基于天然开菲尔（kefir）和库米斯（koumiss）核心微生物物种发酵合成的开菲尔，揭示了天然开菲尔中的微生物相互作用及基因交换现象

《Food Frontiers》：Synthetic Kefir Based on Fermentation of Natural Kefir and Koumiss Core Microbial Species Reveals Microbial Interactions and Gene Exchanges in Natural Kefir

kefir和koumiss共享核心微生物群（乳链球菌、乳杆菌和酵母菌），合成kefir（sKefir）通过优化菌群平衡和代谢物组成，显著改善DSS诱导的小鼠肠道炎症，并揭示菌株间协同生长及水平基因转移机制。

　　### 微生物发酵乳制品的科学研究进展

近年来，随着对天然发酵食品研究的深入，人们逐渐认识到发酵乳制品在人类健康中的重要价值。其中，kefir（康普茶）和koumiss（库米斯）作为两种传统发酵乳制品，因其独特的风味和潜在的健康益处而受到广泛关注。这两种饮品均源于人类文明发展过程中形成的传统工艺，但其复杂的微生物组成使得它们在国际市场上的推广受到一定限制。为了更系统地了解这两种发酵乳制品的微生物组成及其对健康的影响，科学家们通过多组学分析方法，探索了它们的核心微生物群落，并尝试通过人工合成的方式构建出具有相似功能的新型发酵乳制品。

### kefir与koumiss的核心微生物群落研究

在kefir和koumiss的发酵过程中，参与的微生物种类繁多，包括乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）和酵母菌（Yeast）。通过对多个kefir样本进行宏基因组分析，研究人员发现了一组共同的核心微生物群落，包括五种关键菌株：乳酸杆菌（Lactococcus lactis）、乳酸杆菌（Lactobacillus helveticus）、kefiri乳酸杆菌（Lentilactobacillus kefiri）、kefiranofaciens乳酸杆菌（Lactobacillus kefiranofaciens）以及马克斯酵母（Kluyveromyces marxianus）。这些菌株在kefir和koumiss的发酵过程中均表现出一定的存在性，其中L. lactis、L. kefiri和L. kefiranofaciens在两种发酵产品中都具有较高的丰度，而其他菌株则主要局限于kefir或koumiss的特定环境中。

通过进一步的实验验证，研究人员发现这些核心菌株在发酵过程中相互作用，形成了稳定的共生关系。这种复杂的微生物网络不仅影响了发酵产物的风味，还可能在健康功能方面发挥重要作用。例如，L. kefiri和L. kefiranofaciens在kefir和koumiss中均被检测到，但在自然环境中并不常见。这表明，这些菌株可能在人类文明发展的过程中，随着发酵技术的传播而被引入到不同的地域，形成了独特的发酵体系。

### 人工合成kefir（sKefir）的构建与验证

为了克服天然kefir和koumiss在工业化生产中面临的微生物组成不稳定的问题，研究人员开发了一种人工合成kefir（sKefir）的方法。通过选择上述五种核心菌株，并在受控条件下进行发酵，他们成功构建了一种具有相似微生物组成和代谢特征的新型发酵产品。与天然kefir相比，sKefir的微生物群落更加均衡，且其代谢产物的种类和丰度与天然kefir高度相似。这表明，sKefir不仅在微生物组成上具有可预测性和可控性，还保留了kefir的健康益处。

在发酵过程中，研究人员发现不同菌株的生长速度存在差异。例如，L. lactis和K. marxianus在24小时内即可达到稳定生长阶段，而L. kefiri和L. kefiranofaciens则需要更长时间。因此，他们选择了48小时作为发酵时间，并通过优化起始菌量（3%）来提高发酵效率。此外，通过宏基因组测序和代谢组分析，研究人员发现sKefir在功能上与天然kefir相似，能够改善肠道屏障功能，减轻由葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的肠炎症状。

