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“五三”原理比较简析
来源: 2016-04-07 00:00 我要评论(0)
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“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

李家民

(四川沱牌舍得集团有限公司   四川   射洪   邮编:629200

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相类似的规律性。同时,二者都通过优化选择性富集微生物的生长、繁殖、代谢实现微生态体系的平衡,确保主要代谢产物的安全、健康、优质、高产、低耗和“宿主”的安全、健康。通过比较简析,促进对食品的体内和体外发酵研究互鉴互学,为以后对人体消化道微生态规律性的更深入研究提供借鉴,同时将人体消化道微生态平衡理论导入食品酿造中,为进一步深入研究食品酿造微生态自我调节、自我修复功能和方法提供科学参考。

关键词:生态酿酒(造);微生物;微生态;五三原理;互鉴互学;优化选择性富集;自我调节和修复;安全;健康;优质;高产;低耗;信息;能量

Comparison and analysis of "five- three" principle Study on microecology of food brewing and human digestive

Li Jiamin

Sichuan Shehong  zip code: 629200

 Abstract: food brewing widespread "solid - liquid - gas phase transition, the bacteria to the community of ecological succession, system - strains enzyme system of interrelated, aerobic and micro oxygen, anaerobic metabolism process, the temperature of system corrosion, quite and slowly falling orderly change" and "the five principles and three levels" rules, the human digestive tract of food fermentation also has similar regularity. Also the two through optimization of microbial growth, reproduction, metabolism micro ecological system balance, ensure the safety of metabolites or "host", healthy, high-quality, high yield, low consumption.Through comparing the analysis, the research on the food and the  vitro fermentation of the food is provided for reference. At the same time, it will provide a reference for the further research on the micro ecological balance of human digestive tract.

 Keywords:brewing ecotypicallymicroorganism, microecosystem, "five- three" principle, mutual learning each other to learn, Optimize the selective enrichment, Self regulation and restoration, safety, Health, dominator, high yield, low consumption, information, energy

引言

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[[1]]。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、微生物的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--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PMgKSCa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、生产工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CO2CH4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[[2]],同时促进宿主老熟。

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下图。

 

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)[[3]]

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%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。

1.4 固态发酵体系温变规律

    在固态发酵中,整个过程可以划分成三个阶段,第一阶段酵母等微生物生长、繁殖旺盛,体系温度升高;第二阶段进入主发酵期,微生物代谢旺盛,物系变化非常迅速,体系温度处于顶峰且持续时间长;第三阶段主发酵期过后,大量酵母类微生物死亡,窖内兼氧性和厌氧性微生物(如、乳酸菌、梭状芽苞杆菌等)成为了优势菌群,主导产酸、产酯和生香,窖内温度逐渐下降并趋于稳定。经实践总结发现:伴随着微生物代谢活动的不同时期,正常情况下微环境温度均表现出明显的“前缓-中挺-后缓落”特征。比如制曲过程中曲块温度变化、酱香粮糟堆积过程中糟堆温度变化、窖内发酵时糟醅温度变化等均符合固态发酵温度变化特征,且温度变化规律从宏观上反映出相关微生物的活动状态,从而为生产提供指导。

1.4.1 制曲过程的温度变化

    在固态白酒制曲培菌过程中,曲坯成型入房后,处于一种富氧、低温、高湿、营养物丰富的环境,曲坯含有大量原料伴生微生物和从环境中富集的大量细菌、霉菌和酵母菌等功能性微生物,快速生长、繁殖和代谢,产生大量热能,曲块品温逐步上升。长时间持续高温,导致曲块水分快速散失,酵母大量死亡,霉菌和细菌产生的孢子在曲块中留存下来。在后期曲坯中存活的微生物数量急剧减少,代谢活动大幅度减弱,曲块品温缓慢下降。整个曲块培菌过程中品温表现为“前缓—中挺—后缓落”的特征趋势,准确地反映出曲坯中微生物生长繁殖及代谢活动特征。

1.4.2 酱香粮糟发酵温度变化

    在酱香型酒固态发酵过程中,粮糟经取酒、降温、拌曲后并不直接入窖,需要在生产现场上堆积发酵一段时间。在堆积过程中,对表层、中层、底层分别测温,粮堆表层升温比中层快,中层糟升温速度比底层糟快,整个粮堆在前期升温幅度偏小,随着堆积时间延长,升温速度加快。粮糟堆积到50左右之后进行翻拌以散热降温,整个粮堆温度变得均匀一致。粮糟入窖初期,窖内氧气充足,营养物丰富,微生物大量繁殖,代谢活动旺盛,所产热能丰富,糟醅温度迅速回升,在相当一段时间内表现为热量生成与散失保持平衡,即综合温度出现“中挺”现象。随着时间推移,富氧条件向微氧和无氧条件转化,微生物特别是酵母的厌氧代谢逐渐占主导,微环境酒精度、酸度快速增加。发酵后期,由于微环境的改变(酒精度、酸度增加等)以及微生物酶参与的各类反应逐渐表现出较强反馈抑制现象,大部分微生物代谢活动逐渐减弱甚至停止,窖内糟醅热量缓慢散失,综合温度表现为逐级“缓慢回落”。

1.4.3 浓香粮糟发酵温度变化

浓香型白酒固态发酵窖内温度走势影响因素较多,包括酸度、水分、温度、糠壳、糟醅、淀粉、曲药等,从而导致窖内发酵温度走势差异化,根据物系-菌系-酶系的关联性,结合生产经验总结,窖内温度变化符合“前缓-中挺-后缓落”特征才属于产量质量双优的典型走势。凡外界因素导致窖内温度走势未符合“前缓-中挺-后缓落”规律的,其出酒率或酒质口感等会受到明显影响。

