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“五三”原理比較簡(jiǎn)析——食品釀造微生態(tài)與人體消化道微生態(tài)規(guī)律性研究

摘　要：食品釀造普遍存在著“固－液－氣的相變、菌種到種群到群落的生態(tài)演替、物系－菌系－酶系的相互關(guān)聯(lián)、好氧→微氧→厭氧的代謝過程、體系溫度前緩→中挺→后緩落有序變化”等“五法則三層次”規(guī)律，人體消化道內(nèi)的食品發(fā)酵也存在著類似的規(guī)律性。通過比較分析，可深化人體消化道微生態(tài)規(guī)律性研究，同時(shí)，人體消化道微生態(tài)平衡理論可為深入研究食品釀造微生態(tài)自愈力提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：微生態(tài)；規(guī)律性

　　生態(tài)釀酒（造）指保護(hù)與建設(shè)適宜釀酒（造）微生物生長(zhǎng)、繁殖的生態(tài)環(huán)境，以安全、健康、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)資源的最大利用和循環(huán)使用。而食品釀造采用自然環(huán)境下的微生物發(fā)酵方式，通過對(duì)微生物發(fā)酵環(huán)境中的物質(zhì)形態(tài)變化、微生物生長(zhǎng)繁殖過程、微生物生長(zhǎng)的底物環(huán)境與相應(yīng)產(chǎn)生的酶系、發(fā)酵過程中的氧變和溫度變化規(guī)律等總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)食品釀造普遍存在著“固－液－氣三相變化、菌種到種群到群落的生態(tài)演替、物系－菌系－酶系相互關(guān)聯(lián)、好氧→微氧→厭氧的代謝過程、體系溫度前緩→中挺→后緩落有序變化”等“五法則三層次”規(guī)律（以下簡(jiǎn)稱“五三”原理）。而其微生態(tài)（微生物在微小或特定的環(huán)境下生存和發(fā)展的狀態(tài)，也指微生物的生理特性和生活習(xí)性，下同）環(huán)境一方面表現(xiàn)出促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)、繁殖、代謝，生產(chǎn)出安全、健康、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的產(chǎn)品，同時(shí)抑制有害微生物的生長(zhǎng)；另一方面通過優(yōu)化微生物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵“宿主”（如釀酒窖池等發(fā)酵容器）的微生態(tài)平衡，促進(jìn)宿主的安全健康成長(zhǎng)（如窖池的漸進(jìn)老熟）；同時(shí)，對(duì)人體的食品消化過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了在人體吃入食品后，通過消化道內(nèi)的微生物群和宿主產(chǎn)生的酶對(duì)食物進(jìn)行分解消化，形成可被吸收利用的養(yǎng)分供宿主吸收。整個(gè)過程伴隨微生物對(duì)食品的發(fā)酵利用，也表現(xiàn)出了食品形態(tài)變化、物系與菌系酶系共存、菌系定位分布和定性定量特征、氧化還原電勢(shì)遞變、溫度控制等與食品釀造“五三”原理相類似的規(guī)律性。同時(shí)，通過優(yōu)化消化道發(fā)酵環(huán)境促進(jìn)正常微生物的生長(zhǎng)、繁殖、代謝，確保人體所需營養(yǎng)物質(zhì)的安全、健康，并抑制有害菌的生長(zhǎng)，維持人體消化道微生態(tài)的平衡，保證人體的安全、健康。現(xiàn)就食品釀造微生態(tài)和人體消化道微生態(tài)中的“五三”原理簡(jiǎn)析如下：

　　1 食品釀造微生態(tài)“五三”原理

　　中國的食品釀造多采用固態(tài)發(fā)酵方式，利用微生物發(fā)酵的傳統(tǒng)工藝技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品。通過對(duì)微觀環(huán)境的過程進(jìn)行大量生產(chǎn)驗(yàn)證，總結(jié)出多菌種固態(tài)發(fā)酵過程中廣泛存在“五三”原理，體現(xiàn)為五法則三層次。

　　①固態(tài)發(fā)酵過程中固－液－氣三相協(xié)同作用，三相的比例及轉(zhuǎn)化程度直接影響到發(fā)酵質(zhì)量；

　　②各類微生物在發(fā)酵過程中，經(jīng)歷從菌種到種群再到群落的生態(tài)演替過程；

　　③微生物所處環(huán)境中的物系－菌系－酶系相互影響、相互關(guān)聯(lián)，處于一種不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡中；

