发酵是一种古老和传统的食品储存与加工的方法。发酵食品是以农林产品、水产品、畜产品等为原料，主要通过微生物的作用，再经加工制作的食品。传统发酵食品以其制作成本低、改善食品的风味营养及有较强的稳定性等优点在世界范围广泛分布。世界上可能存在超过5000种发酵食品，消费人群达数十亿。我国传统发酵食品历史悠久，产品风味独特，食品种类繁多，是传承文明、体现中华饮食文化的重要载体。传统食品发酵体系是由一种或多种微生物构成的独特生态环境，其中的微生物被称为发酵食品的“灵魂”，与发酵制品的品质和风味有直接关系。随着现代生物技术与传统发酵技术的融合，关注中国传统发酵食品的生产现状、工艺改进及发展前景对于弘扬民族文化、挖掘历史财富、造福现代社会具有积极的理论意义与实践价值。

一、传统发酵食品微生物

传统发酵食品的分类方法很多。依照发酵形式主要分为液态发酵、固态发酵和自然发酵。依照参与发酵的菌种种类分为纯种发酵、混合菌种发酵等。传统食品发酵一般为混合菌种发酵，发酵时间较长，但产品风味浓厚；现代发酵技术一般采用纯种发酵，发酵周期短，生产易于机械化，干扰因素少，如纯种制曲技术。依据微生物不同，发酵食品主要分为酵母菌发酵、霉菌发酵、乳酸菌发酵等。依据原料不同，Tamang等（2016）将传统发酵食品分为9大类：发酵谷物食品、发酵乳制品、发酵豆类食品、发酵蔬菜食品、发酵块根/块茎类食品、发酵肉制品、发酵鱼制品、其他发酵食品和发酵酒精饮料。

1.发酵谷物食品

发酵谷物食品以大米、小麦、小米等为主要原料发酵生产，主要产品有馒头、面包、面团、酸面包、食醋、红曲和酒精饮料等。馒头、面包、面团、酸面包等发酵的主要菌种为乳酸菌和酵母菌。肠球菌（Enterococcus）、乳球菌（Lactococcus）、乳杆菌（Lactobacillus）、明串珠菌（Leuconostoc）、片球菌（Pediococcus）、链球菌（Streptococcus）和魏斯菌（Weissella）为谷物发酵的普遍细菌。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的地方菌株为多数面包发酵的主要酵母；其他酵母菌也通常用于谷物发酵，包括假丝酵母（Candida）、德巴利酵母（Debaryomyces）、汉逊酵母（Hansenula）、哈萨克斯坦酵母（Kazachstania）、毕赤酵母（Pichia）、丝孢酵母（Trichosporon）和亚罗酵母（Yarrowia）。

传统食醋酿造的主要功能微生物包括醋酸菌、乳酸菌、霉菌、酵母菌等。霉菌的主要作用是降解蛋白质、多糖等大分子物质；酵母菌在酒精发酵阶段利用单糖；醋酸菌的主要功能是氧化糖和乙醇，将乙醇氧化为高浓度的醋酸，同时生成大量的有机酸。食醋中的乳酸菌能够产生大量的乳酸，起到缓解食醋刺激的酸味、改善口感的作用。芽孢杆菌（Bacillus）产生的高活性蛋白酶可以将蛋白质水解成氨基酸，对食醋的风味和色泽起着重要的作用。镇江香醋中主要细菌属为乳杆菌、醋酸菌（Acetobacter）、葡糖醋杆菌（Gluconacetobacter）、葡萄球菌（Staphylococcus）、肠杆菌（Enterobacter）等；真菌为酵母属（Saccharomyces）。酵母菌和细菌是山西老陈醋酿造过程中的主要微生物。酵母菌有德克酵母属（Dekkera）、酒香酵母属（Breffanomyces）、卵孢酵母属（Oosporium）、克鲁弗酵母属（Kluveromyces）和毕赤酵母属；醋酸发酵过程中的产酸功能菌为植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）和巴氏醋杆菌（Acetobacter pasteurianus）。在日本传统米醋酿造初期，真菌主要为米曲霉（Aspergillus oryzae）和酵母属；在酒精发酵阶段酵母菌和乳酸菌共存；在醋酸积累阶段，细菌主要为醋酸乳杆菌（Lactobacillus acetotolerance）和巴氏醋杆菌。韩国食醋中的主要微生物，糖化阶段为曲霉属（Aspergullus），酒精发酵阶段为酵母属和类酵母属（Saccharomycodes），醋酸发酵阶段为醋酸菌属。