1.5 封闭系统的氧变规律

    固态白酒发酵的气相所含物质由三大部分组成:一部分是在发酵过程中直接生成的气态物质,比如CH4CO2H2S等;一部分是由低沸点产物挥发而形成,比如醇、醛、酸等;更多则是在生产操作流程中,由开放式操作自然带入的气态混合物,成分与空气一致,主要是N2O2以及部分CO2N2CO2性质不活泼,而氧气则会积极地参与发酵过程中的系列生化反应,并不断促进或改变固态发酵进程。

1.5.1 发酵前物料氧含量

    固态发酵的物料呈大小不等、形状不规则的颗粒状,在实际操作中,通过添加高温水、增加辅料、不断翻拌等系列措施,使物料疏松,颗粒间形成非常大的空隙,被空气自然填充,此时物料氧含量丰富,其绝对值在整个发酵过程中处于最大状态。氧浓度分布与物料特性有关,如果物料硬度高,压缩形变小(比如清香酒酿造和酱香酒酿造),只与辅料用量和物料松紧度有关。

1.5.2 封闭系统中氧含量变化趋势

    多菌种的固态酿造,涉及微生物包含细菌、霉菌、酵母菌等。各类微生物的生活习性、繁殖代谢各有特点,仅就对氧气的需求来说,细菌中乳酸菌属兼性厌氧菌,醋酸菌是典型好气杆菌;酵母菌在有氧条件下生长繁殖,无氧条件下厌氧发酵;霉菌生命力非常强,在潮湿、有氧气条件下即可生存。

制曲氧含量变化。制备固态曲时,部分溶解氧、细菌、霉菌、酵母菌等通过开放式操作,伴随水分一并进入曲坯内,其氧含量处于饱和状态。单个曲坯进入曲房后形成一个小封闭系统,丰富的菌系利用碳水化合物、蛋白质、无机盐、氧等进行一系列繁殖代谢并产生大量热能,促使曲坯品温逐渐升高,水分不断散失,氧气不断消耗减少,曲坯内的微环境逐渐进入微氧、厌氧状态。在曲坯内的微环境中,细菌、霉菌、酵母菌等微生物均经历了一个由好氧状态→微氧状态→厌氧状态的过程。

粮糟堆积过程氧含量变化。酱香生产中拌曲后、堆积前的粮糟,团糟温是细菌、酵母、霉菌适宜的代谢温度。堆积后,粮糟中的细菌、霉菌开始繁殖代谢耗氧。随着堆积时间延长,糟堆内部的氧气含量随着时间的推移将逐渐减少。

窖内封闭系统氧含量变化。浓香型粮糟入窖时温度较低,所添加曲药是经自然接种并储存后的干曲粉,内含大量的酵母菌、细菌、霉菌等菌种,由于长期脱水处于休眠状态,添加曲粉后,微生物会先吸收水分活化。此时糟醅中氧气丰富,氧气含量较高,浓度约为21%,酵母菌和霉菌在有氧条件下进行大量繁殖,进行呼吸作用而耗用掉氧气,氧浓度逐渐降低,直至窖内呈现微氧和厌氧状态。生产实践发现,氧变规律还与窖池深浅、糟醅泡气度有关。总体而言,在封闭体系中,氧浓度呈现“底部低、顶部高,四周低、中间高”的非均相分布特点。这也符合生产环境用空气自然沉降厚平板法测得的“上层好氧霉菌多、中层兼性厌氧菌多、下层厌氧菌多”的微生物分布规律。

1.5.3 氧浓度在白酒酿造中的作用与调控

    含氧量影响窖内升温。从固态白酒发酵窖池查温结果可以看出,窖底糟虽然踩窖较稀,但其所承受的母糟重量大,糟内空气稀薄,含氧量少,酵母前期生长繁殖速度较慢,形成“前缓”,但后劲足,表现为“中挺”;而上层糟因受外界温度影响较大,散热较快,导致顶温偏低。

    调控含氧量提升酒质。通过生产经验及数据总结,凡是浓香型窖池上部糟醅,其酒质均相对较差,而靠窖池下部的糟醅产酒质较好。一直以来,人们将底糟酒质量较好全部归结于窖底泥的质量。经大量对比发现,其中一个重要原因是所产酒质较好的母糟入窖后踩窖较紧,排挤掉糟中大量空气,通过缓耗氧、慢升温、缓发酵的控制技术实现了提升酒质的目的。

调控含氧量促进窖泥老熟。浓香型酒生产窖池,随着窖龄的不断增加,窖泥质量会出现明显分化,表现在窖底泥和底部窖墙泥色泽逐渐转深,泥质越来越好,但上半部窖墙的泥质改变却不明显。对浓香窖泥的研究可知,越接近窖底的部位,厌氧条件越好,窖泥越易于老熟,厌氧微生物越多,窖泥的质量越好,说明厌氧条件有利于窖泥的不断老熟。

综上所述,不同微生物有着不同的氧需求,即使同一菌种的微生物在不同生长期对氧需求也不尽相同。固态白酒生产,都是属于典型的厌氧发酵,其窖内发酵过程均遵循同样“好氧-微氧-厌氧”的变化规律。

1.6 食品酿造微生态系统具有自我调节、自我修复功能,也可人为优化其免疫特性和自愈力

1.6.1 微生态系统的自我调节和修复

    食品酿造就是通过对微生物进行大量的生长培养,促进生化反应,从而产生和积累大量人们所需代谢产物的过程。在该过程中伴随着微生态环境的变化,微生物系统通过自我调节完成生长、繁殖、代谢,其自动修复功能的强弱就决定了正常微生物群的优势性,也同时影响代谢产物的种类、质量和数量。

