酸奶生產過程中的微生物群體動態研究

酸奶生產中的微生物群體對產品品質具有決定性影響。本文圍繞酸奶生產中微生物的選擇、控制及其對酸奶品質的影響進行深入探討，旨在優化酸奶生產工藝，提升產品的營養與健康價值。

1.酸奶生產的基本流程

酸奶生產的基本流程是一個精確和科學的步驟序列，它始于原料的選擇和預處理。第一步先選擇高質量的新鮮牛奶，通過巴氏消毒法進行滅菌處理，確保除去牛奶中的有害微生物，并保留對酸奶發酵有利的自然成分。滅菌后的牛奶需要冷卻到適宜的發酵溫度，通常在42℃-44℃之間，這一溫度范圍有利于發酵用乳酸菌的活性和生長。之后，向牛奶中加入經過精選的菌種，這些菌種主要包括嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌，它們是酸奶發酵的關鍵，能夠將乳糖轉化為乳酸，從而引起牛奶蛋白質的凝固，形成酸奶特有的質地和風味。發酵過程中，需要嚴格控制溫度和時間，以確保微生物活動的效率和酸奶的質量。完成發酵后，酸奶會進行冷卻和質檢，確保其風味、質地和微生物安全性符合標準。最后進行包裝，準備銷售。這一過程不僅要求對生產環境和操作條件的精確控制，還需要對生產過程中微生物群體動態的持續監測，以保證產品的一致性和高質量。

2.酸奶中的主要微生物類群

2.1 乳酸菌

2.1.1嗜熱鏈球菌

嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）是酸奶發酵的主要功能菌之一，最適生長溫度為42℃-45℃。它能快速發酵乳糖產生乳酸，降低pH值，并產生乙醛等風味物質。嗜熱鏈球菌還能分解乳中的蛋白質，釋放游離氨基酸，增強酸奶的鮮味。某些菌株能產生胞外多糖，改善酸奶的黏稠度和口感。此外，嗜熱鏈球菌具有一定的耐酸性，能在酸性環境中維持活性，有助于延長酸奶的保質期。

2.1.2 保加利亞乳桿菌

保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）是另一種重要的酸奶發酵菌，最適生長溫度為45℃-50℃。它能產生大量乳酸，使酸奶pH值進一步降低至4.5左右。保加利亞乳桿菌還能產生乙醛、乙酸等風味物質，賦予酸奶獨特的香味。這種菌還能分泌蛋白酶，水解酪蛋白，改善酸奶的質地和口感。保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌之間存在協同作用，共同促進酸奶的發酵和風味形成。

2.2 雙歧桿菌

雙歧桿菌（Bifidobacterium）是一類重要的益生菌，常被添加到酸奶中。雙歧桿菌能夠產生乳酸和乙酸，參與酸奶的發酵過程。它們還能產生維生素B族和抗菌物質，抑制有害菌的生長。雙歧桿菌具有調節腸道菌群、增強免疫力、改善腸道功能等健康益處。然而，雙歧桿菌對環境要求較高，在酸性條件下存活能力較差。因此，在酸奶生產中，需要特殊的保護措施和工藝控制。

2.3 酵母菌

酵母菌在傳統發酵乳制品中扮演重要角色，但在現代工業化酸奶生產中通常被視為污染菌。某些酵母菌如克魯維酵母（Kluyveromyces marxianus）和德氏酵母（Debaryomyces hansenii）能夠與乳酸菌共存，參與發酵過程。它們能夠代謝乳糖，產生乙醇和二氧化碳，形成特殊的風味和質地。然而，過量的酵母菌生長可能導致酸奶變質，產生異味和氣泡。因此，在工業化生產中，需要嚴格控制酵母菌的數量。

2.4 其他有益微生物

除了上述主要微生物類群，酸奶中還可能存在其他有益微生物。例如乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）能產生尼辛等抗菌肽，抑制有害菌生長。副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）具有較強的耐酸性，可作為益生菌添加到酸奶中。某些植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）能產生共軛亞油酸，具有抗氧化和調節免疫的功能。這些微生物的添加可以豐富酸奶的功能性，但需要考慮它們與主要發酵菌的相互作用及其對產品品質的影響。

