食品酿造微生态与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，
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，可深化消化道微生态规律性研究，同时，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
1 食品酿造微生态“五三”原理
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CH4、CO2、H2S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N2、O2以及部分CO2。N2和CO2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和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。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）。