红曲以籼米为原料，以红曲霉（Monascus purpureus）为主要菌种，经液体深层发酵精制而成，广泛应用于食品、酿造、药品、化妆品等行业。在发酵过程中，红曲霉以熟米为底物，发酵产生醇、酯、酸等多种芳香类初级代谢产物和多种水解酶类，如淀粉酶、蛋白酶、半乳糖酶、核糖核酸酶等，产生优质的香气和甘甜的味道。红曲霉能够代谢产生多种有益物质如天然红曲色素、Monacolin K（又称洛伐他汀，具有显著的降胆固醇和降血脂功效）、γ-氨基丁酸等。

2.发酵乳制品

基于参与发酵的微生物不同，发酵乳制品主要分为两类：乳酸菌（细菌）发酵乳制品和真菌发酵乳制品。乳酸菌发酵乳制品以乳酸菌占优势。该类产品包括嗜热类型（如酸乳、保加利亚酪乳）、益生类型（如嗜酸牛乳、双歧杆菌牛乳）和嗜温类型（如自然发酵牛乳、酸乳、酸性稀奶油、酸性酪乳）。真菌发酵乳制品由乳酸菌和酵母菌协同发酵生产，包括含酒精发酵乳饮品（如嗜酸酵母乳、开菲尔、乳酒）和viili酸乳。牛乳发酵的初始微生物参与酸化，主要有乳酸乳球菌乳脂亚种（Lactococcus lactis subsp.cremoris）、乳酸乳球菌乳酸亚种（Lc.lactis subsp.lactis）、德氏乳杆菌德氏亚种（Lactobacillus delbrueckii subsp.delbruecki）、德氏乳杆菌乳酸亚种（Lb.delbrueckii subsp.lactis）、瑞士乳杆菌（Lb.helveticus）、明串珠菌（Leuconostoc spp.）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）；在干酪生产中，扩展短杆菌（Brevibacterium linens）、费氏丙酸杆菌（Propionibacterium freudenreichii）、汉逊德巴利酵母（Debaryomyces hansenii）、产香白地霉（Geotrichum candidum）、卡门伯特青霉（Penicillium camembert）和娄地青霉（P.roqueforti）等在干酪成熟过程中产生风味和质地。发酵牛乳还经常大量存在一些非初始乳酸菌，包括坚强肠球菌（Enterococcus durans）、粪肠球菌（Ent.faecium）、干酪乳杆菌（Lb.casei）、植物乳杆菌、唾液乳杆菌（Lb.salivarius）和葡萄球菌（Staphylococcus spp.）。

3.发酵豆类食品

传统大豆发酵食品包括豆豉、酱油、腐乳、豆酱等，此外还有发酵角豆制品和发酵黑豆制品。根据发酵微生物不同，豆豉可分为四大类：细菌型（如四川水豆豉、日本纳豆）、曲霉型（如广东阳江豆豉、湖南浏阳豆豉）、根霉型（如印尼的天培或丹贝）和毛霉型（如四川永川豆豉、潼川豆豉）。细菌主要为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），日本纳豆的起始发酵菌种为商业化纳豆芽孢杆菌（B.natto）。曲霉型豆豉的主要发酵菌株为埃及曲霉（A.egyptiacus）和米曲霉（A.oryzae）。少根根霉（R.arrhizus）为根霉型豆豉的优势霉菌。永川豆豉在制曲前期有多种乳酸菌生长，后期乳酸菌受霉菌增长抑制，种类减少。制曲阶段的优势霉菌是总状毛霉（Mucor racemosus）；在后发酵阶段奥德赛芽孢杆菌（Bacillusodysseyi）及Lactobacillus oligofermentans与Lactobacillus lindneri等乳酸杆菌为优势菌群，此外还有接合酵母（Zygosaccharomyces spp.）的参与。

从微生物优势菌群变化情况来看，酱油低温发酵时细菌占绝对优势，其次为霉菌，再次是酵母菌；当发酵进入高温期后，细菌被少数耐热霉菌所取代，但芽孢细菌的数量和优势变化不大。酱油发酵料中的主要霉菌为曲霉、毛霉和根霉，其中最重要的是米曲霉。米曲霉产酶能力较强，工业发酵中就常选用米曲霉沪酿3.042菌株作为发酵种曲。发酵料中主要的有益细菌有醋酸杆菌、乳酸菌等，有益的酵母菌为鲁氏酵母（Saccharomyces rouxii）、假丝酵母、汉逊酵母等。酱油醪中的主要乳酸菌为酱油足球菌（Pediococcus sojae）、植物乳杆菌等。

