综述：传统发酵食品中野生微生物分离株的生物技术应用：一项系统综述

《Applied Microbiology》：Biotechnological Application of Wild Microbial Isolates from Traditional Fermented Foods: A Systematic Review

　　

传统发酵食品是野生微生物的重要储库，这些微生物具有技术、感官、保护和功能潜力。然而，这些分离株在受控或成分不同的食品基质中的表现，在微生物类群和食品系统之间仍然零散。本系统综述综合了关于使用来自传统发酵食品和饮料的野生微生物分离株作为发酵剂或潜在益生菌培养物的证据。研究人员仅在Scopus中进行了系统检索，遵循PRISMA 2020，纳入2021年至2026年间发表的原创研究文章，最终获得68篇符合条件的研究。纳入的研究按地理起源、分离来源、受体基质、微生物类群以及关键理化、技术、感官、微生物学、营养和功能结果进行分析。证据被组织为野生酵母和丝状真菌、乳酸菌（LAB）、芽孢杆菌（Bacillus）分离株和确定的混合微生物培养物。跨食品基质，微生物掺入经常加速酸化、缩短发酵时间、改变挥发性化合物谱，并改变质地、颜色、酶活性或底物利用。感官反应改善了香气、风味、质地和接受度，而其他反应则产生了偏离特征性产品的谱图并降低了整体喜好度。功能效应包括增加酚类化合物、抗氧化活性、γ-氨基丁酸（GABA）、叶酸、肽和抗性淀粉，同时降低植酸盐、亚硝酸盐、生物胺、黄曲霉毒素和不可消化低聚糖。研究人员还报告了抗菌、抗真菌、保护和初步益生特性。确定的混合微生物培养物通常提供互补的代谢效应，尽管真正的协同相互作用仅偶尔得到证实。总体而言，来自传统发酵的野生分离株是食品生物加工的有前景资源；然而，它们的性能在菌株、受体基质、实验条件和评估结果之间差异很大。因此，它们的应用需要菌株-基质验证、全面的感官评估、安全性表征以及在工业生产的加工和储存条件下的评估。

