“五三”原理比较简析——食品酿造微生态与人体消化道微生态规律性研究

摘　要：食品酿造普遍存在着“固－液－气的相变、菌种到种群到群落的生态演替、物系－菌系－酶系的相互关联、好氧→微氧→厌氧的代谢过程、体系温度前缓→中挺→后缓落有序变化”等“五法则三层次”规律，人体消化道内的食品发酵也存在着类似的规律性。通过比较分析，可深化人体消化道微生态规律性研究，同时，人体消化道微生态平衡理论可为深入研究食品酿造微生态自愈力提供科学参考。

关键词：微生态；规律性

　　生态酿酒（造）指保护与建设适宜酿酒（造）微生物生长、繁殖的生态环境，以安全、健康、优质、高产、低耗为目标，最终实现资源的最大利用和循环使用。而食品酿造采用自然环境下的微生物发酵方式，通过对微生物发酵环境中的物质形态变化、微生物生长繁殖过程、微生物生长的底物环境与相应产生的酶系、发酵过程中的氧变和温度变化规律等总结分析，发现食品酿造普遍存在着“固－液－气三相变化、菌种到种群到群落的生态演替、物系－菌系－酶系相互关联、好氧→微氧→厌氧的代谢过程、体系温度前缓→中挺→后缓落有序变化”等“五法则三层次”规律（以下简称“五三”原理）。而其微生态（微生物在微小或特定的环境下生存和发展的状态，也指微生物的生理特性和生活习性，下同）环境一方面表现出促进有益微生物的生长、繁殖、代谢，生产出安全、健康、优质、高产、低耗的产品，同时抑制有害微生物的生长；另一方面通过优化微生物系统实现发酵“宿主”（如酿酒窖池等发酵容器）的微生态平衡，促进宿主的安全健康成长（如窖池的渐进老熟）；同时，对人体的食品消化过程进行分析，发现了在人体吃入食品后，通过消化道内的微生物群和宿主产生的酶对食物进行分解消化，形成可被吸收利用的养分供宿主吸收。整个过程伴随微生物对食品的发酵利用，也表现出了食品形态变化、物系与菌系酶系共存、菌系定位分布和定性定量特征、氧化还原电势递变、温度控制等与食品酿造“五三”原理相类似的规律性。同时，通过优化消化道发酵环境促进正常微生物的生长、繁殖、代谢，确保人体所需营养物质的安全、健康，并抑制有害菌的生长，维持人体消化道微生态的平衡，保证人体的安全、健康。现就食品酿造微生态和人体消化道微生态中的“五三”原理简析如下：

　　1 食品酿造微生态“五三”原理

　　中国的食品酿造多采用固态发酵方式，利用微生物发酵的传统工艺技术生产产品。通过对微观环境的过程进行大量生产验证，总结出多菌种固态发酵过程中广泛存在“五三”原理，体现为五法则三层次。

　　①固态发酵过程中固－液－气三相协同作用，三相的比例及转化程度直接影响到发酵质量；

　　②各类微生物在发酵过程中，经历从菌种到种群再到群落的生态演替过程；

　　③微生物所处环境中的物系－菌系－酶系相互影响、相互关联，处于一种不断变化的动态平衡中；

　　④自然封闭状态下，整个微生物体系要经历从好氧→微氧→厌氧的代谢环境；

　　⑤体系温度变化总会表现出前缓→中挺→后缓落的共同特征。纵观封闭系统的固态发酵过程，不管生产工艺如何改变，其实质都是在遵循“五三”原理（规律）的前提下，通过人为控制微生物生长代谢的外界条件，以及增减或改变微生物种类和数量的方式，促进有益微生物的生长、繁殖、代谢，生产出安全、健康、优质、高产、低耗的产品，同时抑制有害微生物的生长，优化发酵过程，实现发酵微生态功能性物质、能量、信息的有效传递，保证酿造微生态系统平衡和宿主的安全、健康。

　　1.1 固相－液相－气相三相关系及变化规律

　　任何一个固态发酵过程，都离不开固－液－气三个相态，且三种相态在特定条件下会发生一定程度转化，它的转化速度和幅度，会直接影响到产品数量和质量。研究三相比例及变化，对食品酿造的工艺创新具有现实指导意义。下面以固态白酒发酵为例简述固－液－气三相变化规律。

　　1.1.1 固相－微生物营养、体系物料主体及发酵宿主

　　固态白酒发酵过程中所使用的各种谷物粮食、曲粉、稻壳和续糟等固形颗粒以及发酵容器（如窖池等），都属于固相范畴。

　　首先是提供营养源。微生物在持续生长繁殖代谢过程中，不仅需要C源、N源，而且需要能量、水分、空气等。固相物料中不同种类有机原料均含有丰富的营养物质。原料中的蛋白质，可提供微生物生长繁殖所需要的氮源；灰分中的P、Mg、K、S、Ca等，是构成细胞和辅酶的重要成分，并起到调节细胞渗透压作用；碳水化合物是发酵的基础物料；固态白酒发酵后续糟中有大量熟淀粉和残糖，可供微生物直接利用。