    微生物代谢的自我调节有酶合成的调节、酶活性的调节两条途径。酶合成的调节是指微生物细胞在诱导物的刺激下而产生的一种称为诱导酶的酶,这些诱导酶能将一些微生物本身不能利用的物质进行利用而促进微生物的生长;酶活性的调节是指微生物通过改变已有酶的催化活性来调节代谢的进行,即微生物在大量生长繁殖后将产生大量的代谢产物,过量的代谢产物通过反馈抑制第一种酶的作用而抑制代谢过程的顺利进行[[4]]。在实际生产中,如固态白酒发酵在发酵的初级阶段,酵母、霉菌等微生物在好氧条件下大量生长、繁殖,促进糖酵解(EMP过程),产生大量的能量和糖类物质,消耗系统中的部分氧气而进入兼性厌氧环境,同时体系温度升高,环境条件变化反过来又抑制了好氧微生物的生长并导致部分微生物自溶,最后达到微生态的平衡;在发酵中期,温度稳定,环境兼性厌氧,体系进入酒精发酵和酸发酵阶段,产生大量的醇、酸及其它酯的前体物质,随着发酵深入,产物增多,酵母等微生物衰亡;发酵进入后期,系统进入厌氧阶段,芽孢杆菌类厌氧微生物成为优势菌群,促进酯类物质的合成。这些都体现了发酵过程中整个微生态系统的自我调节功能。

食品酿造(如固态白酒发酵)多采用分轮次投料、轮轮产出的自然发酵生产方式,通过每轮次的生产,表面上看影响了发酵微生态环境系统,但每轮次能生产出同等质量的合格发酵食品,这从本质上就证明了食品酿造微生态具有较强的自我调节和自我修复功能,也表明了发酵“宿主”中内源性的生物群落和生产环境中富积的正常微生物群落成为优势菌群保证了微生态的平衡,如固态白酒发酵形成“千年老窖万年糟”的微生态系统。

1.6.2 提高酿造微生态系统的“免疫”特性

在食品酿造过程中,通过对酿造原辅料进行科学的配方,采用相应的生产工艺技术,同时对发酵物料固-液-气相的控制,从源头上优化酿造生产微生物所需的“营养”,提高酿造微生态系统的初始“免疫”能力,促进有益微生物生长、繁殖、代谢,优化发酵过程中物系、菌系、酶系、温变、氧变等可控性状,维持微生态系统的平衡,实现酿造微生态系统中正常的物质、能量、信息的流动和传递,最终达到安全、优质、高产、低耗的生产目的。例如在固态发酵酿酒投新窖时,用老窖池中的优质红糟投窖并辅以“一清到底”的生产工艺,可实现新窖池三轮后(一年四轮生产)出好酒。而用丢糟、面糟投新窖或采用“跟锅串”的传统工艺生产时,需用三年以上的时间才能生产出同等优质的基酒。

1.6.3 微生态系统的人为干预

在食品酿造过程中,为了保证生产质量和生产效率的稳定,都对外源性微生物制剂的生产和使用方法(如曲药的生产和使用,冷加热减)、酿造生产操作工序要求(如酿酒生产操作规程)、生产工艺参数控制(如固态白酒生产工艺规范)、操作关键控制措施(如生产质量控制清单)、生产环境控制(如清洁生产)等均作出了明确的规定和要求,这就是用人为因素干预微生物的生长、繁殖、代谢,人为优化优势菌群环境,以确保发酵质量,维持发酵微生态平衡,促进发酵“宿主”健康成长(如酿酒窖池逐年老熟)。

1.6.4 提高酿造微生态自我调节和自我修复能力的方法

在食品酿造过程中,发现用同样的生产工艺、同样的原辅料的投入、同样的生产条件,但最后的生产结果却不尽相同,这表明不同的发酵“宿主”表现出了不同的个体特征,这也说明在酿造生产中不同的微生态系统表现出的调节和修复能力具有较大的差异性。对此现象,可以采取相应的措施提高微生态系统的自我调节和修复能力以保证微生态平衡。如逐轮投新料增加营养、调整原料配方适应微生物培养、调整发酵体水份含量调节环境pH值、加强发酵“宿主”养护增强内源性生物群落活性、部分生产原料或生产环境采用高温方式灭菌减少杂菌感染、酿酒窖池养窖护窖压窖保窖泥质量、欢快的音乐和声波促进微生物活力(都市晚报,201064)等。通过对不同微生态个体进行分析,并针对性地采取不同的方式提高不同酿造微生态的自我调节和修复能力,保证和维持微生态的平衡。

1.6.5 微生态系统具有预防优于纠偏、纠偏优于整改的属性

酿造微生态系统的优劣决定了生产是否符合“安全、优质、高产、低耗”的最终目标,在具体的生产管理活动中,通常应把“安全生产、质量控制、优质服务”纳入质量管理的“大质量观”控制体系中。在本公司质量管理活动中,从源头上梳理“安全危险源、质量缺陷源、服务抱怨源”的“三源”管理清单,防患于未然,并将“三源”清单项目细化到酿造食品过程控制的各相关环节,以利于提供微生物生长、繁殖、代谢的最佳条件,确保了微生物发酵就保证了微生态的平衡,为实现“安全生产零事故、质量管理零缺陷、服务质量零报怨”的“大质量”目标打下基础;同时在过程控制中采用“从农田到餐桌的全过程良好作业规范体系”,简称“生态酿造全P体系”。通过源头上预防和过程严格控制,减少或消除因生产结果质量不合格而采取的整改措施(即质量管理预防和纠正措施)。

2 人体消化道微生态特征

人体微生态是研究人体正常微生物群与其宿主相互依赖、相互制约规律的科学,它涉及人体与其内环境(包括微生物、生物化学和生物物理环境)和外环境相适应的问题,与人类健康密切相关[[5]]。消化道微生态是人体微生态中最重要的组成部分,是体内微生物定植的主要场所。人体摄入食品后,通过消化道内的微生物群和机体产生的酶对食物进行分解消化,形成可被利用的养分供肌体吸收。食品消化过程伴随微生物的发酵利用,在该过程中表现出了相应规律性。①消化道内的食品发酵固相-液相-气相演变,三相在各阶段互为条件;②特定的微生物群与消化道器官相适应,体现物系-菌系-酶系的动态平衡;③微生态体系中的微生物从菌种到种群到群落体现了定位(分布)、定向、定量的特征[[6]];④消化道内氧化还原电势从好氧-微氧-厌氧的变化,整体表现为对优势厌氧菌群生长有利;⑤人体具有自我调节和修复功能,表现出人体的恒温特性,这与自然条件下的食品酿造具有较大区别,但发酵过程中的pH会发生改变。在整个食品发酵、消化、吸收、排泄过程中,主要表现出了消化道内微生物群的定位、定性、定量规律。通过对人体消化道微生态的研究,目的就是为了优化消化道内有益微生物的生长、繁殖、代谢,从而保证人体营养物质的安全、健康、优质,同时抑制有害菌的生长,维持人体微生态平衡,保证人体的安全、健康。