1. Introduction

传统发酵食品和饮料源于原料、环境条件、加工实践和多样化微生物群落之间的复杂相互作用。在手工系统中，发酵通常自发进行或通过回添法进行，从而有利于适应特定pH、盐浓度、水活度、营养可用性、温度和微生物竞争条件的微生物。这些生态系统因此成为细菌、酵母和丝状真菌的重要储库，具有受控食品发酵的潜在价值。工业发酵通常依赖有限的一组商业发酵剂，这些发酵剂经过选择以实现可预测的生长、工艺重现性和既定安全性。然而，这种标准化可能限制开发差异化产品所需的代谢多样性。来自传统发酵的野生或本土分离株可能提供更广泛的酶促和代谢能力，包括快速酸化、复杂碳水化合物利用、蛋白水解、胞外多糖产生、香气活性化合物形成以及抑制有害微生物。这些特性使其成为发酵剂、辅助培养物、保护性培养物或功能性培养物的有前景候选者。为了正确定位这些微生物资源，必须建立精确的概念定义和边界。本综述中，“野生”和“本土”指直接从传统、手工或自发发酵基质中回收、未经工业驯化的菌株。“发酵剂”指驱动核心发酵过程的主要菌株；“辅助培养物”是添加以改善特定属性（如风味或质地）而不主导主要酸化过程的次级菌株；“保护性培养物”通过竞争或产生抗菌代谢物抑制腐败或病原菌；“功能性培养物”增强食品的营养特性或生物活性含量；“潜在益生”描述表现出体外功能标记（如酸/胆汁耐受性或黏附潜力）的菌株，这些标记提示健康益处，不同于严格意义上的“益生”菌株，后者需要经确认的临床或体内宿主功效。尽管已有关于通用发酵剂、商业益生菌或孤立传统发酵食品的广泛文献，但以往的综述通常聚焦于单一微生物类群、狭窄产品类别或一般化表型特征，而未系统性地映射跨基质性能。本系统综述的新颖性在于其全面、比较性的框架，用于评估来自不同传统食品生态系统的野生分离株的跨基质转移和功能多样化。此外，限制时间范围为2021–2026年对于捕捉近期在分析食品组学、高通量筛选和精确代谢谱分析方面的指数级增长是必要的，从而解决现代食品生物技术中的一个特定时间研究空白。微生物性能受分离来源的生态条件和随后应用菌株的基质组成的强烈影响。碳水化合物可用性、蛋白质组成、缓冲能力、酚类含量、氧气暴露、盐浓度和储存条件的变化可影响微生物生长和代谢物产生。因此，同一物种的菌株在转移到另一个食品系统时可能表现出不同的技术或感官行为。这种菌株和基质依赖性反应已在涉及酵母、乳酸菌和丝状真菌的发酵中观察到，其中相同或密切相关物种的分离株产生了有机酸、氨基酸、挥发性化合物和发酵产物的对比谱图。野生分离株可能影响食品质量的多个维度。酸化和碳水化合物代谢可改善过程控制和微生物稳定性，而蛋白水解、脂解和淀粉酶活性可能改变质地、消化率和风味前体的可用性。微生物代谢还可转化酚类化合物、释放肽和氨基酸、降低抗营养因子并改变维生素和其他生物活性成分的浓度。然而，这些变化并非总是有益的。过度酸化、产气、蛋白水解或挥发性形成可能导致不良风味、香气、颜色或质地。因此，成功的微生物掺入需要平衡技术性能、营养或功能改善以及产品预期感官特性的保持。感官兼容性在微生物从其原始生态系统转移到另一个食品基质时尤为重要。酯、醇、醛、有机酸和硫或酚衍生化合物的产生可能增加芳香复杂性，但可能产生消费者认为非典型或不可接受的谱图。响应不仅取决于挥发性化合物的浓度，还取决于它们与受体基质和产品感官期望的相互作用。因此，应保持仪器分析、训练有素感官小组的描述性评估和消费者接受度研究之间的明确方法学区分。挥发性代谢物的仪器检测提供必要的机制数据，但不能取代人类感官小组或预测消费者喜好。然而，将先进仪器技术的结果与训练有素小组或消费者群体反应的结果相关联，可提供最终产品的全面概述。野生分离株在其潜在功能和保护特性方面也引起了兴趣。一些菌株可增加抗氧化活性、酚类化合物、肽、γ-氨基丁酸（GABA）、叶酸或抗性淀粉的水平，而其他菌株可降解植酸盐、不可消化低聚糖、亚硝酸盐、生物胺或真菌毒素。混合微生物培养物可能进一步扩展发酵系统的代谢能力。细菌、酵母或丝状真菌的组合可整合互补功能，包括酸化、蛋白水解、碳水化合物降解、香气形成和抗菌活性。安全性对于使用从传统食品分离的微生物仍然至关重要。在手工发酵中的存在历史并不能自动确立其食品安全适用性。候选菌株应准确鉴定并评估相关安全性特征，包括抗菌药物耐药性、溶血活性、产生生物胺或其他不良代谢物以及其他物种特异性风险。同样，术语“益生”应保留给在宿主中证明有健康益处的微生物。关键是，潜在益生特性（如通过体外特征如酸和胆汁耐受性、胃肠道存活或冷藏存活所证明的）指示功能性，但本身不足以建立真正的益生状态，这一严格原则必须在实验评估中一致保持。尽管对来自传统发酵的微生物的生物技术潜力兴趣日益增长，但证据仍然分散在食品类别、微生物类群、地理区域和结果类型之间。此外，应用范围从受控回接种到原始产品，再到转移到组成和技术上不同的基质，使得比较适应性和性能变得困难。为解决这些空白，本系统综述由以下明确研究问题指导：驱动食品生物加工中野生微生物菌株分离的主要地理热点和传统食品来源是什么？野生分离株在其他基质食品之间的转移如何影响技术、理化和感官性能？不同微生物类群在驱动功能富集和安全缓解方面的能力有何差异？相应地，本系统综述旨在：(i) 表征用于食品生物加工的野生微生物分离株的地理和食品起源；(ii) 映射分离来源、微生物和受体基质之间的关系；(iii) 综合与其使用相关的理化、技术、感官、微生物学、营养和功能领域的关键结果；(iv) 比较野生酵母和丝状真菌、细菌分离株、芽孢杆菌物种和确定的混合微生物培养物的证据。