采用传统的自然发酵法生产腐乳时，前期发酵过程中参与的微生物主要是毛霉，如腐乳毛霉（Mucor sufu）、鲁氏毛霉（Mucor roxianus）、总状毛霉等；在后期发酵过程中，参与作用的还有红曲霉、米曲霉、溶胶根霉（Rhizopus ligusfaciens）、青霉、交链孢霉（Alternaria）、枝孢霉（Cladosporium），以及少量的酵母菌和乳酸菌[如弯曲乳杆菌（Lb.curvatus）和干酪乳杆菌（Lb.casei）]、链球菌（Streptococcus）、小球菌（Micrococcus）和棒杆菌（Corynebacterium）等。

在酱类发酵的制曲阶段霉菌占绝对优势，主要包括米曲霉、酱油曲霉（Aspergillussojae）、高大毛霉（Mucor mucedo）和黑曲霉（Aspergillus niger）。在发酵初期阶段，霉菌的生长基本停止，耐盐的乳酸菌和酵母菌开始大量繁殖，如嗜盐四联球菌（Tetragenococcus halophilus）、鲁氏酵母、豆酱球拟酵母（Torulopsis nodaensis）、清酒球拟酵母（Torulopsis sake）等。在酱类的后发酵成熟阶段，由于有机酸等代谢产物的积累，微生物的生长基本停止，但也还存在微弱的代谢活性。

4.发酵蔬菜食品

发酵蔬菜分为酱腌菜类、渍酸菜类、泡菜类、蔬菜汁类等，其中尤以泡菜为典型代表。传统发酵泡菜的加工方式多以自然发酵为主，其发酵过程可分为起始发酵、主发酵、次发酵、后发酵4个阶段。泡菜中的优势微生物主要有乳酸菌、酵母菌、霉菌等，以乳酸杆菌（Lactobacillus）和片球菌（Pediococcus）为主，然后是明串珠菌（Leuconostoc）、魏斯菌属、四联球菌（Tetragenococcus）和乳球菌（Lactococcus）。

5.发酵块根和块茎类食品

在非洲，木薯是传统发酵主食。木薯发酵的起始阶段主要为木薯棒杆菌（Corynebacterium manihot），然后是乳酸菌，如嗜酸乳杆菌（Lb.acidophilus）、干酪乳杆菌（Lb.casei）、发酵乳杆菌（Lb.fermentum）、戊糖乳杆菌（Lb.pentosus）、植物乳杆菌等。

6.发酵肉制品

发酵肉制品分为两类：完整肉块或肉片如干肉和肉干发酵制品及肉粉发酵食品（香肠），如欧洲的发酵香肠和萨拉米（salami，腌制肉肠）等。肉类发酵涉及的细菌主要为乳酸菌，然后是凝固酶阴性的葡萄球菌（Staphylococcus）、微球菌和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌；一些酵母菌和霉菌在制品成熟中也发挥作用。

7.其他发酵食品

（1）黑茶 主要有泰国的miang茶和中国的普洱茶、茯砖茶和康普茶。黑曲霉是普洱茶的优势真菌，并分离到Blastobotrys adeninivorans、灰绿曲霉（Asp.glaucus）、青霉、根霉和酿酒酵母，以及游动放线菌（Actinoplanes）和链霉菌（Streptomyces）。从康普茶中分离到布鲁塞尔酒香酵母（Brettanomyces bruxellensis）、星形假丝酵母（Candida stellata）、黏质红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）、酿酒酵母、粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）和小椭圆接合酵母（Zygosaccharomyces microellipsoides）等。从康普茶分离到的主要细菌为葡糖酸醋杆菌（Gluconacetobacter），也分离到乳杆菌、醋酸杆菌和接合酵母。茯砖茶发酵的主要真菌为曲霉、青霉和散囊菌（Eurotium）。

（2）巧克力 巧克力是可可豆的发酵产品，发酵乳杆菌和巴氏醋杆菌为优势细菌。多种乳酸菌与加纳可可豆发酵相关，包括加纳乳杆菌（Lb.ghanensis）、加纳魏斯菌（Weissella ghanensis）等。可可自发发酵涉及的酵母菌有葡萄汁有孢汉生酵母（Hanseniaspora uvarum）、Hanseniaspora quilliermundii、东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）、膜醭毕赤酵母（Pichia membranifaciens）、酿酒酵母和克鲁维酵母（Kluyvermyces），负责形成风味物质。

（3）皮蛋 皮蛋的优势微生物为蜡样芽孢杆菌（B.cereus）、软化芽孢杆菌（B.macerans）、孔氏葡萄球菌（Staph.cohnii）、表皮葡萄球菌（Staph.epidermidis）和溶血葡萄球菌（Staph.haemolyticus）等。