2.1 不同物相对消化道微生态的意义

物相变化在消化道微生态中无处不在。食品摄入后,通过牙齿碎细、微生物分解和机体分解酶的作用,形成可供机体吸收和微生物利用的营养成分。残留的废弃物与微生物残体再“固化”排出体外。整个过程都呈现出了固-液-气的变化规律,并在特定过程中互为条件。

2.1.1 固相是消化道微生态的主体

消化道微生态的固相包括宿主吃入的固体食物、半消化的食物及人体消化道器官等呈固体状态的物体,是消化道微生态的主体,除微生物群落以外的固相物质是微生物的生命载体以及营养和能源的主要来源。人体消化道系统为微生物提供了良好的宿主环境,而微生物所需的营养和能量几乎全部来自于宿主所摄入的食物[[7]][[8]][[9]]。人体并不能直接消化代谢所有的摄入物,消化道微生物和人体器官产生多种酶将胃肠上部未被消化和吸收的物质如淀粉、非淀粉类多糖( 纤维素、半纤维素、胶质)、糖醇、非消化低聚糖等转变成宿主可以吸收利用的物质,为肠上皮细胞和其它细菌提供能量[[10]]。此外,固相物质如PMgKSCa等元素,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。

2.1.2 液相是消化道微生态的调节剂

液相物质包含人体摄入的水、液体类食品、人体器官分泌的液体类物质及食物分解后形成的液体类物质。它是微生物及宿主的直接营养利用形式及微环境调节剂。

固型物通常不能被宿主及微生物直接利用,例如糖类是细胞重要的能量来源,结肠微生物菌群通过产生多种酶类使其生成乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸( SCFAs)。结肠上皮细胞优先利用丁酸为其能量的提供者,被认为是决定结肠上皮细胞的代谢活性与增殖的关键营养因子。乙酸存在于肝血流中,主要通过肝脏的代谢,其他器官如脑、心脏与骨骼肌也有乙酸代谢。丙酸在肝脏中主要是用作葡萄糖异生作用的底物,如果干扰丙酸的合成可以降低肝脏产生胆固醇的水平。宿主每天所需能量的7%8%是由肝脏和肌肉对SCFAs的进一步代谢来提供的。细菌发酵产生的SCFAs 能降低肠腔内的pH值,进而抑制致病菌生长,减少毒性物质如铵、胺和酚类化合物的形成,并能抑制某些腐败菌酶的活性[[11]]

2.1.3 气相是消化道微生态平衡状态的指示剂

气相包含人体吃进的气体、通过肺吸入的气体、体内分解产出的气体等,影响消化道微生物群落构成、反应并调节宿主健康状态。

气相物质,尤其是氧含量,深刻影响着消化道中微生物群落的分布。消化道微生物通过代谢分解营养物可产生CO2和挥发性脂肪酸等,主要作用之一即是帮助膨胀排泄物,利于宿主排便。微生态环境气相状态反映了宿主的健康状态,如呼气有异味,表明胃肠消化不良有积食;放屁过多,则说明宿主摄入过多淀粉类物质;放屁很臭,则说明宿主摄入过多蛋白质类食物;长时间不放屁,则宿主的胃肠道可能发生了病变。通过排气状况,人可以实时判断自己的健康状态并作出相应的调整和治疗。

2.2 人体消化道微生态中的“物系-菌系-酶系”相互关联

物系、菌系、酶系的本质都是物质,我们将除菌系和酶系之外的物质统称为物系。宿主是消化道微生态中最重要的物系。同时,宿主能通过各器官的协同作用,自动实现体内物质流、能量流、信息流的传递,并影响体内菌系、酶系的动态性状,维持人体微生态的平衡。

2.2.1 物系是菌系进行生命活动的根本

宿主为消化道微生物提供适宜的栖息环境,并让某些微生物长期定植于特定的部位。从某种意义上说一个健康的成年人是由包括微生物在内的诸多物种组成的复合体,宿主及微生物之间的相互作用,保证了人体的正常生命活动 [[12]]。人体除了为消化道微生物提供定植生长场所外,最重要的作用即是通过进食为微生物提供营养和能量,如不可消化的糖类是结肠微生物群落重要的能源。以口腔为例,唾液为口腔内各种微生物的生长繁殖提供了良好的天然培养基,而且口腔内特殊的环境, 如适宜的温度、湿度、营养源、过氧化物酶系统、特殊的解剖结构和理化性质等,也为口腔内各种微生物的生长繁殖提供了适宜的宿主环境[[13]]

物系是微生物群营养源,同时也是化学能的运载工具,是微生物维持生命活动所进行的生物化学过程的结构基础,如果没有物质作为能量的载体,能量就会自由散失,如果没有物质满足有机体生长发育的需要,生命就会停止。人体消化道中正常微生物群的能源和物质均依赖于宿主,正常微生物群与宿主通过降解与合成进行物质交换,裂解的细胞细胞外酶可为微生物利用,此可视为宿主向正常微生物群的物质流动。

微生态系统中的最初能量来自宿主。在消化道微生态系统中,正常微生物群与其宿主,微生物群与微生物群之间,就是通过能量的转化、传递紧密地联系起来的。能量的流动是微生态系统的重要功能之一,没有能量的流动,就没有生命,也就没有微生态系统的存在,能量是微生态系统中的动力,是一切生命活动的基础。

