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

​　　李家民

　（四川沱牌舍得酒业股份有限公司）

　　1 食品酿造微生态“五三”原理

　　1.2 物系－菌系－酶系的关联效应

　　在一定空间范围内以物质形态存在的都属于物系范畴，体系中存在的全部微生物构成菌系，各类微生物代谢、合成的所有生物酶形成酶系。物系、菌系和酶系三者紧密关联。固态多菌种发酵涉及的物系主要有两类：一类包含谷物粮食、辅料、酿造水等非生命物系；另一类则是在发酵过程中参与活动的菌种和生物酶以及与发酵宿主共生共栖的内源性微生物等生物性物系。本文中的物系主要指非生命物系，安全、优质的物系是微生物赖以生长、繁殖和代谢的营养底物，为菌系生命活动提供能量和营养成分，是各类生物酶得以生成的前提。

　　1.2.1 物系是固态发酵原料和环境

　　发酵宿主是最重要的物系，而菌和酶也是物系的重要部分。著名的巴斯德实验说明，菌系依赖于相应物系而存在，物系必须有适宜的菌系才能发生改变。在制备曲药时，若仅仅只有淀粉质原料而没有菌种，则淀粉不可能自行发酵转化成曲药，这也是新曲房不易“穿衣”的一个原因。从这个角度讲，微生物应该算作是制备曲药的一种重要原料，同时，当曲药以原料形式被加入到粮糟后，一方面为粮糟增添各种风味成分及其前驱物质，更重要的是提供种类多、数量大的微生物群落，为粮糟的糖化、发酵、生香提供足够动力。

　　菌系和酶系动态地改变物系。固态发酵过程中，淀粉、蛋白质、脂肪等原料在微生物及其分泌的酶作用下，经过一系列酶解或合成反应，变成醇、醛、酸、酯等。有一种比较形象的说法是“糖化靠霉菌、发酵靠酵母、生香靠细菌”。微生物对原料中蛋白质、糖类、脂肪等的分解过程可概括如图1。

　　物系变化过程也是发酵物质流动的过程。以固态白酒淀粉发酵为例，在发酵前期，氧含量充足，酵母菌、霉菌等好氧微生物在有氧状态下大量生长繁殖，淀粉类物质在淀粉酶的作用下，分解为糖类物质。在发酵中期，进入微氧环境，酵母菌发挥发酵的主要作用，将糖类物质继续分解为醇和酸类物质及其它酯类前体物质。在发酵后期，在厌氧条件下，梭状芽苞杆菌成为优势菌种，在酯化酶的作用下，将酸、醇类物质合成酯类香味物质。整个白酒生产的过程也是物质流动和能量流动的过程，前段微生物发酵产生的物质成为了后段微生物的发酵底物和营养成分，在实现了有机物料的分解和有机成分的合成的同时，也促进了相应阶段优势微生物的生长、繁殖、代谢。随着原有物料逐渐减少，产物浓度不断增加，发酵环境中有益微生物逐渐繁殖富积，整个物系始终会处在一个动态变化平衡过程中。

　　物系影响着菌系和酶系。微生物进行生长繁殖和代谢活动，需要充足营养源和适宜环境条件。没有营养源，菌种不可能成活；环境温度过低或过高，水分过少，菌种要么进入休眠状态自我保护，要么面临死亡；在环境酸度或溶液渗透压发生剧烈波动时，也会严重抑制微生物正常活动。没有物系则不存在相应菌系和酶系；物系一旦发生较大变化，则环境中菌系和酶系必然发生相应变化。在固态白酒发酵中,人们充分利用物系可影响菌系和酶系的特点来抑制无益菌、平衡辅助菌、繁殖有益菌（如窖泥人工老熟技术的应用）。

　　1.2.2 菌系是发酵的动力

　　固态发酵多属于开放式操作，在菌种制备及酿造过程中,空气、水、原料、辅料、工用具以及四周环境会带入或富集种类繁多、数量丰富的微生物，常见的有细菌、霉菌、酵母等，既含有益微生物，又有大量杂菌，它们共同构成限定空间范围内的菌系。

　　微生物生存和繁殖需要一定外部条件，包括温度、湿度、通风状况、环境营养源、微生物群落构成等，不同香型的白酒生产场地在不同季节、环境下微生物数量具有不同的特性。在一般情况下，空气中细菌较多，原料中霉菌较多，生产场地酵母菌较多，制曲过程中的微生物，主要来源于生产环境和原料。酱香曲中以细菌最多，酵母、根霉、毛霉等较少；酿酒现场的微生物，以酵母和细菌最多，霉菌次之，并会因季节不同而出现一定差异，即细菌冬天多夏天少，霉菌和酵母菌则夏天多冬天少。

　　霉菌是将淀粉质原料转化成葡萄糖的菌类，其糖化力强，繁殖速度快，热稳定性好，耐酸，耐酒精。霉菌生长繁殖主要条件之一是必须保持大量的水分，常见霉菌有曲霉、根霉、毛霉、青霉、红曲霉等。酵母菌形态简单，种类较多，有出芽繁殖、孢子繁殖、接合繁殖等3种方式。在白酒生产中，酵母菌主要有酒精酵母、产酯酵母、假丝酵母等。细菌有球菌和杆菌两种类型，常见细菌有乳酸杆菌、醋酸菌、丁酸菌等。细菌在高温堆积和高温发酵过程中产生相应酶系，代谢产物对白酒香型和风味具有特殊作用，适当引入细菌可克服白酒后味不足的缺陷。