8.发酵酒精饮料

（1）传统发酵酒类 传统发酵酒类主要有黄酒、米酒、白酒等酒种。曲是酿酒的原动力，酒的风味及营养物质的形成与曲中的微生物有着密切关系。酒曲中的微生物菌群主要有霉菌、酵母菌和细菌等。霉菌主要起糖化作用。曲霉、根霉、红曲霉等具有较高的糖化能力。酵母菌主要有假丝酵母、酒精酵母、产酯酵母和毕赤酵母等。其中，扣囊复膜孢酵母（Saccharomycopsis fibuligera）能够产淀粉酶、酸性蛋白酶以及β-糖苷酶。酿酒酵母是主要的酒化功能菌，为一些耐酒精、产酒精能力强的菌株。这两种菌是酒曲中的优势酵母菌。非酿酒酵母具有较强的酯合成能力，主要在发酵后期赋予酒香。白酒的香气来源于发酵后期产酯酵母合成酯类增香，同时芽孢杆菌大量繁殖。芽孢杆菌利用淀粉、蛋白质等大分子物质，代谢产酸产香，是主要的优势菌群。清香型小曲酒中细菌的种类较多，主要以乳酸菌和芽孢杆菌属为主。酵母类主要包括扣囊复膜孢酵母、异常毕赤酵母（Pichia anomala）和酿酒酵母。霉菌种类相对较少，以米根霉为主。

印度、尼泊尔和不丹的酒曲微生物群落包括霉菌如卷枝毛霉（Mucor circinelloides）、冻土毛霉（Mucor hiemalis）、中华根霉（Rhi.chinensis）和匍枝根霉，酵母菌有酿酒酵母、贝酵母（Sacch.bayanus）、扣囊复膜酵母、荚复膜孢酵母（Sm.capsularis）、异常毕赤酵母、伯顿毕赤酵母（Pic.burtonii）和光滑念珠菌（Candida glabrata），乳酸菌有戊糖片球菌（Ped.pentosaceus）、双发酵乳杆菌（Lb.bifermentans）和短小乳杆菌（Lb.brevis）。

日本酒曲联合应用米曲霉和酱油曲霉生产酒精饮料，如日本清酒（sake）。日本酒曲的主要霉菌有泡盛曲霉（Asp.awamori）、白曲霉（Asp.kawachii）、米曲霉、西肉萨米曲霉（Asp.shirousamii）和酱油曲霉等。

红曲黄酒是以糯米为主要原料，添加红曲、药白曲，经多种微生物发酵酿造而成。传统红曲黄酒酿造过程中酵母菌菌群结构处于动态变化趋势，并最终趋于稳定。在生产前期，酵母菌主要以扣囊复膜孢酵母为优势菌；随着酿造过程的进行，酿酒酵母逐渐成为优势酵母菌。非酿酒酵母在酿造过程中能够产生特殊的酯香味物质或产生不同的高级醇，形成黄酒的特殊风味。

（2）果酒类 葡萄酒是以葡萄为主要原料制作的非蒸馏酒精饮料，主要微生物为酿酒酵母的不同菌株和一些非酿酒酵母。非酿酒酵母又称野酵母，包括软假丝酵母（Candidacolliculosa）、星状假丝酵母、葡萄汁有孢汉生酵母（Hanseniaspora uvarum）、柠檬形克勒克酵母（Kloeckera apiculata）、耐热克鲁维酵母（Kl.thermotolerans）、德尔布有孢圆酵母（Torulaspora delbrueckii）、美极梅奇酵母（Metschnikowia pulcherrima）等。(www.daowen.com)

龙舌兰酒是墨西哥仙人掌汁液制作的最古老的酒精饮料，发酵过程中存在的细菌为乳酸菌，如乳酸乳球菌乳酸亚种（Lc.lactis subsp.lactis）、耐酸乳杆菌（Lb.acetotolerans）、嗜酸乳杆菌（Lb.acidophilus）、希氏乳杆菌（Lb.hilgardii）、Lb.kefir、植物乳杆菌、柠檬明串珠菌（Leuc.citreum）、肠膜明串珠菌（Leuc.mesenteroides）等，γ-变形杆菌有大黄欧文菌（Erwinia rhapontici）、肠杆菌（Enterobacter）和抗辐射不动杆菌（Acinetobacter radioresistens），α-变形杆菌有运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）、苹果醋杆菌（Acetobacter malorum）、树状微杆菌（Microbacterium arborescens）、约氏黄杆菌（Flavobacterium johnsoniae）、氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）和蜂房哈夫尼菌（Hafnia alvei）等。分离到的酵母菌中，酿酒酵母有贝酵母、酿酒酵母、奇异酵母（Sacch.paradoxus），非酿酒酵母有近平滑假丝酵母（Candida parapsilosis）、葡萄牙棒孢酵母（Clavispora lusitaniae）、葡萄汁有孢汉生酵母、乳酸克鲁维酵母（Kl.lactis）、马克斯克鲁维酵母（Kl.marxianus）、膜醭毕赤酵母（Pichia membranifaciens）、德尔布有孢圆酵母（Torulaspora delbrueckii）等。