### sKefir的健康功能验证

为了评估sKefir的健康功效，研究人员采用DSS诱导的急性结肠炎小鼠模型进行实验。结果表明，sKefir能够显著缓解小鼠肠道炎症，促进肠道屏障相关基因如occludin（OCLN）的表达。这进一步验证了sKefir在改善肠道健康方面的潜力。此外，通过转录组分析，研究人员发现sKefir和天然kefir在基因表达模式上具有高度相似性，均涉及免疫调节和代谢通路的调控。这表明，sKefir不仅能够模拟天然kefir的健康功能，还可能在未来的临床应用中发挥重要作用。

### 微生物间的协同作用与基因水平转移现象

除了对sKefir的健康功能进行研究外，研究人员还探讨了这些菌株之间的相互作用。通过共培养实验，他们发现L. kefiri在单独发酵时无法在牛奶中生长，但与K. marxianus共同发酵后，其生长得到了显著促进。这表明，K. marxianus可能通过提供特定的营养物质或代谢产物，支持了L. kefiri的生长。此外，研究还发现L. kefiri与L. kefiranofaciens之间存在基因水平转移（HGT）现象，这可能进一步解释了它们在发酵过程中的协同作用。

基因水平转移是微生物进化过程中一种重要的基因交换方式，可能通过水平基因转移机制，使不同菌株之间共享某些功能相关的基因。例如，研究发现L. kefiri Fanghua中存在一种独特的硫醇氧化还原蛋白（thioredoxin）基因，该基因可能来源于L. kefiranofaciens ZW3。这种基因的获得可能为L. kefiri赋予了额外的生物学功能，如增强抗氧化能力或改善肠道环境。这一发现不仅加深了对kefir微生物群落演化机制的理解，也为未来通过基因工程手段优化菌株功能提供了理论依据。

### sKefir在工业发酵中的应用前景

尽管sKefir在功能上与天然kefir相似，但其微生物组成更加稳定，这为工业化生产提供了新的可能性。传统kefir的发酵过程受到环境因素和微生物组成的显著影响，导致其品质和健康功能存在一定的波动性。而sKefir的构建则克服了这一问题，使得发酵过程更加可控，且能够大规模生产。这为kefir和koumiss的工业化发展提供了新的思路。

此外，sKefir的开发也揭示了发酵食品中微生物之间复杂的相互作用网络。通过合成特定的菌株组合，研究人员能够更精确地调控发酵过程，从而获得更稳定的发酵产物。这不仅有助于提高产品的质量和安全性，还可能在未来的食品工程中发挥重要作用。例如，通过调整菌株比例，可以优化发酵产物的风味和营养成分，满足不同消费者的需求。

### 未来研究方向与挑战

尽管sKefir在功能和微生物组成上取得了显著进展，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，部分菌株如L. kefiri尚未被广泛认可为食品级菌株，其安全性仍需进一步研究。其次，虽然sKefir的微生物组成更加稳定，但其长期健康影响仍需通过更广泛的临床试验加以验证。此外，发酵过程中微生物间的相互作用可能受到多种因素的影响，包括发酵温度、时间、pH值以及营养成分等，因此需要进一步优化发酵条件，以提高sKefir的稳定性和功能性。

未来的研究可以聚焦于以下几个方面：一是进一步探讨不同菌株在发酵过程中的具体作用机制，以期通过基因工程手段增强其健康功能；二是优化sKefir的发酵工艺，提高其在工业化生产中的适用性；三是评估sKefir在不同人群中的健康效应，特别是对肠道敏感个体的影响。此外，随着基因组学和代谢组学技术的发展，研究人员可以更深入地解析微生物间的基因交换和代谢互作，为发酵食品的改良提供更加精准的理论支持。

### 结论

综上所述，kefir和koumiss作为传统发酵乳制品，其独特的微生物组成赋予了它们丰富的健康功能。然而，由于微生物的多样性，天然kefir和koumiss在工业化生产中面临诸多挑战。通过人工合成sKefir，研究人员成功构建了一种具有相似微生物组成和健康益处的新型发酵产品，为kefir的工业化发展提供了新的方向。此外，sKefir的构建还揭示了微生物间复杂的协同作用和基因水平转移现象，为发酵食品的科学研究提供了新的视角。未来，随着技术的进步和对微生物功能的深入理解，sKefir有望成为一种更加稳定、可控且具有广泛应用前景的发酵食品。