2. Materials and Methods

2.1 Study Design
本系统综述遵循PRISMA 2020指南，针对从传统发酵食品中分离野生微生物及其随后在食品生物加工中应用的研究进行改编。综述方案未注册。目标是综合关于使用野生微生物分离株作为发酵剂、辅助培养物、保护性培养物、功能性培养物或潜在益生培养物的现有证据。特别关注原始分离来源、微生物分类身份、受体食品基质以及微生物掺入所产生的理化、技术、感官、微生物学、营养和功能效应之间的关系。综述仅考虑那些从传统发酵食品或饮料中分离微生物，随后将其作为活培养物掺入到受体食品或饲料基质中的原创研究。受体基质可以是原始发酵产品内的受控应用，也可以是掺入到组成或技术上不同的食品系统中。符合条件的研究必须评估受体基质中的至少一个理化、技术、感官、微生物学、营养或功能参数。

2.2 Search Strategy
在Scopus中进行了系统文献检索。检索策略结合了与微生物、传统发酵、微生物分离以及技术或功能特性相关的术语。使用了以下布尔检索式：“microorganisms” OR “lactic acid bacteria” OR “yeasts” OR “fungi” AND “traditional fermentation” OR “traditional beverages” AND “isolated” OR “isolation” OR “isolates” AND “biotechnological potential” OR “probiotic” OR “functional properties” OR “technological properties”。检索式通过基于综述范围和合格标准定义四个概念块来制定：微生物类型、传统发酵、微生物分离以及生物技术或功能特性。选择了广泛的分类学术语以涵盖与传统发酵相关的常见微生物类群，而不限制到特定属或种。每个概念块内的术语使用布尔运算符组合。结果限制在2021年至2026年间发表的研究。然后应用文献类型过滤器仅保留原创研究文章。数据库检索期间未应用语言过滤器，但在全文评估期间，仅考虑可获取英文或西班牙语版本的研究。最终检索于2026年7月4日完成。

2.3 Study Selection and Eligibility Criteria
两名独立评审员分两个阶段选择研究。首先，评审员根据综述范围和合格标准筛选标题和摘要。然后，评审员获取全文并评估以确认符合所有纳入标准。评审员之间的分歧通过讨论和共识解决。在全文评估期间，方法学充分性也被视为合格过程的一部分。研究需要提供足够的信息，包括微生物鉴定、实验设计、培养物掺入条件、结果评估和统计分析，以解释报告的发现。缺乏足够方法学信息的研究被排除。纳入标准包括：2021年至2026年间发表的原创研究文章；涉及从传统发酵食品或饮料中分离的细菌、酵母、丝状真菌或确定的混合微生物培养物的研究；报告分离物的地理起源和食品来源的研究；描述选择微生物的技术、功能、保护、感官或潜在益生理由的研究；将分离物作为活培养物掺入到受体食品或饲料基质中的研究；评估受体基质中至少一个理化、技术、感官、微生物学、营养或功能响应的研究；以及提供足够方法和结果信息以进行数据提取的研究。排除标准包括：综述、书籍章节、会议论文、会议录、社论、信件、学位论文、专利或其他非原创出版物；仅使用商业、参考、收藏、实验室或基因改造菌株而未明确报告传统食品来源的研究；从临床或无关环境来源分离微生物的研究；仅限于微生物分离、鉴定、基因组表征或体外筛选的研究；仅评估无细胞上清液、纯化代谢物、细菌素、酶、提取物或灭活微生物细胞的研究；未报告分离物地理起源或传统食品来源的研究；未解释选择微生物的技术或功能理由的研究；以及未将分离物掺入到受体食品或饲料基质中的研究。研究选择过程和全文评估期间的排除原因在PRISMA 2020流程图中记录。