二、微生物发酵的作用

在传统发酵食品中，微生物的生命活动主要发挥如下作用：①形成多样化、独特的风味，丰富人类饮食；②通过乳酸、乙醇、乙酸、碱性发酵或高盐发酵起到保藏食品的作用；③提高食品的营养价值；④增强食品的功能性。食品在有益微生物分泌的酶系作用下，原料基质中的蛋白质、糖类、脂类等内源组分的分子结构、空间构象、理化性质发生改变，形成独特的香气、滋味，提高食品的储藏性，并产生发酵食品的营养功能性（图9-1）。

图9-1 发酵食品生产过程中主要组分与功能因子变化

1.发酵对食品风味组分的影响

发酵食品风味形成是一系列复杂的生化反应过程，即蛋白质、脂类由微生物代谢产生各种氨基酸、有机酸，与醇类作用生成酯。微生物代谢产物与食品消化产物发生化学反应，生成酸、酚、酮、醛和吡咯等各种风味物质。氨基酸和有机酸代谢是风味物质形成的关键，对其调控有利于风味控制（图9-1）。

氨基酸代谢产物是发酵食品风味物质形成的前体，以甲硫氨酸、芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）和支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）为主的氨基酸是挥发性香气成分的主要前体，其中谷氨酸钠盐对产品风味影响较大。氨基酸代谢通常有甲硫氨酸代谢和转氨反应两条途径：甲硫氨酸代谢主要形成含硫香气组分，转氨反应产生风味物质代谢中间体α-酮酸并被降解成各种香气成分，如亮氨酸降解产生异戊酸和3-甲基正丁醛。有机酸代谢和风味物质形成密切相关。发酵过程中，蛋白质和碳水化合物被微生物降解，产生对风味贡献较大的小肽、氨基酸和糖，进一步代谢形成有机酸生成途径的关键中间体——丙酮酸，导致形成大量挥发性有机酸。其中，丙酸和丁酸通过5～6个连续反应从丙酮酸合成，支链有机酸由缬氨酸形成，3-甲基丁酸通过亮氨酸转氨分解和氧化而来。有机酸进一步与醇类形成酯，从而赋予发酵食品特有的酯香。

2.发酵对食品组分变化和储藏性的影响

发酵食品具有较高的食用安全性，主要是由于有益微生物的生长有效抑制了有害微生物的生长繁殖。有益微生物代谢作用产生的乙醇、有机酸等可以抑制有害微生物生长。大多数致病菌只适应中性偏碱性环境，而发酵工艺产生的多是酸性环境，所以发酵食品更耐储藏。例如，乳酸菌代谢产生的乳酸能降低发酵食品的pH，并消耗体系中的氧，降低氧化还原电位，从而抑制或延缓发酵食品中腐败菌和致病菌的生长，达到储藏的目的。在有氧条件下，乳酸菌在黄素蛋白氧化酶的作用下产生过氧化氢，对细胞膜磷脂和细胞内蛋白有强烈的氧化作用。由于乳酸菌不含过氧化氢酶，产生的过氧化氢可在食物环境下不断积累，对诸如金黄色葡萄球菌等其他微生物产生抑制作用。发酵食品中优势微生物能合成一定量的抗菌素，抑制致病菌和腐败菌生长；抗菌素还能直接使葡萄球菌肠毒素失活。乳酸菌发酵过程中会产生乳链球菌肽、乳杆菌素、嗜酸菌素等抑菌物质，抑制食品腐败菌生长，提高产品的储藏性。发酵食品生产过程中外源组分，如食盐、辣椒、香辛料、油脂等的加入也会对储藏性产生影响。食盐能降低发酵食品的水分活度，抑制微生物生长，有效延长货架期。

3.发酵对食品营养功能性的影响

发酵改变食品组分，可以破坏或去除不期望组分，改善营养和适口性。食品基质中存在一些有毒或抗营养因子，发酵能降低这些组分的含量。例如，木薯含有能产生氰化物的糖类衍生物氰苷，可降解为氢氰酸，引起组织缺氧及中枢神经系统损害。发酵处理可将氰化物水平由10～49mg/kg降至5.4～29mg/kg，达到食用安全水平。乳酸菌发酵后，人类不能有效吸收的棉籽糖和水苏糖含量大幅降低，从而大大改善了低聚糖的生理功能。

