《Food Microbiology》：Construction of a Safe and Efficient Synthetic Microbial Community for Standardized Fermentation of Traditional Chinese Jiangshui
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孙振|胡凯|马海芳|张梓轩|王丹宇|凌丽军中国甘肃省兰州市西北师范大学生命科学学院，邮编730070摘要江水是一种中国西北地区的传统发酵蔬菜食品，但由于自然发酵过程不明确，其品质不稳定且难以实现工业化生产。为了解决这一问题，通过手动组合筛选出的乳酸菌（LAB）菌株构建了一个合成微
孙振|胡凯|马海芳|张梓轩|王丹宇|凌丽军
中国甘肃省兰州市西北师范大学生命科学学院，邮编730070
摘要
江水是一种中国西北地区的传统发酵蔬菜食品，但由于自然发酵过程不明确，其品质不稳定且难以实现工业化生产。为了解决这一问题，通过手动组合筛选出的乳酸菌（LAB）菌株构建了一个合成微生物群落（SynCom），以标准化江水的发酵过程。这些菌株的筛选基于对酸度、感官品质、总酚类和黄酮类物质的评估，并通过实验优化了其比例。本研究从甘肃省收集的53份传统江水样本中分离并纯化了乳酸菌，通过形态学、分子生物学和生理学特征筛选出了5株优势菌株（Y-5-3、Y-6-2、HN、HX、CB）。对这些菌株进行了生长性能、产酸能力、耐受性、胃肠道耐受性、黏附性、抗菌活性以及生物安全性（溶血活性、抗生素敏感性、毒力基因检测）的系统性评估。最终选择了3株性能优异的菌株（Y-5-3、Y-6-2、HN），并以不同比例手动组合成SynComs，并通过酸度、感官品质、总酚类和黄酮类含量评估了其发酵效果。所有5株菌株均表现出溶血活性，且无毒力基因，证实了其生物安全性。其中Y-5-3菌株的表现最佳。最佳发酵比例为Y-5-3:Y-6-2:HN = 2:3:1，该比例下的江水在感官评分上最高（89.38 ± 4.10分），总酚类和黄酮类含量分别提高了72.20%（P < 0.01）和61.13%（P < 0.01），同时减少了异味并提高了产品的稳定性。本研究为传统江水的工业化生产和标准化提供了科学依据。
引言
合成微生物群落（SynComs）是通过自下而上的方法由选定的菌株构建的，旨在阐明微生物组结构与功能之间的关系（Vorholt等人，2017年）。这种还原论方法最初用于植物微生物组研究，后来被扩展到食品发酵领域，研究表明，由功能互补的非转基因菌株组成的SynComs有助于稳定发酵过程并提升产品质量（Chen等人，2023年）。与单菌株发酵相比，多菌株发酵能够实现菌株间的代谢互补和协同作用，因为没有一种菌株能够同时具备所有所需的特性（如快速酸化、蛋白质分解、香气形成和耐受性）。这种方法已成功应用于多种发酵食品：混合菌株发酵剂可缩短酸奶的发酵时间并提高产酸量（Ma等人，2024年）；多菌株发酵还能提高果汁中的酚类含量、抗氧化活性和风味评分（Wang等人，2021年）。因此，SynComs为标准化传统发酵过程提供了可复制且可扩展的途径，同时保留了产品的真实风味，满足了人们对安全、一致和健康发酵食品的需求。
江水是一种源自中国西北地区的传统发酵食品，在明朝的《本草纲目》中就有记载，具有解渴、缓解胃部不适的作用，并有助于胃肠道功能。它富含B族维生素、有机物质和游离氨基酸，具有独特的酸香风味（Chen等人，2016年）。与四川泡菜不同，四川泡菜具有成熟的工业化生产流程和完善的菌株筛选（Rao等人，2020年）、发酵控制（Luo等人，2020年；Rao等人，2019年）以及生物活性化合物分析（Jia等人，2013年；Zhao等人，2022年）技术。然而，江水的生产仍依赖于家庭环境中的自然发酵，导致产品质量不稳定、有异味且保质期短（Li，2022年；Liu等人，2024年）。目前关于江水的研究仅限于对其微生物群的鉴定和初步特征分析，尚未深入探讨功能菌株的筛选和人工微生物群落的构建。
