation: From fermentation microecology to environmental ecology》文中也明确了这一特征。“设计控制”可用于全面揭示传统发酵中的原理，强化“限制控制”效力，针对传统固态发酵体系提出研究策略，展望基于群落融合理论与3D打印技术提出一种整合构建高维微生物群，特别是充分发挥白酒传统控制与现代设计控制的优势，为传统微生物群控制提供更科学的指导。

结论与展望

目前对食品发酵工业的要求（更高的效率和质量，更低能耗）需要对如何控制微生物有更深入的了解。这个目标可以通过提升科技的应用来实现，传统发酵食品微生物群组成和功能复杂，将其控制策略纳入非基因编辑微生物组工程理论之中能够加深传统微生态发酵技术（Micro-ecological Fermentation Technology）的创新实践。“自上而下”“自下而上”与“群落融合”三种微生物组工程策略可作为现代微生物组工程在传统发酵领域，特别是中国白酒产业中可以优先应用，而更具价值的实践则需要充分利用各个策略的优势，整合构建白酒固态发酵微生物群模型。

图1 微生物组工程的分类和非基因编辑微生物组工程（NgeME）的定义

图2 在非基因编辑微生物组工程的生态过程、限制和设计控制

用不同长度木板木桶表示传统发酵体系，这些木板代表参数的水平或浓度。根据谢尔福德的耐性定量（Jørgensen，2008），如果任何生态因素的数量（或质量）过低或过高，超过特定生物的容忍度，该物种就无法生存。最短的木板代表了发酵工艺或参数中最受限的因素，例如酒精发酵中的氧气限制。（a）SFFM组装的生态过程和限制类型，四个生态过程发生所需的时间用不同的颜色表示，颜色的重叠表示两个过程的重叠。（b）传统NgeME下的传统发酵过程，绿色箭头表示正常的发酵过程；黄色箭头表示生态漂变导致的产品质量下降；红色箭头表示杂菌扩散导致的发酵失败。限制控制的不稳定性可能导致同一批产品的质量和价值发生变化。（c）现代NgeME下的可控食品发酵过程。对于设计的合成微生物群来说，开发发酵过程的算法模型以设计发酵过程中体系限制要素的最佳组合，可预测并获得稳定高效的发酵功能，提高产品质量的一致性。RMSP：原料物种池；SSP：发酵剂物种池；ESP：环境物种池；MS：微生物演替；QS：群体感应；IM：初始微生物群。

图3 现代NgeME的设计策略。(a)自上而下策略。(b)自下而上策略。(c)群落融合。(d)整合战略。