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北京工商大学：基于互作机制的食品发酵微生物互作动态
发布时间：
2026-04-02
来源：
NSTL食品安全与健康
导读
2025年3月，北京工商大学的第一作者 Zixuan Cheng与通讯作者 Bowen Wang在《Food Bioscience》期刊发表题为 “Interactive mechanism-guided microbial interaction dynamics in food fermentations: Lactic acid bacteria and yeasts as a case example”的综述论文。文章聚焦乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB，乳酸菌）与酵母（yeasts）在传统发酵食品中的互作关系，梳理其种群分布、互作机制及其在风味形成与过程调控中的作用。
🔬摘要
文章指出，传统发酵食品（白酒、葡萄酒、酱油、食醋、泡菜、面团、乳制品等）多依赖开放或半开放发酵体系，酵母（以酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae和非酿酒酵母为代表）与乳酸菌（包括同型与异型发酵乳酸菌）构成核心菌群，通过糖代谢、产酸、产醇、产酯及蛋白/脂类降解共同塑造风味与品质。作者系统归纳了不同类型发酵食品中主要酵母与乳酸菌的分布格局及其代谢功能，重点分析四类典型互作关系：酿酒酵母–同型发酵乳酸菌、酿酒酵母–异型发酵乳酸菌、非酿酒酵母–同型发酵乳酸菌及非酿酒酵母–异型发酵乳酸菌。在此基础上，综述从交叉营养（cross-feeding）、营养竞争（nutrition competition）和群体感应（quorum sensing, QS）三个层面提出“互作机制驱动互作动态”的框架，并进一步引出“构建菌种资源库—优化发酵过程监控—设计合成微生态”三条调控思路，为从“经验式自然发酵”走向“可设计、可预测、可调控”的现代发酵工业提供理论支撑。
引言
引言回顾了发酵作为最古老的食品保藏与风味形成技术之一，在改善感官品质、延长保质期、提高营养价值及降低抗营养因子方面的关键作用，并强调传统发酵食品是人类共同的“微生物文化遗产”。在自然或半自然发酵体系中，多种真菌和细菌共同参与原料向终产品的生化转化，其中酵母负责糖发酵、产生乙醇和酯类等芳香物质，同时具备抑菌作用；乳酸菌则通过同型或异型乳酸发酵产生乳酸、醋酸及风味前体，并稳定微生态。然而，目前对这些菌群间互作的基因型基础、动态演替及关键调控因子仍缺乏系统认识，限制了对自发发酵过程的精准控制与质量优化。为此，本文以乳酸菌与酵母为切入点，从微生物群落组成与功能出发，系统分析其互作模式与驱动机制，并探索通过“选菌—定序接种—构建合成微生态”实现可调控发酵的新路径。
研究内容
1、全球发酵食品中酵母与乳酸菌的分布与代谢功能概述
文章首先从宏观角度梳理了酿酒酵母与非酿酒酵母以及同型/异型发酵乳酸菌在不同类型发酵食品中的分布格局：在浓香型和酱香型白酒、葡萄酒、酱油、食醋、面团、发酵乳、泡菜等体系中，酿酒酵母几乎普遍存在，而Pichia、Candida、Zygosaccharomyces、Metschnikowia、Kluyveromyces等非酿酒酵母多在发酵初期占优势，贡献酯类、醛酮类和多种水解酶。乳酸菌方面，同型发酵乳酸菌（如Lactiplantibacillus plantarum, Lactobacillus delbrueckii, Streptococcus thermophilus, Pediococcus pentosaceus等）以产乳酸为主，强化酸度与抑菌效应；异型发酵乳酸菌（如 Leuconostoc、Lactobacillus brevis、Lactobacillus buchneri等）同时产生乳酸、醋酸和乙醇，参与更复杂的风味构建。作者通过整理不同发酵食品中LAB与酵母的“主导菌表”，强调菌种组合及其协同代谢，是形成地域特色风味与健康功能的关键起点。
