酸奶生产过程中的微生物群体动态研究

酸奶生产中的微生物群体对产品品质具有决定性影响。本文围绕酸奶生产中微生物的选择、控制及其对酸奶品质的影响进行深入探讨，旨在优化酸奶生产工艺，提升产品的营养与健康价值。

1.酸奶生产的基本流程

酸奶生产的基本流程是一个精确和科学的步骤序列，它始于原料的选择和预处理。第一步先选择高质量的新鲜牛奶，通过巴氏消毒法进行灭菌处理，确保除去牛奶中的有害微生物，并保留对酸奶发酵有利的自然成分。灭菌后的牛奶需要冷却到适宜的发酵温度，通常在42℃-44℃之间，这一温度范围有利于发酵用乳酸菌的活性和生长。之后，向牛奶中加入经过精选的菌种，这些菌种主要包括嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌，它们是酸奶发酵的关键，能够将乳糖转化为乳酸，从而引起牛奶蛋白质的凝固，形成酸奶特有的质地和风味。发酵过程中，需要严格控制温度和时间，以确保微生物活动的效率和酸奶的质量。完成发酵后，酸奶会进行冷却和质检，确保其风味、质地和微生物安全性符合标准。最后进行包装，准备销售。这一过程不仅要求对生产环境和操作条件的精确控制，还需要对生产过程中微生物群体动态的持续监测，以保证产品的一致性和高质量。

2.酸奶中的主要微生物类群

2.1 乳酸菌

2.1.1嗜热链球菌

嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）是酸奶发酵的主要功能菌之一，最适生长温度为42℃-45℃。它能快速发酵乳糖产生乳酸，降低pH值，并产生乙醛等风味物质。嗜热链球菌还能分解乳中的蛋白质，释放游离氨基酸，增强酸奶的鲜味。某些菌株能产生胞外多糖，改善酸奶的黏稠度和口感。此外，嗜热链球菌具有一定的耐酸性，能在酸性环境中维持活性，有助于延长酸奶的保质期。

2.1.2 保加利亚乳杆菌

保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）是另一种重要的酸奶发酵菌，最适生长温度为45℃-50℃。它能产生大量乳酸，使酸奶pH值进一步降低至4.5左右。保加利亚乳杆菌还能产生乙醛、乙酸等风味物质，赋予酸奶独特的香味。这种菌还能分泌蛋白酶，水解酪蛋白，改善酸奶的质地和口感。保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌之间存在协同作用，共同促进酸奶的发酵和风味形成。

2.2 双歧杆菌

双歧杆菌（Bifidobacterium）是一类重要的益生菌，常被添加到酸奶中。双歧杆菌能够产生乳酸和乙酸，参与酸奶的发酵过程。它们还能产生维生素B族和抗菌物质，抑制有害菌的生长。双歧杆菌具有调节肠道菌群、增强免疫力、改善肠道功能等健康益处。然而，双歧杆菌对环境要求较高，在酸性条件下存活能力较差。因此，在酸奶生产中，需要特殊的保护措施和工艺控制。

2.3 酵母菌

酵母菌在传统发酵乳制品中扮演重要角色，但在现代工业化酸奶生产中通常被视为污染菌。某些酵母菌如克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）和德氏酵母（Debaryomyces hansenii）能够与乳酸菌共存，参与发酵过程。它们能够代谢乳糖，产生乙醇和二氧化碳，形成特殊的风味和质地。然而，过量的酵母菌生长可能导致酸奶变质，产生异味和气泡。因此，在工业化生产中，需要严格控制酵母菌的数量。

2.4 其他有益微生物

除了上述主要微生物类群，酸奶中还可能存在其他有益微生物。例如乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）能产生尼辛等抗菌肽，抑制有害菌生长。副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）具有较强的耐酸性，可作为益生菌添加到酸奶中。某些植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）能产生共轭亚油酸，具有抗氧化和调节免疫的功能。这些微生物的添加可以丰富酸奶的功能性，但需要考虑它们与主要发酵菌的相互作用及其对产品品质的影响。

