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日前，一項發(fā)表于國際期刊《自然·微生物學(xué)》的研究引發(fā)關(guān)注：科研團隊通過9種微生物組成的合成群落，成功復(fù)刻出哥倫比亞產(chǎn)區(qū)巧克力特有的焦糖與花香風(fēng)味。

這一突破不僅破解了可可發(fā)酵的風(fēng)味密碼，更標(biāo)志著合成微生物群落技術(shù)邁入人工設(shè)計、精準(zhǔn)調(diào)控新階段，為發(fā)酵食品的定制化風(fēng)味制造奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

人工設(shè)計“微生物戰(zhàn)隊”

提到巧克力，人們往往會聯(lián)想到濃郁的可可香或是焦糖甜香。但很少有人知道，這些獨特風(fēng)味的形成，全靠可可豆發(fā)酵這一關(guān)鍵步驟。

傳統(tǒng)巧克力的制作流程并不復(fù)雜：從可可果莢中取出裹著果肉的可可豆，將其堆積起來自然發(fā)酵，待風(fēng)味物質(zhì)初步形成后，再進(jìn)行干燥、烘焙、研磨等后續(xù)加工。但就是這種自然發(fā)酵卻成了巧克力產(chǎn)業(yè)長期以來的“心病”。

“葡萄酒、啤酒釀造時，會人工添加標(biāo)準(zhǔn)化的酵母菌種；奶酪制作時，也有相應(yīng)的發(fā)酵菌株可供使用，從而穩(wěn)定風(fēng)味和品質(zhì)。但可可發(fā)酵不一樣，它完全依賴環(huán)境中的野生微生物——比如原料、環(huán)境空氣中的酵母、細(xì)菌，甚至工人手上的微生物都可能影響發(fā)酵過程。”北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院教授李秀婷在接受采訪時解釋，這種無人工干預(yù)的發(fā)酵模式，導(dǎo)致可可風(fēng)味極不穩(wěn)定：同一產(chǎn)區(qū)的可可豆，今年發(fā)酵出的巧克力可能帶花香風(fēng)味，明年就可能因雨水多、微生物種類變化，變成偏酸的風(fēng)味；更麻煩的是，野生微生物中可能會混入有害雜菌，導(dǎo)致可可豆發(fā)酵失敗，產(chǎn)生霉味、澀味等異味，嚴(yán)重影響巧克力品質(zhì)。

而此次發(fā)表的新研究，恰恰瞄準(zhǔn)了這一痛點。科研團隊通過大量篩選和實驗，最終確定了3種酵母、4種乳酸菌和2種醋酸菌，組成了一個功能明確的合成微生物群落。這9種微生物并非隨意搭配，而是模擬了自然發(fā)酵過程中微生物的協(xié)同工作模式，各自承擔(dān)著不同的任務(wù)。

“酵母就像開路先鋒，首先分解可可果漿中的糖分，產(chǎn)生酒精和少量有機酸，為后續(xù)微生物創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境；接著，乳酸菌登場，將酒精轉(zhuǎn)化為乳酸等酸性物質(zhì)，降低發(fā)酵體系的pH值，同時生成部分小分子風(fēng)味物質(zhì)；最后，醋酸菌把殘留的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸，進(jìn)一步調(diào)節(jié)風(fēng)味，還能抑制雜菌生長，避免異味產(chǎn)生。”李秀婷通俗地解釋了菌群的協(xié)同機制，“這就像一支配合默契的工程隊，每個成員各司其職，最終共同完成風(fēng)味的‘精準(zhǔn)搭建’。”

實驗結(jié)果顯示，這個人工設(shè)計的“微生物戰(zhàn)隊”表現(xiàn)遠(yuǎn)超預(yù)期。它不僅能穩(wěn)定產(chǎn)生可可風(fēng)味的關(guān)鍵原材料，即風(fēng)味前體物質(zhì)，還能顯著提升巧克力中產(chǎn)生果香、花香類香氣的成分（如酯類物質(zhì)）含量；更重要的是，由于菌群組成明確、可控，徹底避免了傳統(tǒng)自然發(fā)酵中雜菌污染的問題，使巧克力的風(fēng)味穩(wěn)定性大幅提升。此外，研究團隊還實現(xiàn)了巧克力的風(fēng)味定制：通過調(diào)整不同菌株的比例，比如增加某種乳酸菌的數(shù)量，就能讓巧克力的焦糖香氣更濃郁；調(diào)整酵母的種類，就能讓巧克力的花香更突出。

從“測風(fēng)味”到“算風(fēng)味”

這項突破的背后，是合成生物學(xué)與食品科學(xué)的深度融合。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院教授陳晶瑜在采訪中指出，合成微生物群落技術(shù)的核心，是從“被動觀察菌群”轉(zhuǎn)向“主動設(shè)計菌群”，實現(xiàn)了從“測風(fēng)味”到“算風(fēng)味”的跨越。

“過去研究發(fā)酵食品風(fēng)味，我們更多的是事后分析。比如巧克力做好了，檢測里面有哪些風(fēng)味物質(zhì)，再倒推可能是哪種微生物起了作用。但這種方式無法精準(zhǔn)控制過程，只能靠經(jīng)驗調(diào)整。”陳晶瑜說，而合成微生物群落技術(shù)則完全不同，它的核心步驟可以分為三步。