2、乳酸菌–酵母互作模式：从互利共生到竞争抑制
论文系统归纳了四大类互作类型：
（1）酿酒酵母–同型发酵乳酸菌：多表现为互利共生和协同代谢，如S. cerevisiae与 L. plantarum在葡萄酒、白酒及啤酒中可通过乳酸与氨基酸等的“交叉营养”促进彼此生长，增强有机酸与酯类产生、降低高级醇含量，并通过接种比例与接种顺序调控总体风味；
（2）酿酒酵母–异型发酵乳酸菌：在白酒和葡萄酒等低酸酒类中则呈现更复杂的“先促后抑”模式——在低乙醇条件下，异型LAB可促进 S. cerevisiae生长并调节硫代风味物质形成，但随着乙醇升高，酵母又通过代谢产物或抗菌肽对 LAB 产生抑制，同时在共培养中可降低潜在风险因子如氨基甲酸乙酯；
（3）非酿酒酵母–同型发酵乳酸菌：如Pichia kudriavzevii、Kluyveromyces marxianus与 L. paracasei、L. bulgaricus在发酵乳、马奶酒等体系中既存在互促产酸、产肽的共生关系，也因糖源和氮源竞争导致酵母生长被 LAB 压制；
（4）非酿酒酵母–异型发酵乳酸菌：往往表现为LAB主导的抑制型互作，异型LAB通过有机酸和抑菌代谢物限制酵母繁殖，但两者共存又有助于苹果酸–乳酸发酵、乙乳酸和总酯形成，改善酒体柔和度与香气。作者通过多个典型案例强调：相同菌种在不同基质与工艺条件下的互作方向和强度均可显著改变。
3、交叉营养、营养竞争与群体感应驱动的互作机制及调控框架
在机制层面，作者提出乳酸菌与酵母之间的互作主要由三类机制驱动：
（1）交叉营养（cross-feeding）：包括糖、有机酸、氨基酸、维生素以及酶的相互供给，例如 LAB 产生乳糖酶与乳酸，为不具乳糖代谢能力的酵母提供碳源，而酵母则释放氨基酸与维生素促进 LAB 生长；
（2）营养竞争（nutrition competition）：不同菌种围绕有限糖源和氮源展开“资源争夺战”，如发酵乳中 LAB 通过快速利用乳糖与糖原，抑制 Kluyveromyces，青贮中 LAB 与酵母争夺可溶性糖决定最终优势群落；
（3）群体感应（quorum sensing, QS）：包括细菌间由 AI-2、AIP 介导的 QS 以及酵母中由色氨酸代谢物、醇类和有机酸等介导的“信号–响应”过程，通过调节风味相关基因表达，改变代谢通量与互作模式。基于上述三类机制，文章提出通过构建菌种资源库、加强发酵过程环境因子监管（温度、pH、氧、盐度等）以及设计“合成微生态”（synthetic micro-ecology）三条路径，实现对互作机制的定向“选型”和精细调控，从而在简化社区中重构传统发酵体系的风味与功能。
总结与展望
文章认为， “以互作机制为导向的菌群设计与过程调控”是传统发酵食品迈向现代工业化与精准调控的关键支点：通过识别和放大有利的交叉营养与 QS 机制，以及适度利用营养竞争，可在保持地域与风味特色的前提下，提高发酵稳定性与产品一致性。作者提出未来应重点推进三方面工作：其一，构建系统化的食品微生物资源库与互作数据库，结合多组学技术解析不同菌组合的代谢贡献与互作网络；其二，发展在线监测与过程控制技术，以关键代谢物和信号分子为“指示灯”动态调节发酵环境，选取适宜的接种顺序和比例；其三，设计可控的合成微生态体系，在实验室与中试规模下重构传统发酵社区，并借助合成生物学与人工智能模型，对“菌种–机制–风味/功能”关系进行预测与优化。作者认为，在生物技术和AI快速发展的背景下，围绕乳酸菌–酵母互作机制开展的合成微生态设计，将为“健康导向与风味导向”的新一代发酵食品提供重要机遇。
🔗原文链接
https://doi.org/10.1016/j.fbio.2025.106453
🧭主题分类
✅发酵食品微生物群落与风味形成
✅乳酸菌与酵母互作机制
✅交叉营养 / 营养竞争 / 群体感应
✅合成微生态与现代发酵过程控制
图文赏析
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