3.酸奶生产过程中的微生物群体变化

3.1 接种初期的微生物组成

酸奶生产的接种初期，微生物群体主要由人为添加的发酵剂菌种构成，通常包括嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）和保加利亚乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus）。这两种菌株在数量上占绝对优势，初始接种浓度通常为106-107CFU/mL。除此之外，原料奶中可能还存在少量的其他乳酸菌、芽胞杆菌和假单胞菌等，但其数量相对较少，通常不超过103CFU/mL。接种初期的pH值接近中性（约6.6-6.8），为后续发酵过程中微生物的快速生长繁殖奠定了基础。

3.2 发酵过程中的群体演替

发酵过程中，微生物群体呈现出显著的动态变化。嗜热链球菌因其生长速度快，在发酵初期迅速增殖，产生乳酸和乙醛等代谢产物，使pH值降低至约5.5。随后，保加利亚乳杆菌开始大量繁殖，进一步降低pH值至4.6-4.3。两种菌株之间存在协同作用：链球菌产生的甲酸刺激乳杆菌生长，而乳杆菌产生的氨基酸和肽则促进链球菌生长。发酵后期，由于pH值降低和营养逐渐耗尽，微生物生长速度减缓，最终菌数稳定在108-109CFU/mL左右。同时，原料奶中的其他微生物大多因不耐酸而被抑制或灭活。

3.3 后处理阶段的微生物群体特征

酸奶发酵完成后，进入后处理阶段，包括冷却、均质和灌装等步骤。此阶段微生物群体的特征主要表现为：（1）发酵菌株（嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌）的数量基本稳定，但代谢活性显著降低。（2）部分耐冷菌株（如部分乳酸菌属和明串珠菌属）在低温下呈缓慢生长。（3）后处理过程中会引入少量污染菌，如芽胞杆菌和酵母菌，但其数量通常较低（<102CFU/mL）。此阶段的关键在于快速冷却，将温度降至4℃以下，以抑制微生物的代谢活动，防止过度酸化和组织分离。

3.4 储存期间的微生物群体变化

在冷藏储存期间，酸奶中的微生物群体仍然处于动态变化中，尽管变化速度较为缓慢。主要特征包括：（1）发酵菌株数量缓慢下降，但仍保持在106-108CFU/mL水平。（2）部分耐冷乳酸菌（如明串珠菌属）缓慢增殖。（3）酵母菌在有氧条件下可能缓慢生长，尤其是在包装不密封的情况下。（4）芽胞杆菌可能从休眠状态转为活跃状态，但在低pH环境中生长受限。这些变化可能导致酸奶pH值略微降低（约0.1-0.2个单位），并影响产品的风味和质地。

4.微生物群体动态对酸奶品质的影响

4.1 风味形成

发酵过程中，嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌通过代谢乳糖产生乳酸，赋予酸奶特有的酸味。同时，这些菌株还产生多种风味物质，如乙醛（主要由乳杆菌产生，赋予酸奶特征性香气）、乙酸、丙酮和双乙酰等。不同菌株的比例和代谢活性会影响这些风味物质的产量和平衡。例如，链球菌与乳杆菌的比例影响乳酸与乙醛的比例，进而影响酸奶的酸甜平衡。此外，某些非发酵菌株（如明串珠菌属）在储存期间的生长可能产生额外的风味物质，如乙醇和酯类，影响产品的整体风味特征。

4.2 质地改变

微生物群体动态对酸奶质地的影响主要体现在蛋白质凝胶网络的形成和稳定性上。发酵过程中，乳酸菌产生的乳酸使酪蛋白等离子化并凝聚，形成凝胶结构。不同菌株产酸速率和产酸模式的差异会影响凝胶形成的动力学特性，进而影响最终产品的稠度和黏性。例如快速产酸会导致更紧密的凝胶网络，而缓慢产酸则可能形成更松散的结构。此外，某些菌株（如保加利亚乳杆菌）产生的胞外多糖可增强凝胶的保水性和稳定性。在储存期间，持续的微生物代谢活动还会导致蛋白质进一步水解，影响产品的黏稠度和口感。