3.酸奶生產過程中的微生物群體變化

3.1 接種初期的微生物組成

酸奶生產的接種初期，微生物群體主要由人為添加的發酵劑菌種構成，通常包括嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亞乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）。這兩種菌株在數量上占絕對優勢，初始接種濃度通常為106-107CFU/mL。除此之外，原料奶中可能還存在少量的其他乳酸菌、芽胞桿菌和假單胞菌等，但其數量相對較少，通常不超過103CFU/mL。接種初期的pH值接近中性（約6.6-6.8），為后續發酵過程中微生物的快速生長繁殖奠定了基礎。

3.2 發酵過程中的群體演替

發酵過程中，微生物群體呈現出顯著的動態變化。嗜熱鏈球菌因其生長速度快，在發酵初期迅速增殖，產生乳酸和乙醛等代謝產物，使pH值降低至約5.5。隨后，保加利亞乳桿菌開始大量繁殖，進一步降低pH值至4.6-4.3。兩種菌株之間存在協同作用：鏈球菌產生的甲酸刺激乳桿菌生長，而乳桿菌產生的氨基酸和肽則促進鏈球菌生長。發酵后期，由于pH值降低和營養逐漸耗盡，微生物生長速度減緩，最終菌數穩定在108-109CFU/mL左右。同時，原料奶中的其他微生物大多因不耐酸而被抑制或滅活。

3.3 后處理階段的微生物群體特征

酸奶發酵完成后，進入后處理階段，包括冷卻、均質和灌裝等步驟。此階段微生物群體的特征主要表現為：（1）發酵菌株（嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌）的數量基本穩定，但代謝活性顯著降低。（2）部分耐冷菌株（如部分乳酸菌屬和明串珠菌屬）在低溫下呈緩慢生長。（3）后處理過程中會引入少量污染菌，如芽胞桿菌和酵母菌，但其數量通常較低（<102CFU/mL）。此階段的關鍵在于快速冷卻，將溫度降至4℃以下，以抑制微生物的代謝活動，防止過度酸化和組織分離。

3.4 儲存期間的微生物群體變化

在冷藏儲存期間，酸奶中的微生物群體仍然處于動態變化中，盡管變化速度較為緩慢。主要特征包括：（1）發酵菌株數量緩慢下降，但仍保持在106-108CFU/mL水平。（2）部分耐冷乳酸菌（如明串珠菌屬）緩慢增殖。（3）酵母菌在有氧條件下可能緩慢生長，尤其是在包裝不密封的情況下。（4）芽胞桿菌可能從休眠狀態轉為活躍狀態，但在低pH環境中生長受限。這些變化可能導致酸奶pH值略微降低（約0.1-0.2個單位），并影響產品的風味和質地。

4.微生物群體動態對酸奶品質的影響

4.1 風味形成

發酵過程中，嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌通過代謝乳糖產生乳酸，賦予酸奶特有的酸味。同時，這些菌株還產生多種風味物質，如乙醛（主要由乳桿菌產生，賦予酸奶特征性香氣）、乙酸、丙酮和雙乙酰等。不同菌株的比例和代謝活性會影響這些風味物質的產量和平衡。例如，鏈球菌與乳桿菌的比例影響乳酸與乙醛的比例，進而影響酸奶的酸甜平衡。此外，某些非發酵菌株（如明串珠菌屬）在儲存期間的生長可能產生額外的風味物質，如乙醇和酯類，影響產品的整體風味特征。

4.2 質地改變

微生物群體動態對酸奶質地的影響主要體現在蛋白質凝膠網絡的形成和穩定性上。發酵過程中，乳酸菌產生的乳酸使酪蛋白等離子化并凝聚，形成凝膠結構。不同菌株產酸速率和產酸模式的差異會影響凝膠形成的動力學特性，進而影響最終產品的稠度和黏性。例如快速產酸會導致更緊密的凝膠網絡，而緩慢產酸則可能形成更松散的結構。此外，某些菌株（如保加利亞乳桿菌）產生的胞外多糖可增強凝膠的保水性和穩定性。在儲存期間，持續的微生物代謝活動還會導致蛋白質進一步水解，影響產品的黏稠度和口感。