2.2.2 物系影响菌系和酶系的构成

人体摄入糖类的变化可能在很短时间内影响结肠特定群体。益生元(如低聚木糖、低聚半乳糖,低聚果糖等)促进肠道内双歧杆菌选择性增加,高脂饮食使得拟杆菌数目减少,厚壁菌门和变形菌门的菌种数量增加。益生菌在营养物质有限的情况下,通过其优势生长,竞争性地消耗致病菌的营养素,从而维持胃肠道微生态的动态稳定,保证宿主机体健康[[14]]

酸是影响消化道微生物分布的重要影响因素。从口腔接近中性的环境到胃的酸性环境(pH2.5-3.5)对多数微生物有破坏作用,此时每克消化道内容物中微生物的数量为10000,而且主要以革兰氏阳性的链球菌、乳杆菌和酵母菌等需氧菌为主。进入十二指肠后,由于消化液的增加(如胆汁、胰液)以及停留时间短,十二指肠的环境非常不利于各种微生物的生存,此时微生物的组成不稳定,仅以极低的限数存在。进入空肠和回肠后,微生物的数量开始增加,而且种类也在不断增加[[15]]。双歧杆菌、乳酸菌能增加人体对致病菌的抵抗力,防止多种疾病,是典型的益生菌。它们发挥益生作用的重要方式之一就是发酵糖类产生大量有机酸,使肠内处于酸性环境,从而阻止了致病菌的入侵、粘附和定植,有助于促进肠道的运送和排空能力,维持正常生理功能[[16]]

2.2.3 菌系和酶系动态地影响物系

消化道微生态对保持人体生理健康发挥着重要的作用。①屏障作用。双歧杆菌与肠粘膜密切结合,占据肠粘膜表面,形成完整的生物学屏障,致使有害细菌及病毒进入肠道后无法定植;②营养作用。双歧杆菌、乳酸杆菌等能合成多种人体生长发育必需的维生素,如B族维生素(其中双歧杆菌产生的维生素B1为人体不能合成的必需元素之一),维生素K,烟酸、泛酸等,还能利用蛋白质残渣合成非必需氨基酸,如天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸等,并参与糖类和蛋白质的代谢,同时还能促进铁、镁、锌等矿物元素的吸收。消化道微生物发酵产生的短链脂肪酸(SCFAs)中丁酸尤为重要,它可以作为结肠上皮细胞新陈代谢的能源;③消化作用。正常菌群可产生分解糖、脂肪、蛋白质和纤维素等营养物质的消化酶,从而促进其分解为小分子物质,有利于机体吸收。比如双歧杆菌和乳酸杆菌等益生菌可利用本身所特有的一些酶类(如半乳糖苷酶等)来补充宿主在消化酶上的不足,帮助分解消化道内未被充分水解吸收的营养物质。肠道微生物还可以明显的促进亚油酸的吸收,促进胆固醇向类固醇的转化;④代谢作用。微生物菌群的代谢产物作为信号分子影响宿主的代谢。胃肠道菌群通过细菌酶的化学反应对外源性及内源性的物质进行代谢。细菌的β葡萄糖醛酸酶、硫化酶对许多化合物的肝肠循环起重要作用。胆红素、胆汁酸、雌激素、胆固醇等的肝肠循环中,胃肠道微生物参与了其大部分过程;⑤免疫作用。正常菌促进免疫器官的发育成熟。在无菌动物的胃肠黏膜上,淋巴细胞较少并且血液中免疫球蛋白的浓度较低,但把无菌动物暴露于普通条 件下,淋巴细胞的数目迅速增长,血清中免疫球蛋白的浓度上升[[17]][[18]][[19]][[20]][[21]]。实验也发现双歧杆菌能激活机体的吞噬活性,促进特异性和非特异性抗体的产生。乳酸杆菌促进辅助性T细胞的发育,诱导产生多种细胞因子预防 IgE 介导的过敏反应[[22]]

当胃肠道微生态遭受破坏发生改变时,人体健康状况也发生变化,如发生维生素缺乏症、内毒素血症、肥胖、癌症等。

2.2.4 消化道微生物产生多种酶类参与宿主的生理功能

正常菌群可产生分解糖、脂肪、蛋白质和纤维素等营养物质的消化酶,补充宿主消化酶的不足。如双歧杆菌具有磷蛋白磷酸酶,能分解奶中的α-酪蛋白,提高蛋白消化率。消化道微生物群落还能产生NH4+同化相关的谷氨酸脱氢酶、谷氨酸合酶、谷酰氨合成酶等。细菌的β葡萄糖醛酸酶、硫化酶对许多化合物的肝肠循环起重要作用。

2.3 人体消化道微生物生长定植过程中的“菌种-种群-群落”规律

研究表明,婴儿出生时处于无菌状态,在出生后几天之内,微生物总数就超过婴儿体细胞的总数[[23]]。微生物进入人体并定植于不同部位的方式目前尚不清楚。

2.3.1 微生物菌种

消化道内菌种可以分为三种类型:①共生性细菌是主要菌群(>90%),宿主终生携带,主要为专性厌氧菌,包括球菌、丙酸菌、乳酸菌及双歧杆菌等。②机会性细菌约占10%,与宿主共栖,包括无病原性的大肠埃希菌、链球菌及肠球菌等。③致病性细菌含量极少(<0.01%),是致病性菌群,包括梭菌、葡萄球菌、假单胞菌、病原性大肠埃希菌、弧菌及部分真菌。

消化道内的微生物具有定位、定性、定量的特征。①定位指同一种群,在原位是原籍菌,在异位就是外籍菌。原籍菌与外籍菌在生物学上是相同的,但在生态学是不同的。原籍菌在原籍是有益的,如果脱离了原籍,转移到外籍,变成了外籍菌就可能是有害的。如同是大肠埃希菌,也有定居在肠道和定居在尿道之分。定居在肠道没有尿素酶,定居在尿道的就有尿素酶。②定性是指微生物群落中的分离与鉴定,就是确定种群的种类。定性检查应包括微生物群落中的所有成员如原虫、细菌、真菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体等。③定量是指对生境内的总菌数和各种群的活菌数的定量检查。在呼吸道查到少量大肠埃希菌并不足为奇,但如果占优势就会引起宿主发病。在肠道,厌氧菌应占绝对优势。如果这个优势下降或消失,就会导致微生态平衡的破坏。