　　④自然封閉狀態(tài)下，整個(gè)微生物體系要經(jīng)歷從好氧→微氧→厭氧的代謝環(huán)境；

　　⑤體系溫度變化總會(huì)表現(xiàn)出前緩→中挺→后緩落的共同特征。縱觀封閉系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵過程，不管生產(chǎn)工藝如何改變，其實(shí)質(zhì)都是在遵循“五三”原理（規(guī)律）的前提下，通過人為控制微生物生長(zhǎng)代謝的外界條件，以及增減或改變微生物種類和數(shù)量的方式，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)、繁殖、代謝，生產(chǎn)出安全、健康、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的產(chǎn)品，同時(shí)抑制有害微生物的生長(zhǎng)，優(yōu)化發(fā)酵過程，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵微生態(tài)功能性物質(zhì)、能量、信息的有效傳遞，保證釀造微生態(tài)系統(tǒng)平衡和宿主的安全、健康。

　　1.1 固相－液相－氣相三相關(guān)系及變化規(guī)律

　　任何一個(gè)固態(tài)發(fā)酵過程，都離不開固－液－氣三個(gè)相態(tài)，且三種相態(tài)在特定條件下會(huì)發(fā)生一定程度轉(zhuǎn)化，它的轉(zhuǎn)化速度和幅度，會(huì)直接影響到產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量。研究三相比例及變化，對(duì)食品釀造的工藝創(chuàng)新具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。下面以固態(tài)白酒發(fā)酵為例簡(jiǎn)述固－液－氣三相變化規(guī)律。

　　1.1.1 固相－微生物營養(yǎng)、體系物料主體及發(fā)酵宿主

　　固態(tài)白酒發(fā)酵過程中所使用的各種谷物糧食、曲粉、稻殼和續(xù)糟等固形顆粒以及發(fā)酵容器（如窖池等），都屬于固相范疇。

　　首先是提供營養(yǎng)源。微生物在持續(xù)生長(zhǎng)繁殖代謝過程中，不僅需要C源、N源，而且需要能量、水分、空氣等。固相物料中不同種類有機(jī)原料均含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。原料中的蛋白質(zhì)，可提供微生物生長(zhǎng)繁殖所需要的氮源；灰分中的P、Mg、K、S、Ca等，是構(gòu)成細(xì)胞和輔酶的重要成分，并起到調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓作用；碳水化合物是發(fā)酵的基礎(chǔ)物料；固態(tài)白酒發(fā)酵后續(xù)糟中有大量熟淀粉和殘?zhí)牵晒┪⑸镏苯永谩?/p>

　　其次是發(fā)酵載體。在固態(tài)發(fā)酵中，物料液態(tài)物質(zhì)被吸收到固體顆粒內(nèi)部，在進(jìn)入封閉體系后，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，微生物需從顆粒上吸收營養(yǎng)，并依附在顆粒表面進(jìn)行繁殖、發(fā)酵，其代謝產(chǎn)物也附著在固體物料表面。這使物料的固體物質(zhì)成為了發(fā)酵的載體。

　　其三是提供了發(fā)酵場(chǎng)所，在固態(tài)白酒發(fā)酵過程中，酵母、霉菌等微生物伴隨物料、空氣、生產(chǎn)用具等進(jìn)入發(fā)酵容器，參與發(fā)酵過程，進(jìn)入發(fā)酵后期，隨著生物環(huán)境酸度增加、厭氧等變化，酵母、霉菌等好氧和兼性厭氧性微生物逐漸衰亡或自溶，外源性生物因子功能逐漸弱化，而發(fā)酵“宿主”（發(fā)酵容器）中的內(nèi)源性功能微生物（如梭狀芽苞桿菌等）成了優(yōu)勢(shì)菌群，其代謝產(chǎn)生的酯化酶促進(jìn)了產(chǎn)品中香味有機(jī)成分的合成。

　　1.1.2 液相－發(fā)酵場(chǎng)所、微生物營養(yǎng)載體及發(fā)酵“宿主”營養(yǎng)源

　　液相調(diào)節(jié)發(fā)酵微環(huán)境。在多菌種復(fù)合作用下，固態(tài)原料不斷消耗，新物質(zhì)持續(xù)生成，微環(huán)境的溫度、濕度、酸度、糖濃度、酒精度、滲透壓等會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大幅度波動(dòng)。發(fā)酵過程中淀粉被微生物轉(zhuǎn)化為熱能、酸、醇、酯等新物質(zhì)。如果沒有液態(tài)水，或者水分不足，熱量不能及時(shí)散發(fā)和傳遞，溫度急劇上升出現(xiàn)“干燒”，對(duì)微生物生理結(jié)構(gòu)形成破壞；伴隨代謝產(chǎn)物越積越多，微環(huán)境滲透壓快速增加，部分微生物不再適應(yīng)高酸、濃糖環(huán)境，生長(zhǎng)代謝必定受到抑制。無論物料表面游離水，還是新陳代謝產(chǎn)生的液態(tài)水，都可對(duì)各類水溶性物質(zhì)進(jìn)行溶解稀釋，并使其伴隨著水分緩慢流動(dòng)而逐漸轉(zhuǎn)移，以促進(jìn)發(fā)酵平衡。