发酵食品中存在大量对人体有益的功能成分，主要源于微生物产生的代谢产物以及微生物酶对原料分解后产生的分解产物。这些功能成分包括：①功能性碳水化合物，如真菌多糖、功能性低聚糖、功能性单双糖等，具有改善人体消化系统功能、降低血压和血清胆固醇、降低有毒产物以及增强机体免疫力、延缓衰老等生理功能；②功能性多肽，如酱油中小分子质量的降血压短肽等；③多种酶类，如从纳豆中分离纯化出的具有溶解血栓作用的纳豆激酶、细菌型豆豉中发现的豆豉纤溶酶、一些发酵食品中发现的抗衰老超氧化物歧化酶等；④降胆固醇物质，如发酵食品产生的红曲霉、大豆皂苷、酚类物质，红曲霉发酵产生的莫纳可林类物质，豆酱发酵过程中产生的大豆皂苷物质，红葡萄酒中存在的大量多酚类物质（黄酮、黄酮醇、花青素、单宁等）等；⑤抗氧化活性物质，如微生物发酵产生的维生素B₁₂、核苷和核苷酸、类黑素和芳香族化合物等；⑥益生菌及代谢产物，如乳酸菌及其代谢产生的细菌素、积累的维生素、有机酸等；⑦其他功能成分，如发酵可以提高食品中某些维生素的含量，如叶酸（维生素B₁₁）、维生素E、维生素K₂、维生素B₁₂等。

4.发酵对食品安全性的影响

发酵食品生产过程中，生产工艺控制不当会导致产品质量下降，产生有害因子。在微生物的作用下，蛋白异化代谢会产生氨、胺、硫醇、吲哚、N-亚硝基化合物或硫化物等对人体不利甚至有害的组分，如组胺和酪胺能引起食物中毒，其他生物胺的存在会增强组胺或酪胺的不良作用。酱油中酪胺、腐胺和尸胺含量较高，可能和生产过程中较差的卫生条件相关；发酵水产品中生物胺含量较高；蔬菜发酵过程中硝酸盐可转化成亚硝酸盐，亚硝酸盐可与食物中蛋白质分解产物胺反应，生成致癌物质N-亚硝基化合物。微生物有解毒作用，能代谢掉某些有害成分，如从朝鲜泡菜中分离到的肠膜明串珠菌能够消耗培养基中的亚硝酸盐。在酿酒过程中会产生甲醇和高级醇（杂醇油）。按照严格的生产工艺进行操作，采用反复蒸馏和提取的方法可以降低甲醇和高级醇含量。氨基甲酸乙酯天然存在于面包、酸乳、干酪、酱油及酒精类饮料等发酵食品中，是发酵过程的伴随产物，被国际癌症研究机构确认为人类可能致癌物质（2A类），许多国家对各类酒中氨基甲酸乙酯含量的最高允许浓度做了法律规定。对发酵食品风味组分变化与调控的研究，有利于发酵食品品质和质量控制。传统发酵食品具有诸多保健功能和生理活性成分，并与原料组成、发酵菌种、发酵条件相关，因此需要找出合理的发酵工艺和优化的微生物菌种，来满足人们对风味、安全性和功能性的要求。

三、传统发酵食品微生物的驯化

很多传统发酵食品的生产不采用人工接种微生物菌种，而是通过自然发酵，利用环境和动植物基质表面和内部复杂的微生物群落的生命活动，生产当地特色发酵食品。微生物形体微小，非常容易变异。有些传统发酵食品生产已经有数千年的历史。在相对稳定的生产条件下，发酵食品生产也形成了相对固定的菌群。微生物在食品生产环境中长时间的适应和选择过程，就是传统发酵食品微生物的驯化过程。野生细菌、酵母菌和霉菌逐渐被驯化为现在应用的各种发酵食品的微生物。