2.3.2 微生物种群

微生物一旦进入体内,且未被免疫系统清除,就开始在人体不同部位形成菌群。微生物菌群既有生理性组合,也有病理性组合,生理性组合的肠道菌群对机体是有益的,而病理性组合的肠道菌群对机体则是有害的[[24]][[25]][[26]][[27]]

人类口腔中栖息着 5个门的细菌和1个门古菌,共约700种,种类上接近大肠;食道粘膜上可检测到6个门的95种细菌;胃粘膜上可检测到8个门128种细菌;大肠肠道中栖息着800多种微生物,包括9个门的细菌和1个门古菌。优势菌群的不同反应或影响着人体的健康状态。

人体消化道内的微生物在出生时具有相似性,在生长的自然和人工因素影响下,不同时段和地域会出现差异性。并在人体内发生、发展和消亡。人体肠道菌群的生理性演替过程如下图[[28]]


 

人体消化道菌群生理演替图

2.3.3 微生物群落

进入胃肠道的微生物菌群有可能提供一个支持系统,以便其他种类的微生物得以加入,由此整个系统逐渐复杂化,最终形成一个极其复杂的微生态群落系统。消化道微生物群落中菌群的构成受饮食、环境和地域分布、抗生素应用、宿主年龄以及健康状态的影响。生活在共同空间部位的微生物群落以共生、竞争、拮抗、抑制等多种形式相互作用,生活中可以通过人为因素的干预优化消化道内有益微生物的生长、繁殖、代谢,保证人体营养物质的安全、健康、优质,同时抑制有害菌的生长,共同维持着消化道微生态的动态稳定,保证人体的安全、健康。

2.4 人体消化道微生态的温度特征

    人类消化道中各部位的数量大、种类稳定的有益微生物,被称为消化道正常菌群,它们在消化道内长期进化的过程中形成了与宿主在不同发育阶段的动态生理性结合,即微生态平衡。人体消化道中的微生物具有定位分布和定性、定量的特征,其分布是特定的,即在特定部位是具有相应菌群的优势性。因而人体在正常状态下,其消化系统的温度具有恒定性。

2.5 人体消化道微生物群落分布与氧含量密切相关

从口腔到直肠,人体消化道长达810米,且两头开放与外环境相通,整个消化道系统的含氧量随着位置的不同有所不同,有明显好氧-微氧-厌氧的变化,如口腔至胃部,主要为好氧环境;胃部至小肠,有一定氧气存在;小肠末端到结肠,则为严格的无氧环境。

消化道微生态中微生物的组成和分布受含氧量的影响很明显。口腔进入胃,主要是革兰氏阳性需氧菌,小肠部位主要是大肠杆菌和厌氧菌(类杆菌属梭状芽胞杆菌属、乳酸菌),双歧杆菌是典型的厌氧菌,只能在人的小肠末端及大肠内生存,在空气中保存困难,容易失活。在小肠末端,除了乳酸菌,尤其是双歧杆菌的数量级增长外,其他一些革兰阳性兼性氧菌如大肠菌科的细菌以及专性厌氧菌群,如拟杆菌和梭杆菌也开始出现,甚至在回盲部之前严格厌氧微生物已开始出现,此后(即在盲肠之后)严格厌氧的微生物在数量上超出兼性厌氧的微生物100-1000倍。

粪肠球菌是兼性厌氧菌,无论有、无氧均能生长,因此粪肠球菌在整个人体肠区均有分布,而产气荚膜梭菌、脆弱拟杆菌、双歧杆菌是绝对厌氧菌,在肠区的分布受到限制。

2.6 人体微生态具有自我调节和自我修复功能,同时也可人为优化系统免疫力和自愈力

2.6.1 人体微生态的自我调节和修复

人体具有免疫功能和自我修复功能(就像身体里自带神医)[[29]]。免疫功能是指生物体对抗原物质免疫应答的能力,是机体识别“自身”与“非己”抗原,对自身抗原形成天然免疫耐受,对“非己”抗原产生排斥作用的一种生理功能。通过免疫能识别自体和异体物质,也就是说,如果有细菌、病毒等外物进入人体,免疫系统马上就能发现,把异物排除或消灭,同时重新生长被损坏的组织。医学上将免疫划分为非特异性免疫和特异性免疫两种。非特异性免疫是人类在漫长进化中逐渐建立起来的天然防御功能,即没有针对性的免疫,对多种病原体有效,在防止病原微生物入侵、保障机体正常生理活动方面起着非常重要的作用,它的另一道防线,是吞噬细胞和体液中的其他杀菌物质;特异性免疫则是个体后天产生,只针对某种特定病原体或异物起作用,主要由免疫器官和免疫细胞协同作用而完成,其中免疫器官包括胸腺、脾脏、淋巴结等,免疫细胞中,最重要的要属淋巴细胞。比如:我们身体表面的皮肤不断在剥落,新的皮肤也不断在底层下生长;整个肠道内层每天都在剥落和重生;人体内最大的器官,也是最活跃的器官之一 ——肝脏,它的再生能力更是令人惊叹;通过打预防针,把菌苗、疫苗等减毒的细菌或产物注入人体,使人体可以获得相应的抗体,从而具有了抵抗该种病原微生物感染的能力;甚至偶尔生小病也能提高自身的免疫力,如咳嗽应急性地消除呼吸道的刺激因子,呕吐时防御性地排出体内有害物质,腹泻时排出体内毒素,“流鼻血”自动“去火”,适度发烧提高免疫细胞的免疫能力。