　　液相與氣態(tài)物質(zhì)傳輸采用液－氣雙膜傳遞方式進(jìn)行。酵母菌等微生物所耗用的氧氣屬于溶解氧，即氧氣從氣相主體傳遞到糟醅顆粒間空隙，通過糟醅顆粒表面的氣膜擴(kuò)張，穿過氣－液界面到達(dá)液膜，被顆粒表面液膜中酵母菌所利用。所以，在固態(tài)白酒發(fā)酵中從原料到產(chǎn)物的整個(gè)過程，一直有液態(tài)游離水存在。固相物料提供載體和源源不斷的營養(yǎng)物，液相則有助于營養(yǎng)、能量的傳送，并保證發(fā)酵微環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

　　液相包含了大量有機(jī)酸、酯、醇類等有機(jī)物質(zhì)，在發(fā)酵過程中，不斷為發(fā)酵功能微生物提供營養(yǎng)（如窖池缺水會(huì)造成窖泥板結(jié)老化等現(xiàn)象），維持了宿主微生態(tài)的平衡，保證了宿主健康。

　　1.1.3 氣相－發(fā)酵環(huán)境信息反饋與調(diào)節(jié)

　　不管是液態(tài)還是固態(tài)發(fā)酵，只要有通風(fēng)降溫，或者相關(guān)工序裸露在空氣中實(shí)行開放操作，就不可能避免氣態(tài)物質(zhì)與該發(fā)酵過程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)作用。氣相的形成，來源于物料本身顆粒結(jié)構(gòu)，以及發(fā)酵形成的氣態(tài)產(chǎn)物，比如CO2、CH4等。氣相既可為發(fā)酵過程提供氧氣、菌種，也可為后期發(fā)酵形成厭氧條件，既可實(shí)現(xiàn)能量傳遞，使微環(huán)境處于相對(duì)恒定狀態(tài)，還會(huì)反饋發(fā)酵性狀。

　　氣相調(diào)節(jié)反應(yīng)熱。以濃香白酒固態(tài)發(fā)酵為例，一般情況是中下層糟醅先升溫，且保溫性好，而上層糧糟因接近窖皮泥，熱能損失較大，溫度過高過低均不利于發(fā)酵。而窖底糟中的游離水、以及易揮發(fā)的酸、醇等物質(zhì)，會(huì)在高溫下吸收熱量形成混合蒸汽，將熱能一層一層依次向上傳遞，使得上層物料始終保持在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)酵。眾所周知，釀酒房?jī)?nèi)，夏天窖房溫度比生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)平均要高2～3℃，說明水分在吸收熱量后向上蒸發(fā)傳遞散熱，從而使整個(gè)窖池內(nèi)溫度保持大致均衡。

　　氣相反饋發(fā)酵信息。固態(tài)發(fā)酵一般都在封閉狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)其發(fā)酵過程的檢測(cè)較難。仍以濃香型固態(tài)白酒釀造為例，糧糟入窖后，通常是查看溫度走勢(shì)、窖帽跌頭、吹口大小等。而固態(tài)白酒發(fā)酵窖池中的窖泥是否老熟的一個(gè)感觀鑒定指標(biāo)就是“窖泥具有明顯的臭皮蛋氣味”，這就是窖泥中H2S氣體表現(xiàn)出的氣味。

　　綜上所述，在固態(tài)發(fā)酵前期原材料主要相態(tài)為固相，但液－氣―固三相同存而密不可分，三者協(xié)同作用，密切配合。控制好三相比例、轉(zhuǎn)化速率及轉(zhuǎn)化度，充分應(yīng)用好界面效應(yīng)，控制發(fā)酵過程中物質(zhì)、能量的傳遞，是實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵過程及其產(chǎn)物相對(duì)穩(wěn)定、控制產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的關(guān)鍵一步。優(yōu)化發(fā)酵過程三相比例，也有利于功能微生物的生長(zhǎng)、繁殖，維持發(fā)酵微生態(tài)的平衡，生產(chǎn)出“幽雅、舒適、健康”型產(chǎn)品，同時(shí)促進(jìn)宿主老熟。