1.食品发酵微生物的适应和选择机制

（1）自然杂交 传统发酵食品自然发酵过程中，涉及多种微生物种群的复杂演替过程。多种微生物密切互作，会发生近缘物种间的杂交以及自然转化等现象，驱动了微生物的适应、进化和选择。酵母菌是最著名的驯化微生物，在啤酒、葡萄酒等多种酒精饮料、面包等谷物发酵食品生产过程中广泛使用。由于不产生有毒次级代谢产物，而且产生高水平的乙醇和酯类、酚类等风味物质，酵母属种类（主要是酿酒酵母）特别适用于食品发酵。15世纪德国巴伐利亚生产的拉格啤酒（lager）为下层发酵啤酒，发酵菌种为耐冷的巴斯德酵母（Sacch.pastorianus），为上层发酵啤酒爱尔啤酒（ale）发酵菌种酿酒酵母（Sacch.cerevisiae）与另一种酵母菌的杂交种，赋予了拉格酿酒酵母的低温发酵能力。2011年，Libkind等从阿根廷巴塔哥尼亚（Patagonia）森林分离到2株耐冷酵母，测序了其基因组序列，然后鉴定到巴斯德酵母丢失的杂交供体种，命名为真贝酵母（Sacch.eubayanus）。比较基因组学研究发现，这种酵母菌与拉格啤酒耐冷的巴斯德酵母菌基因组中的非酿酒酵母菌部分具有99.56%的序列相似性，是已发现的与拉格酿酒酵母最接近的野生酵母菌种，故认定真贝酵母是拉格酿酒酵母的野生亲本，提出拉格酿酒酵母的巴塔哥尼亚起源说。中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室的白逢彦研究组研究发现，青藏高原和相邻地区的酿酒酵母属物种多样性远高于世界其他地区，显示青藏高原或相邻地区可能是该类酵母菌的多样性中心或起源中心。从该地区分离的真贝酵母菌株的遗传多样性也远远高于美洲，青藏高原才是真贝酵母的真正起源地。单基因和多基因序列分析显示，西藏Sacch.eubayanus菌株才是拉格酿酒酵母真正的野生亲本，拉格酿酒酵母可能起源于中国或东亚。

（2）假基因化和基因丢失乳酸菌是人类利用最早的微生物，涉及多种传统发酵食品生产。植物代表了现在乳业发酵使用的一些乳酸菌的原始栖息物。然而植物和牛乳来源的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）菌株在植物碳水化合物基质上展示不同的代谢和生长特征，存在着大量具有不同生理性状的乳酸菌菌株，表明一些源自牛乳的乳酸菌在特化过程中失去了祖先代谢途径。此外，牛乳来源的乳酸菌菌株表现出涉及植物碳水化合物代谢的基因组减少和座位的假基因化。嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）基因组超过10%与病理和碳代谢相关的基因，发现已经假基因化或丢失。米曲霉和酱油曲霉在环匹阿尼酸和黄曲霉毒素基因簇积累了不同的失活突变。日本清酒酿造种白曲霉（Aspergillus kawachii）失去了21kb的驱动赭曲霉素A合成的多肽合成酶基因。与其他散囊菌目真菌相比，在红曲霉基因组中观察到与初级和次级代谢相关基因的大量丢失。

（3）基因拷贝数量改变 基因拷贝数量改变可快速引起变异，是改变转录和翻译水平的有效策略，允许驯养微生物快速适应新的环境。例如，米曲霉在稻米上生长时，其消化稻米淀粉的能力很高，α-淀粉酶基因高度表达。α-淀粉酶基因在米曲霉中以两个或更多拷贝存在，但在黄曲霉基因组仅存在一个拷贝。在酿酒酵母中，己糖运输酶基因在低葡萄糖环境下数量增加，引起运输蛋白的增强表达，可以将更多的葡萄糖运输进细胞内。

（4）基因横向转移横向基因转移在原核生物中比较普遍，很多研究发现这种转移也广泛存在于真核微生物，可促进微生物快速适应食品发酵生产的生态节点。通过基因横向转移可以获得适应性遗传变异。酿酒酵母和其他酵母菌通过横向基因转移获得很多细菌的基因。通过对葡萄酒酿造中的酿酒酵母EC1118菌株的基因组分析发现，几个基因座位似乎横向转移自腐败酵母——拜氏接合酵母（Zygosaccharomyces bailii）。有趣的是，很多这些基因与葡萄酒酿造过程相关，几乎可以完整地用于葡萄酒酿造。经常用作糖化的黑曲霉最近从米曲霉获得了72kb的基因座位，包含α-淀粉酶编码基因。干酪环境驱动了包含沙门柏干酪青霉菌（P.camemberi）和娄地青霉菌（P.roqueforti）间近250个基因的横向转移，涉及产生分生孢子和次级代谢物的基因，可能赋予了多种微生物在干酪环境中的竞争优势。