2.6.2 提高消化道的免疫力促进微生态平衡

作为人体内最重要的微生态系统,从胚胎分化起就开始了免疫功能的培植,在细胞分化、发育过程中重排和拼接在一起,形成各种免疫细胞膜分子,如T B细胞抗原识别受体(TCR/BCR)、主要组织相容性抗原、白细胞分化抗原(CD) 、促分裂素受体、细胞因子受体、免疫球蛋白受体,以及其它受体和分子。通过细胞生长初期,从源头上提供机体细胞所需的各种营养物质,促进具有免疫功能的器官(如胸腺、扁桃腺、脾脏、淋巴、盲肠等)的健康生长,清除体内各种垃圾、抵御疾病发生,同时促进体内有益微生物(如双歧杆菌等)的生长而抵制有害菌(如各种致病菌)的生长,促进微生态的平衡,保护人体健康。这就是母亲在怀孕期间的身体健康状况、营养物质吸收、心情波动、药物使用情况等都将影响新生儿免疫功能的形成和强弱,也就常说的先天体质的强弱。

2.6.3 人体微生态的人为干预

随着科学技术的发展,人为干预成为了保证人体健康必不可少的手段。如“预防针”就是用人工的方法干预免疫系统,促使机体产生抗体,获得对病原菌的抵抗力;用抗生素类化学物质抑制变异微生物或变异细胞组织生长;病人长期服用就会产生药物依赖,药物越是高效,这种依赖就越严重,其中需要特别注意的是以曲马多为代表的中枢性止痛药;服用乳酸菌、双歧杆菌、低聚果糖、专用酵素等“益生菌”、“益生元”微生态制剂可以提高免疫力,其中以肠道双歧杆菌、乳酸杆菌为代表的有益菌群能够刺激身体内的淋巴细胞分裂增殖,产生多种抗体,加强人体特异性免疫系统的功能。同时调动非特异性免疫系统,协同消灭可致病的外来微生物。

2.6.4 提高人体微生态自我调节和自我修复能力的方法

人体从出生到死亡,随着年龄的增长,其自我调节和自我修复能力呈正态分布曲线特征,幼年时相对能力较弱、青中年相对能力较强、到老年后相对能力又逐渐减弱。但在年龄变化的过程中,不同的人又体现出了不同的调节和修复能力,呈现出特定的个体差异。对每一个个体来说,可以通过自身的努力提高其调节和修复能力,如注重休息避免疲劳、加强锻炼增强体质、增加营养保护机体、调节情绪增加活力、远离毒物减少损伤等。通过一系列的保障措施,避免人体微生态出现亚健康、虚弱、营养不良、体细胞活力差、有毒有害物质伤害等“病态”,提高自身调节和修复能力,保证人体微生态平衡。

2.6.5 人体微生态系统具有保健优于早期防病、早期防病优于后期治病的属性

孙思邈在《千金要方·卷七十二》中说:“上医医未病之病,中医医欲起之病,下医医已病之病。”其意思是“上医”职能是做好养生,维护生命健康;“中医”职能是早期干预以防发病;“下医”职能是治疗疾病。这也是一种人体微生态保持的“超前意识”、“风险意识”。通过保健、早期预防的方式促进人体健康,确保体内正常微生物菌群的富集和代谢,维持微生态系统的平衡,减少或消除因生病而不得已采取的后期治疗措施。

3 食品酿造微生态和人体消化道微生态比较

 

1 食品酿造微生态与人体消化道微生态特征比较表

项目

食品酿造微生态

人体消化道微生态

研究对象

微生物及其发酵过程、发酵环境;发酵“宿主”

人体内微生物;人体及器官(宿主)

研究主要内容和方向

优化微生物种群,促进优质高产;发酵过程中的物质、能量、信息的传递;优化微生物发酵环境,促进“发酵宿主”老熟

微生态的三流(物质、能量、信息)运转;益生类产品生产应用;人体微生态平衡,促进人体健康

发酵阶段

有机原料体外发酵,产品可作为人体健康食品[[30]]

食品体内“发酵”,主要表现为食品的消化与吸收

发酵主要产物

淀粉发酵中间产物主要为葡萄糖,最终产物主要为醇、醛、酸、酯等有机成分和CO2、水;蛋白质发酵产物主要为肽类化合物,最后分解为氨基酸类物质;酯类物质发酵产物主要为有机酸和酚类物质(如固态白酒发酵)

淀粉消化分解中间产物主要为葡萄糖,最终代谢产物为CO2和水;蛋白质分解产物主要为氨基酸、最后生成尿酸等物质;酯类物质分解产物主要为甘油、脂肪酸、乳酸类物质

生态学分类

微生物生态学(属各论性质)和发酵微生态学(属总论性质)

人体微生态学(属总论性质)

相变

固相

含各种原辅料,是微生物的营养来源及物料主体;发酵“宿主”是最重要的固相

含各种食物来源;宿主的各种生理器官,是微生态的主体

液相

微生物发酵场所、营养载体及“宿主”营养源,是微生态调节剂,实现发酵环境物质流传递

直接提供微生物及宿主营养,保障微生态环境,是微生态调节剂

气相

自然条件发酵,是发酵信息发馈及调节

微生态平衡状态指示剂

//酶相关性

物系

提供微生物发酵原料及发酵环境,通过物系变化影响菌系的生长繁殖;通过EMPTCA途径提供能量和分解有机质,并实现物质、能量传递,厌氧状态进入酒精发酵和酯化反应,生产醇、酸、酯等有机成分

人体是最大的物系,是微生态的主体,影响菌系和酶系的构成;通过EMPTCA途径提供能量和实现物质分解转化,最终实现物质、能量的传递,厌氧状态进入酸发酵,产生醋酸和乳酸,维持微生态平衡,保持人体健康