4.3 保質期影響

發酵過程中產生的乳酸降低pH值（通常至4.6以下），抑制了大多數腐敗菌和病原菌的生長，延長了產品的保質期。某些乳酸菌產生的抗菌物質（如細菌素）可進一步抑制有害微生物的生長。然而，在儲存期間，耐酸微生物（如某些酵母菌和乳酸菌）的緩慢生長還會導致產品變質，表現為氣脹、異味或質地變化。此外，發酵菌群持續的代謝活動會導致過度酸化，影響產品風味和質地。因此，控制儲存溫度、避免交叉污染以及選擇適當的菌種組合（如具有較低后酸化能力的菌株）對延長酸奶保質期至關重要。

5.調控微生物群體動態的策略

5.1 菌種選擇與優化

菌種選擇與優化是調控酸奶微生物群體動態的關鍵策略。首先，應選擇具有良好產酸能力、風味生成特性和穩定性的菌株。通過高通量篩選和基因組分析，識別具有潛在益生特性的菌株。菌種優化可以利用定向進化和基因工程技術，提高菌株的耐受性和功能性。例如通過適應性進化培養出耐酸性更強的菌株，或通過基因編輯增強菌株的代謝能力。構建復合菌種也是一種有效策略，通過組合不同功能的菌株，實現協同發酵，平衡產酸速率和風味生成。在菌種選擇過程中，還需考慮菌株間的相互作用，確保它們能夠和諧共存，避免競爭抑制。

5.2 發酵工藝參數調整

溫度是發酵工藝關鍵參數之一，不同微生物的最適生長溫度各不相同，通過精確控制發酵溫度可以調節各菌種的生長速率。例如可采用階段性溫度控制策略，初期維持較高溫度促進嗜熱鏈球菌快速生長，后期降低溫度以平衡乳桿菌的生長。pH值是另一個重要參數，可通過緩沖劑添加或pH自動調節系統來控制酸化速率，從而影響微生物的生長和代謝。接種量的調整也能顯著影響微生物群體動態，較高的接種量可加快發酵速度，但可能影響風味形成。另外，攪拌速度、氧氣含量等參數也會影響微生物的生長和代謝，需要根據具體菌種特性進行優化。

5.3 添加劑的應用

添加劑的應用是調控微生物群體動態的有效補充策略。預生物質（如低聚果糖、低聚半乳糖）可選擇性促進益生菌的生長，增強其在酸奶中的存活能力。抗氧化劑（如維生素C、植物多酚）可以保護敏感菌株免受氧化應激，延長其存活時間。某些礦物質（如鋅、錳）作為微量元素可促進特定菌株的生長和代謝。添加適量的蛋白水解物可為微生物提供易利用的氮源，促進其生長。針對性益生元的應用，如特定的膳食纖維，可選擇性刺激目標菌群的生長。然而，添加劑的使用需要謹慎，需考慮其對產品風味、質地的影響以及可能引起的交叉反應。

5.4 環境應激預適應

環境應激預適應是通過在發酵前對菌種進行特定環境因子的預處理，增強其在實際發酵過程中的適應能力和穩定性。例如可對菌種進行漸進式酸度預適應，提高其在低pH環境中的存活率。冷凍干燥前的滲透壓預處理可以提高菌株在復水后的活性。亞致死熱處理可誘導菌株產生熱休克蛋白，增強其耐熱性。氧化應激預適應可提高厭氧菌在微氧環境中的存活能力。這些預適應處理可以激活菌株的應激反應機制，誘導保護性基因的表達，從而提高菌株在發酵過程中的穩定性和功能性。然而，預適應處理的強度和時間需要精確控制，以避免對菌株造成不可逆的損傷。

結論

通過全面分析酸奶生產中微生物群體的動態變化，揭示了菌種選擇、發酵工藝參數及添加劑等因素對產品品質的關鍵影響。未來研究應進一步優化微生物管理策略，探索環境應激預適應等新技術，以提高酸奶的營養價值和市場競爭力。

基金項目

2022年江西省教育廳科技項目GJJ2206101“常溫型蓮子百合淮山褐色酸奶的工藝研究”（基金號：GJJ2206101））。

作者簡介

王一亭（1984.06-），女，漢族，江西武寧人，碩士，副教授；研究方向：食品工程與科學、食品檢驗檢測技術。