第一步是微生物組分析與功能菌株篩選。研究人員在識別傳統(tǒng)自然發(fā)酵食品中核心功能微生物群的基礎(chǔ)上，結(jié)合培養(yǎng)組學(xué)方法，可從自然發(fā)酵的食品中分離出成百上千種微生物，然后通過實驗了解每種微生物的功能，比如能否分解糖分、產(chǎn)生哪些代謝產(chǎn)物、是否會抑制其他微生物等，最終獲得功能明確的核心菌株。

第二步是解析代謝網(wǎng)絡(luò)。研究人員可通過宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)，繪制出群落中或者每種菌株可能的代謝路徑圖，進(jìn)而進(jìn)行驗證實驗，以求進(jìn)一步明晰這些代謝產(chǎn)物是如何提供風(fēng)味貢獻(xiàn)的。

第三步是精準(zhǔn)調(diào)控風(fēng)味。在上述研究的基礎(chǔ)上，研究人員通過數(shù)據(jù)整合與建模，設(shè)計合成微生物組，進(jìn)行群落組裝，同時，還可以控制發(fā)酵溫度和時間等參數(shù)，最終實現(xiàn)對風(fēng)味物質(zhì)的定向合成與調(diào)控。陳晶瑜解釋，這種調(diào)控不是憑感覺，而是基于明確的生物學(xué)機制，就像搭積木一樣，通過調(diào)整不同的模塊，得到想要的風(fēng)味成品。

值得注意的是，這項技術(shù)還解決了傳統(tǒng)自然發(fā)酵中的量化難題。陳晶瑜提到，傳統(tǒng)可可發(fā)酵中，工人判斷發(fā)酵終點主要靠感官經(jīng)驗，比如看可可豆的顏色從白色變成深棕色、聞其氣味是否有酸敗味等，但這種判斷沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，很容易出現(xiàn)發(fā)酵不足或發(fā)酵過度的問題。

李秀婷指出，這項研究為實現(xiàn)可可豆發(fā)酵從“靠經(jīng)驗”到“用數(shù)據(jù)”的轉(zhuǎn)變提供了三種工具：一是量化設(shè)計菌群，通過宏基因組學(xué)精準(zhǔn)識別關(guān)鍵功能菌株；二是指標(biāo)化監(jiān)控過程，明確pH值和溫度曲線為關(guān)鍵客觀指標(biāo)，未來可用傳感器監(jiān)測替代感官判斷；三是模型化預(yù)測風(fēng)味，建立微生物活動與風(fēng)味化合物的定量關(guān)聯(lián)模型，使通過監(jiān)測參數(shù)預(yù)測成品風(fēng)味成為可能。

可用于更多發(fā)酵食品生產(chǎn)

合成微生物群落技術(shù)驅(qū)動的風(fēng)味設(shè)計正邁向精準(zhǔn)化時代。這一突破不僅為巧克力產(chǎn)業(yè)帶來革命性前景，也為傳統(tǒng)發(fā)酵食品的現(xiàn)代化升級提供了新范式。通過解析微生物互作網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)味形成機制，科研人員正逐步揭開風(fēng)味背后的生物學(xué)密碼。

當(dāng)前，這一技術(shù)突破正加速向更多發(fā)酵食品賽道拓展。在云南咖啡產(chǎn)區(qū)，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院團隊的一項研究表明，合成菌群讓咖啡濕法發(fā)酵周期縮短了46.7%，同時實現(xiàn)了麝香貓咖啡的核心香氣復(fù)刻；在重慶永川豆豉生產(chǎn)中，由西華大學(xué)、西南大學(xué)等專家組成的研究團隊通過篩選曲霉屬、毛霉屬等核心菌株構(gòu)建定向菌群，穩(wěn)定了蛋白酶活性，解決了傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵批次波動的難題；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團隊為榨廣椒設(shè)計了由2種細(xì)菌、3種真菌組成的合成微生物群落，將其發(fā)酵周期縮短15天，顯著提升了揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)量，增強了榨廣椒的品質(zhì)穩(wěn)定性。

陳晶瑜強調(diào)，不同發(fā)酵食品的技術(shù)成熟度存在差異：葡萄酒、酸奶、奶酪等的風(fēng)味調(diào)控技術(shù)相對成熟，有較為豐富的菌種資源，已有商品化直投發(fā)酵劑；醬油、食醋雖然也開發(fā)了微生物直投發(fā)酵劑進(jìn)行接種發(fā)酵，但復(fù)雜香氣的形成在一定程度上仍依賴經(jīng)驗；而白酒、可可豆、紅茶等的發(fā)酵體系更復(fù)雜，其風(fēng)味調(diào)控技術(shù)還在發(fā)展中。未來，隨著技術(shù)的完善，這些依賴經(jīng)驗的發(fā)酵環(huán)節(jié)均有望通過數(shù)據(jù)化實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

李秀婷認(rèn)為，合成微生物群落技術(shù)的主要瓶頸在于群落調(diào)控算法。目前，微生物篩選已因技術(shù)進(jìn)步而變得更高效，然而真正的挑戰(zhàn)在于解析多菌種與環(huán)境因素間復(fù)雜的動態(tài)相互作用，并建立能精準(zhǔn)預(yù)測群落行為的數(shù)學(xué)模型。

隨著合成微生物群落技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵食品產(chǎn)業(yè)將迎來理念革新與技術(shù)躍遷。未來，基于可控菌群的智能發(fā)酵系統(tǒng)將實現(xiàn)按需定制，消費者可自由選擇心儀口感，傳統(tǒng)發(fā)酵食品的產(chǎn)業(yè)版圖也將被重構(gòu)。