2.发酵食品微生物的人工驯化措施

（1）自然选育长期的适应与选择，使不同生物和非生物条件下的动物和植物基质上稳定地栖息着具有不同遗传和生理性状的微生物菌株。这些微生物，如用于面包等谷物发酵食品的酿酒酵母地方菌株，用于多种传统发酵食品生产的乳酸菌，用于糖化的曲霉、根霉、毛霉等霉菌等，是食品与发酵工业宝贵的财富。将自然选育菌株用于发酵食品生产，将便于生产过程的调控，有效提高食品的质量和安全性，缩短生产周期，增加生产效益。例如，为选育salami香肠肉用微生物发酵剂，从传统发酵食品腊鱼、腊肠以及豆豉中分离筛选到5株产香酵母菌。结合形态学和酵母菌26S rDNA D1/D2区序列分析，初步鉴定2株菌为汉逊德巴利酵母（Debaryomyces hansenii），3株菌为异常威克汉姆酵母（Wickerhamomyces anomalus）。麦芽汁发酵液的挥发性成分分析表明，这5株酵母菌的麦芽汁发酵液中的主要挥发性成分为醇类和酯类，种类和组成差异较大。最终筛选出2株产生挥发性成分较多的酵母菌Y4-1和Y12-3，具有良好的耐盐、耐亚硝酸盐和耐酸性，有望将其开发成为萨拉米香肠的新型发酵剂。

（2）传统育种 对分离到的发酵食品微生物采用传统育种手段，如诱变育种、杂交育种（包括原生质体技术育种）等进行菌种选育，可筛选到更加适应特定生产条件、产生目的代谢产物能力更强的生产菌株，用于传统发酵食品生产技术的改造和升级换代。例如，酸乳在储存和销售时的后酸化曾经是困扰许多生产厂家的难题。通过接合作用杂交、原生质体融合等技术选育在高温下产酸快、在低温下基本不产酸或产酸甚微的菌株获得成功。口感温和，在保质期内pH可控制在4.2以上的酸乳产品将成为酸乳的主流产品。清华大学邢新会教授开发的常压室温等离子体微生物基因组快速突变技术为微生物育种领域的非转基因技术，该技术可对微生物进行快速有效的体外基因突变操作，已经成为食品发酵生物产业及生物技术科研领域的应用平台技术。太空育种技术也在食品微生物优良菌株选育中发挥着重要作用。

（3）分子育种 当前，宏基因组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术，已经广泛用于传统发酵食品的进程监控、产品分型、风味形成机理、有毒代谢产物分析等研究。深入的基础研究使得采用分子育种手段有针对性地改良传统食品发酵微生物的特定基因和性状成为可能。这些分子育种手段包括基因转移、基因定点突变、基因敲除、基因超表达、化学诱导染色体进化（chemically induced chromosomal evolution，CIChE）、利用基因组尺度代谢网络（genome-scale metabolic network，GSMN）模型系统改造代谢途径等。

例如，米曲霉为日本清酒制作中酒曲中的主要霉菌，主要负责大米的糖化。然而，米曲霉生产菌株的mreA基因（编码异戊醇氧化酶）表达，产生的异戊醇氧化酶可氧化异戊醇为异戊醛，使得清酒产生不愉快的味道。敲除mreA基因，从米曲霉工业菌株构建了不产生异戊醛的清酒曲霉。所有基因敲除菌株均保持了出发菌株的酿造特性，但其异戊醇氧化酶活力比宿主菌株显著降低。采用变异菌株酿造的清酒，在20℃或30℃长达63d的储存，其异戊醛的浓度小于0.5mg/kg，感官评价也察觉不到不愉快的异戊醛的味道。因而，基因敲除菌株可用于不产异戊醛的日本清酒的酿造。

CIChE强化基因表达技术的本质是基于染色体同源重组的多拷贝表达技术。例如，Tyo等采用CIChE技术，分别以表达聚-3-羟基丁酸酯（poly-3-hydroxybutyrate，PHB）和番茄红素来评估其实际应用效果。结果显示，利用CIChE表达技术构建的PHB和番茄红素工程菌不仅稳定性增强，而且与质粒工程菌相比其产量也得到较大幅度的提高。

GSMN是近几年伴随着高通量测序技术的发展而逐步建立起来的一种新型分子育种策略。该方法从全基因组出发，结合计算机模型及已有文献报道的实验数据，借助生物信息学的常用分析方法，从系统生物学的角度研究生命体的代谢过程，在更大范围内了解和预测某些基因强化或敲除对生物体代谢网络产生的效果，模拟绘制生物体分子改造前后代谢通量分布图，阐明发生在生物体内的各种生物反应和代谢通路。在这些模型的指导下进行了大量的微生物分子育种探究，并在目的产物发酵生产方面已取得了重大突破。例如，Becker等采用¹³C同位素示踪法对谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）的代谢通量分布进行分析，基于强化赖氨酸合成途径、减弱TCA循环代谢强度、提高磷酸戊糖途径代谢通量和切断分支代谢途径等有利于赖氨酸合成的分子改造思想，以赖氨酸产量为零的野生型菌株为亲本，依次对12个相关基因靶点进行敲除、增加基因拷贝数及更换启动子等操作，最终获得了一株分批发酵产赖氨酸达到120g/L的工程菌种。