微生物群落精准调控重现优质巧克力发酵特性：基因组解析与代谢网络驱动的风味定制研究

本研究通过基因组解析和代谢网络分析，揭示了可可豆发酵过程中微生物群落与风味形成的精确关联。研究人员采用全基因组鸟枪测序(whole-genome shotgun sequencing)和代谢建模(metabolic modeling)技术，构建了包含55个宏基因组组装基因组(MAGs)的发酵微生物数据库，并设计出9株菌的合成群落(SYNCOM)，成功在受控条件下复现了优质巧克力的关键风味特征。该研究为可可发酵的工业化控制提供了科学基础，使巧克力风味定制成为可能。

　　

巧克力作为全球最受欢迎的食品之一，其独特风味并非来自可可豆本身，而是源于复杂的自然发酵过程。传统可可豆发酵依赖环境微生物的自发作用，导致品质不稳定、风味难以控制，这一"黑箱"过程长期制约着巧克力产业的标准化发展。更棘手的是，优质巧克力(fine flavour chocolate)特有的花香、焦糖等复杂风味特征与普通巧克力(bulk cocoa)的差异机制不明，使得风味定向调控缺乏科学依据。

《Nature Microbiology》最新发表的研究通过多组学联用技术揭开了这一谜题。研究团队从哥伦比亚三个产区的可可农场入手，监测发酵过程中温度、pH值和微生物群落的动态变化，发现优质巧克力产区的发酵具有独特的温度/pH动力学特征和微生物演替规律。通过牛津纳米孔测序技术构建的55个宏基因组组装基因组(MAGs)揭示，发酵微生物的代谢功能存在冗余性，关键风味形成途径在不同菌株中重复出现。基于此，研究人员成功设计出仅含9株菌的合成群落(SYNCOM)，在实验室条件下精确复现了优质巧克力的感官特性。

关键技术方法包括：(1)全基因组鸟枪测序(Oxford Nanopore)分析发酵微生物群落；(2)基因组规模代谢网络(GSMNs)重建与代谢流分析；(3)合成微生物群落(SYNCOM)构建与验证；(4)气相色谱-质谱(GC-MS)风味物质检测；(5)专业感官评价小组的巧克力品鉴。样本来源于哥伦比亚Santander、Huila和Antioquia三个产区的自然发酵可可豆，以及特立尼达国际可可基因库(ICGT)的品种。

温度与pH变化指示发酵进程

通过监测哥伦比亚农场发酵过程，发现温度升高与果肉pH上升呈正相关(r=0.913)，而与子叶pH下降呈负相关。这种独特的动力学特征与优质巧克力风味显著关联，可作为发酵监测的客观指标。

微生物群落驱动风味分化

宏基因组分析显示，Santander和Huila产区的发酵以乳酸菌(Lactobacillaceae)和醋酸菌(Acetobacteraceae)为主，伴随酵母菌(Saccharomycetaceae)的增殖；而Antioquia产区则呈现不同的微生物演替模式，这解释了其巧克力风味较简单的原因。

代谢网络揭示功能冗余

从发酵微生物中重建的44个基因组规模代谢网络(GSMNs)表明，巧克力风味形成的关键代谢途径(如氨基转移酶产生吡嗪类香气前体)在多个菌株中重复存在，使得简化合成群落的设计成为可能。

合成群落重现优质特性

由5株细菌和4株真菌组成的合成群落(SYNCOM)在受控发酵中复现了优质巧克力的温度/pH动力学、微生物演替和挥发性有机物(VOCs)特征。感官评价证实其风味复杂度与优质参考样品相当，而缺失任一菌株都会导致风味缺陷。

该研究首次系统解析了可可发酵中微生物群落与风味形成的因果关系，突破了传统依赖经验控制的局限。提出的合成群落策略使巧克力风味定向调控成为可能，为发酵食品的精准制造提供了范式。未来基于该研究的发酵剂设计，有望实现巧克力风味的标准化生产和个性化定制，推动整个产业向可控化、高品质方向发展。