江水的发酵过程主要由乳酸菌（LAB）和魏氏乳杆菌（Weissella）主导，同时还有迪波达斯库斯酵母（Dipodascus）参与（Xiang等人，2023年；Zhang等人，2018年）。这些菌株产生的乳酸和乙酸以及细菌素赋予了江水酸爽的口感和营养价值（Fidanza等人，2021年）。由于江水发酵过程中不添加额外的盐分，乳酸菌能够迅速成为优势菌群，并通过产生有机酸、细菌素和过氧化氢抑制病原菌的生长。一些从发酵食品中分离出的乳酸菌株被认为具有促进健康的特性，如改善肠道健康、调节血糖和增强免疫力（Ankolekar等人，2012年；Zhou等人，2024年）。然而，只有在这些菌株被分离、鉴定并证明其健康效果后，才能将其称为“益生菌”（Hill等人，2014年）。Jin等人（2024年）使用江水来源的乳酸菌改进了梨汁的发酵过程，但尚未有研究利用这些菌株构建用于江水或其他发酵食品的SynComs。
因此，利用SynComs重构江水的微生物群落是一种有前景的策略，可以克服传统江水的不稳定性和局限性，促进其现代化和工业化。根据Jiang等人（2024年）的研究，用于食品发酵的SynComs的人工构建方法包括手动组合、定向组装和重组。本研究采用了手动组合方法：从各种传统发酵的江水样本中分离菌株，筛选出具有优良发酵特性的菌株，并排除产生异味或存在安全风险的菌株，从而构建出稳定、安全且风味优化的SynCom用于江水发酵。
章节片段
从江水中分离和鉴定乳酸菌
夏季（6月至8月）从中国甘肃省兰州市和天水市的当地餐馆收集了53份传统发酵的江水样本。将这些样本依次稀释至10^-3浓度，接种到不同的琼脂培养基上，在微需氧条件下培养48小时。经过三轮纯化后，通过PCR扩增和相应方法对纯培养物进行鉴定；详细步骤见...
江水菌株的分离与鉴定
从53份江水样本中分离并纯化了287株菌株。其中，乳酸菌（Lactobacillus）是主要菌属，约占150株，其次是酵母（约50株）。此外，还分离出少量醋酸菌（Acetobacter）和芽孢杆菌（Bacillus）。通过钙溶解圈试验和初步形态学鉴定，筛选出5株具有明显钙溶解圈和强健菌落形态的菌株进行进一步研究...
从江水中分离、纯化并鉴定乳酸菌
从53份江水样本中分离并纯化了287株菌株，其中乳酸菌（Lactobacillus）占分离菌株总数的约52.26%，这与先前研究结果一致，即乳酸菌是江水发酵中的核心功能菌群（Zhang等人，2018年）。筛选出5株具有明显钙溶解圈和强健菌落形态的乳酸菌用于后续实验...
结论
本研究首次尝试通过手动组合方法构建用于江水发酵的SynCom，明确了江水微生物群中的核心功能乳酸菌株，解决了传统自然发酵过程中品质不稳定和难以工业化的问题。从传统江水样本中分离出5株乳酸菌，鉴定为副干酪乳杆菌（Lacticaseibacillus paracasei）、哈尔滨施莱弗乳杆菌（Schleiferilactobacillus harbinensis）、干酪乳杆菌（Lacticaseibacillus casei）和扁豆乳杆菌（Lentilactobacillus）...
CRediT作者贡献声明
王丹宇：数据验证。凌丽军：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。孙振：原始稿撰写、方法设计、实验研究、资金获取、概念构思。胡凯：数据可视化、实验研究、数据分析。马海芳：数据验证、实验研究。张梓轩：数据可视化
Liu等人，2019年；Zhang等人，2018年。
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作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
甘肃省科学技术计划（24CXNA004）和西北师范大学（CXCYKT2026127）的财政支持。