　　1.2.3 酶系是固态发酵催化剂

　　任何活细胞都能产生各种各样的酶，生物体中的化学反应，几乎都是在酶的催化下进行的。

　　酶具有选择性 。Yong K. Park等人用生玉米淀粉和薯类淀粉做发酵试验，表明玉米和木薯淀粉不管是否经过蒸煮都能发酵，马铃薯淀粉未经蒸煮则不能有效发酵，显然是因为淀粉结构引起的，说明酶系对物系具有选择性。

　　酶促进生化反应。酶作为一种生物催化剂，可使生化反应的能阈降得更低，使原本需要升温供能才能形成的活化分子在较低温度下也能大量形成，从而使原本需高温才能进行的有效反应在低温下也能顺利进行。在高温制曲中的美拉德褐变反应、焦糖化反应等，在非酶参与下要有100℃以上高温才能进行，当有微生物和酶参与时，在65～68℃左右就能发生上述反应。目前已证实，在高温大曲中对美拉德反应起较强催化作用的酶，是由地衣芽孢杆菌所分泌的生物酶。

　　酶活与物系环境。酶在参与反应时，受到温度、pH值、抑制剂等物系条件的影响较大，酶具有活性，一方面会极大地改变环境物系，同时酶活性也会受到环境物系许多因素制约。

　　在整个发酵过程中，通过微生物和生物酶在物系中的流动，实现了有机原料的分解和有机成分的合成，有益微生物也实现了生长、繁殖、代谢过程，同时也促进了微生态系统中物质、能量、信息的传递。

　　1.3 微生物繁衍规律，菌种－种群－群落

　　多菌种固态发酵中，微生物以个体参加代谢、以群落效应呈现。每个微生物个体属于一个菌种，在一定空间里同种个体集聚形成种群，因而菌种与种群是部分和整体的关系。

　　1.3.1 微生物菌种

　　酒类酿造采用多菌种天然发酵，多种不同的菌种是指DNA同源性不小于70%或16S rRNA同源性不小于97%的微生物。微生物虽然个体微小、结构简单，但不同种类微生物的细胞基本结构并不相同。固态发酵常见微生物主要分为细菌、酵母菌、霉菌，虽然其个体微小、细胞结构简单，但却存在本质性区别。这决定了不同种类微生物的生活特性、代谢功能、繁殖方式不同，自然决定了各自所形成的种群差异。

　　1.3.2 微生物种群

　　在同一区域范围或相对隔离的体系内，大量同种微生物个体聚集在一起即形成种群。微生物种群虽然由同种个体组成，但并不等于单个数量简单相加，具有一些“群体特征”，比如种群密度、菌龄组成、生长速率等。凡能影响种内单个微生物的一切因素，均能对整个种群起到同等影响作用。

　　在固态发酵中，应用较多的微生物是细菌、酵母菌和霉菌。单个微生物作用力非常有限，生产上主要关心微生物种群数量动态变化引起的群体效应，包括增长、波动、稳定和下降。

　　微生物种群的数量变化均以S型曲线呈现，说明相对封闭体系内，受营养资源限制，以及代谢产物反馈抑制，同种微生物数量不可能无限增加，即自然状态下“种群密度”存在一个上限值。在生产中，根据需要进行调节，需要菌种大量繁殖时就持续补充营养，需要底物尽量转化时就稀释代谢产物浓度。

　　同一栖息环境中所有微生物种群通过各种方式相互关联，比如共生、竞争、拮抗、抑制等，从而形成一个动态变化的微生物群落。影响微生物生长的因素较多，主要有营养条件、温度、酸碱度、氧气、有毒物质及辐射等。

　　1.3.3 微生物群落

　　随着生物化学及分子生物学技术的发展，微生物群落的研究方法取得了长足进步，目前主要的研究方法有生物标志物法、分子生物学方法及传统培养等方法。微生物种群虽然体现出微生物数量的群体效应，但其种类单一，局限性明显。例如固态白酒发酵中，假定只接入酵母菌种，由于酵母只能利用糖分而不能代谢淀粉，在初期将糟醅中残糖利用完后，淀粉不会自行降解，酵母代谢的上游物料（如糖分）无法持续获得，下游代谢产物（乙醇等）不能有效稀释。可见，在任何一个系统中，单一的种群不可能长时间稳定存在。

　　在固态发酵过程中，由空气富集、原料自带、工用具吸附、曲药接种等，多种微生物种群自然组合成一个庞大的微生态体系，即微生物群落。固态白酒发酵中主要有固态曲微生物群落、窖泥微生物群落、糟醅微生物群落等几种典型微生物群落。“五三”原理在固态发酵生产中的研究应用，其实质就是研究和总结微生物及群落在各个生产环节的作用，同时通过优化生产工序培养优势菌群，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，保证酿造微生态系统平衡和宿主的安全、健康。