4.3 保质期影响

发酵过程中产生的乳酸降低pH值（通常至4.6以下），抑制了大多数腐败菌和病原菌的生长，延长了产品的保质期。某些乳酸菌产生的抗菌物质（如细菌素）可进一步抑制有害微生物的生长。然而，在储存期间，耐酸微生物（如某些酵母菌和乳酸菌）的缓慢生长还会导致产品变质，表现为气胀、异味或质地变化。此外，发酵菌群持续的代谢活动会导致过度酸化，影响产品风味和质地。因此，控制储存温度、避免交叉污染以及选择适当的菌种组合（如具有较低后酸化能力的菌株）对延长酸奶保质期至关重要。

5.调控微生物群体动态的策略

5.1 菌种选择与优化

菌种选择与优化是调控酸奶微生物群体动态的关键策略。首先，应选择具有良好产酸能力、风味生成特性和稳定性的菌株。通过高通量筛选和基因组分析，识别具有潜在益生特性的菌株。菌种优化可以利用定向进化和基因工程技术，提高菌株的耐受性和功能性。例如通过适应性进化培养出耐酸性更强的菌株，或通过基因编辑增强菌株的代谢能力。构建复合菌种也是一种有效策略，通过组合不同功能的菌株，实现协同发酵，平衡产酸速率和风味生成。在菌种选择过程中，还需考虑菌株间的相互作用，确保它们能够和谐共存，避免竞争抑制。

5.2 发酵工艺参数调整

温度是发酵工艺关键参数之一，不同微生物的最适生长温度各不相同，通过精确控制发酵温度可以调节各菌种的生长速率。例如可采用阶段性温度控制策略，初期维持较高温度促进嗜热链球菌快速生长，后期降低温度以平衡乳杆菌的生长。pH值是另一个重要参数，可通过缓冲剂添加或pH自动调节系统来控制酸化速率，从而影响微生物的生长和代谢。接种量的调整也能显著影响微生物群体动态，较高的接种量可加快发酵速度，但可能影响风味形成。另外，搅拌速度、氧气含量等参数也会影响微生物的生长和代谢，需要根据具体菌种特性进行优化。

5.3 添加剂的应用

添加剂的应用是调控微生物群体动态的有效补充策略。预生物质（如低聚果糖、低聚半乳糖）可选择性促进益生菌的生长，增强其在酸奶中的存活能力。抗氧化剂（如维生素C、植物多酚）可以保护敏感菌株免受氧化应激，延长其存活时间。某些矿物质（如锌、锰）作为微量元素可促进特定菌株的生长和代谢。添加适量的蛋白水解物可为微生物提供易利用的氮源，促进其生长。针对性益生元的应用，如特定的膳食纤维，可选择性刺激目标菌群的生长。然而，添加剂的使用需要谨慎，需考虑其对产品风味、质地的影响以及可能引起的交叉反应。

5.4 环境应激预适应

环境应激预适应是通过在发酵前对菌种进行特定环境因子的预处理，增强其在实际发酵过程中的适应能力和稳定性。例如可对菌种进行渐进式酸度预适应，提高其在低pH环境中的存活率。冷冻干燥前的渗透压预处理可以提高菌株在复水后的活性。亚致死热处理可诱导菌株产生热休克蛋白，增强其耐热性。氧化应激预适应可提高厌氧菌在微氧环境中的存活能力。这些预适应处理可以激活菌株的应激反应机制，诱导保护性基因的表达，从而提高菌株在发酵过程中的稳定性和功能性。然而，预适应处理的强度和时间需要精确控制，以避免对菌株造成不可逆的损伤。

结论

通过全面分析酸奶生产中微生物群体的动态变化，揭示了菌种选择、发酵工艺参数及添加剂等因素对产品品质的关键影响。未来研究应进一步优化微生物管理策略，探索环境应激预适应等新技术，以提高酸奶的营养价值和市场竞争力。

基金项目

2022年江西省教育厅科技项目GJJ2206101“常温型莲子百合淮山褐色酸奶的工艺研究”（基金号：GJJ2206101））。

作者简介

王一亭（1984.06-），女，汉族，江西武宁人，硕士，副教授；研究方向：食品工程与科学、食品检验检测技术。