　　其次是发酵载体。在固态发酵中，物料液态物质被吸收到固体颗粒内部，在进入封闭体系后，较长时间内会处于相对静止状态，微生物需从颗粒上吸收营养，并依附在颗粒表面进行繁殖、发酵，其代谢产物也附着在固体物料表面。这使物料的固体物质成为了发酵的载体。

　　其三是提供了发酵场所，在固态白酒发酵过程中，酵母、霉菌等微生物伴随物料、空气、生产用具等进入发酵容器，参与发酵过程，进入发酵后期，随着生物环境酸度增加、厌氧等变化，酵母、霉菌等好氧和兼性厌氧性微生物逐渐衰亡或自溶，外源性生物因子功能逐渐弱化，而发酵“宿主”（发酵容器）中的内源性功能微生物（如梭状芽苞杆菌等）成了优势菌群，其代谢产生的酯化酶促进了产品中香味有机成分的合成。

　　1.1.2 液相－发酵场所、微生物营养载体及发酵“宿主”营养源

　　液相调节发酵微环境。在多菌种复合作用下，固态原料不断消耗，新物质持续生成，微环境的温度、湿度、酸度、糖浓度、酒精度、渗透压等会在短时间内发生较大幅度波动。发酵过程中淀粉被微生物转化为热能、酸、醇、酯等新物质。如果没有液态水，或者水分不足，热量不能及时散发和传递，温度急剧上升出现“干烧”，对微生物生理结构形成破坏；伴随代谢产物越积越多，微环境渗透压快速增加，部分微生物不再适应高酸、浓糖环境，生长代谢必定受到抑制。无论物料表面游离水，还是新陈代谢产生的液态水，都可对各类水溶性物质进行溶解稀释，并使其伴随着水分缓慢流动而逐渐转移，以促进发酵平衡。

　　液相与气态物质传输采用液－气双膜传递方式进行。酵母菌等微生物所耗用的氧气属于溶解氧，即氧气从气相主体传递到糟醅颗粒间空隙，通过糟醅颗粒表面的气膜扩张，穿过气－液界面到达液膜，被颗粒表面液膜中酵母菌所利用。所以，在固态白酒发酵中从原料到产物的整个过程，一直有液态游离水存在。固相物料提供载体和源源不断的营养物，液相则有助于营养、能量的传送，并保证发酵微环境处于相对稳定的平衡状态。

　　液相包含了大量有机酸、酯、醇类等有机物质，在发酵过程中，不断为发酵功能微生物提供营养（如窖池缺水会造成窖泥板结老化等现象），维持了宿主微生态的平衡，保证了宿主健康。

　　1.1.3 气相－发酵环境信息反馈与调节

　　不管是液态还是固态发酵，只要有通风降温，或者相关工序裸露在空气中实行开放操作，就不可能避免气态物质与该发酵过程产生关联作用。气相的形成，来源于物料本身颗粒结构，以及发酵形成的气态产物，比如CO2、CH4等。气相既可为发酵过程提供氧气、菌种，也可为后期发酵形成厌氧条件，既可实现能量传递，使微环境处于相对恒定状态，还会反馈发酵性状。

　　气相调节反应热。以浓香白酒固态发酵为例，一般情况是中下层糟醅先升温，且保温性好，而上层粮糟因接近窖皮泥，热能损失较大，温度过高过低均不利于发酵。而窖底糟中的游离水、以及易挥发的酸、醇等物质，会在高温下吸收热量形成混合蒸汽，将热能一层一层依次向上传递，使得上层物料始终保持在一定的温度范围内发酵。众所周知，酿酒房内，夏天窖房温度比生产现场平均要高2～3℃，说明水分在吸收热量后向上蒸发传递散热，从而使整个窖池内温度保持大致均衡。

　　气相反馈发酵信息。固态发酵一般都在封闭状态下进行，对其发酵过程的检测较难。仍以浓香型固态白酒酿造为例，粮糟入窖后，通常是查看温度走势、窖帽跌头、吹口大小等。而固态白酒发酵窖池中的窖泥是否老熟的一个感观鉴定指标就是“窖泥具有明显的臭皮蛋气味”，这就是窖泥中H2S气体表现出的气味。

　　综上所述，在固态发酵前期原材料主要相态为固相，但液－气―固三相同存而密不可分，三者协同作用，密切配合。控制好三相比例、转化速率及转化度，充分应用好界面效应，控制发酵过程中物质、能量的传递，是实现固态发酵过程及其产物相对稳定、控制产品质量和数量的关键一步。优化发酵过程三相比例，也有利于功能微生物的生长、繁殖，维持发酵微生态的平衡，生产出“幽雅、舒适、健康”型产品，同时促进宿主老熟。