菌系

提供发酵动力

维持微生态的平衡,保证人体的生理功能(屏障、营养、消化、代谢、免疫作用),通过基因流动实现信息传递

酶系

是微生物发酵的催化剂

促进分解各种营养成分,参与调节人体的各项生理功能

菌种/种群/群落关系

菌种

自然发酵富积菌种,受环境因素如酸度、温度、氧含量、水份、酒精度等的影响,主要为细菌、酵母菌、霉菌,系统中的微生物不具有定位特性,在发酵过程中需协同作用才能实现发酵结果。通过改变发酵环境实现对有害杂菌的控制

含专性厌氧的共生性细菌(球菌、丙酸菌、乳酸菌及双歧杆菌等);机会性细菌(无病原性的大肠埃希菌、链球菌及肠球菌);致病性细菌(梭菌、葡萄球菌、假单胞菌、病原性大肠埃希菌、弧菌及部分真菌)。具有定位分布、定性鉴定、定量标准的特性

种群

同类菌种聚合成种群,具有“群体特征”,比如种群密度、菌龄组成、生长速率等,通过共生、竞争、拮抗、抑制互相关联

在人体消化道各阶段具有特定的微生物种群,具有生理生组合和病理性组合的特性,随着人生命阶段进行着生理更替

群落

相应种群共同作用,实现发酵结果;可通过人为手段实现微生物群落的优化,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,维持酿造微生态的平衡

消化道内微生物群落复杂,受饮食、环境和地域分布、抗生素应用、宿主年龄以及健康状态的影响;可以通过人为因素的干预优化消化道内有益微生物的生长、繁殖、代谢,保证人体营养物质的安全、健康、优质,同时抑制有害菌的生长,共同维持消化道微生态的平衡

温度变化特征

前期

前期升温缓慢,利于好氧微生物的生长繁殖

消化道微生物具有定位分布和定性、定量的特征,其分布是特定的,使消化系统的温度具有恒定性。

中期

中期温度挺立时间较长,利于微生物代谢,促进兼性厌氧和厌氧发酵

后期

后期温度缓落,利于发酵形成的底物聚合生香

氧变规律

好氧

发酵前期为富氧状态,利于酵母、霉菌等好氧微生物的生长繁殖

消化道两头开放与外环境相通,呈富氧状态,口腔至胃部,主要为好氧环境。主要以革兰氏阳性的链球菌、乳杆菌和酵母菌等需氧菌为主

微氧

发酵中期呈微氧状态,利于酵母等发酵,分解原料中的糖类物质

胃部至小肠,有一定氧气存在。主要是兼性厌氧类微生物,以大肠杆菌等肠球菌为主

厌氧

发酵后期呈厌氧状态,利于梭状芽苞杆菌类厌氧微生物生长繁殖代谢,是发酵生香阶段

小肠末端到结肠,则为严格的无氧环境,主要以双歧杆菌、真杆菌、消化球菌等厌氧菌形态存在

微生态系统自动调节和修复修复

发酵微生态系统可通过酶合成和酶活性功能进行自动调节和自动修复

消化道微生态具有免疫、自愈、再生等自我调节和自我修复功能

以强化生产初期营养(微生物所需养分)的方式从源头提高初始“免疫力”和“活力”

在细胞形成初期,形成各种免疫细胞膜分子,促进免疫器官发育,提高初始免疫力

可通过调整工艺、控制参数等人为干预进行系统优化,可提高系统自我调节和修复能力

可通过抗生素、益生元、益生菌等人为干预微生态的平衡,可提高系统自我调节和修复能力

优化系统调节和修复功能的方法,如增加营养、优化微生物适宜的繁殖代谢水份和酸碱环境、加强内源性生物群落活性、人为灭菌等

优化消化道微生态自愈力的方法,如加强营养、注重休息、加强锻炼、调节情绪、远离毒害等

具有预防优于纠偏、纠偏优于整改的属性

具有保健优于早期防病、早期防病优于后期治病的属性

宿主生长趋势

渐进老熟(如千年老窖万年糟)

生长-旺盛-衰亡

 

通过以上对比,可以看出食品酿造微生态和人体消化道微生态均研究微生物发酵规律及微生态的平衡。前者对有机原料发酵后可成为后者的食品,即体外发酵和体内二次发酵,通过多次发酵,形成更多的小分子量物质更易被人体吸收。在发酵过程中,它们表现出了较多相似的规律,如食品发酵“宿主”均具有生理活性,微生物体系和发酵环境的优化均呈现相变、微生物更替、物菌酶系及氧化还原电位渐变等规律;同时也伴随着各自特有的发酵特征,如食品酿造是自然发酵,其发酵过程和结果更容易受到外界环境和人为因素的影响;两种微生态系统均具有自我调节和自我修复功能,相对来说,人体消化道微生态的自我调节、修复、自愈、免疫、再生等功能更强。

4 结论

通过用“五三”原理对食品酿造微生态和人体消化道微生态的生理生态特性进行剖析,发现在食品酿造过程中呈现出相变、物菌酶系、微生物群更替、温变、氧变等规律,微生态功能体现出自动调节的物质、能量、信息传递和人为因素干预优化等特征,维持了发酵微生态的平衡,保证了发酵“宿主”的安全、健康(老熟),而人体消化道微生态中也呈现出相应的规律性。而人体消化道微生态也有其固有特性,如温度的恒定性,微生物定位、定性、定量等特征,或还有未总结发现的其它规律性特征(多法则多层次的特征)。同时,二者都通过优化选择性富集微生物的生长、繁殖、代谢来实现微生态体系的平衡,确保主要代谢产物的安全、健康、优质、高产、低耗和“宿主”的安全、健康。通过比较简析,促进对食品的体内和体外发酵研究互鉴互学,为以后对人体消化道微生态规律性的更深入研究提供借鉴,同时将人体消化道微生态平衡理论导入食品酿造中,用人体消化道微生态“益生元”、“益生菌”等人为干预方法优化食品酿造微生态,为进一步深入研究食品酿造微生态自我调节、自我修复功能和方法提供科学参考,以利于更加科学地实现食品酿造“安全、健康、优质、高产、低耗”的目标。

 

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