2.4 Data Extraction
开发了标准化数据提取表并进行预测试。两名独立评审员提取并交叉核对纳入研究的信息，通过共识解决分歧。提取的变量包括书目和地理信息、微生物身份和分离来源、受体食品或饲料基质、培养物组成和掺入条件，以及主要报告的理化、技术、感官、微生物学、营养和功能结果。还记录了对照组、发酵或储存条件以及菌株选择标准的信息。与微生物掺入相关的主要结果按研究总结，然后按微生物类群、分离来源、受体基质和结果类别组织。

2.5 Data Analysis
鉴于微生物物种和菌株、分离来源、受体基质、发酵条件、分析方法和报告结果之间的异质性，未进行荟萃分析。相反，证据通过描述性统计和结构化叙述综合进行分析。研究选择过程根据PRISMA 2020进行总结。证据的地理分布通过报告微生物分离物的起源进行分析，并在圆形包装图中按国家和大陆可视化。为检查跨食品系统的微生物转移，将分离来源和受体基质分组为更广泛的食品类别，它们与已鉴定微生物的关系在桑基图中可视化，连接分离来源类别、微生物和受体基质。链接代表每种关联的频率。纳入研究被分为四个微生物类别：(i) 野生酵母和丝状真菌；(ii) 野生细菌分离株和确定的细菌发酵剂；(iii) 用于食品或饲料应用的芽孢杆菌分离株；(iv) 由不同分类学群微生物组成的确定的混合微生物培养物。仅当原始研究中明确证明时，才考虑协同作用。在每个微生物类别内，发现按分离来源、受体基质和主要报告结果组织。叙述综合遵循理化、技术、感官、功能、营养、微生物学或潜在益生结果的顺序。具有可比食品基质、微生物类群或结果类型的研究被分组以识别重复和对比模式。当存在对照或比较组时，接种产品与对照产品之间的差异根据原始作者报告的方向进行描述。当研究中提供区分时，感官接受度与特定感官属性的变化分开解释。发现按微生物-基质水平分析，当菌株信息可用时，按菌株-基质水平分析，考虑分离来源、受体基质、培养物组成和加工条件。

3. Results

3.1 Study Selection
系统检索识别出1284条记录。限制出版年份为2021–2026年后，保留809条记录。进一步限制为原创研究文章后，保留753条记录，通过标题和摘要筛选。在此阶段排除了383条记录，剩余370篇报告进行全文获取。无法获取63篇报告的全文，因此对307篇文章进行了合格性评估。全文排除按顺序根据第一个未满足的标准进行。108篇文章因未报告分离物的地理起源或无法明确确定而被排除；另外109篇文章未明确鉴定微生物分离自的传统食品或饮料；2项研究未提供足够清晰的技术、功能或益生理由来选择分离物；最后，20项研究表征了潜在相关微生物但未将其掺入到不同食品基质中。共68篇原创研究满足所有合格标准，纳入结构化叙述综合。研究选择过程在PRISMA流程图中展示。

3.2 Geographical Distribution of Microbial Isolates
本综述分析的微生物分离物显示出不均匀的地理分布，大多数菌株来自亚洲。中国和印度尼西亚是该地区最突出的国家起源，其次来自印度和其他亚洲国家的较少分离物。非洲大陆也贡献了大量本土菌株，特别是来自埃塞俄比亚和尼日利亚的食品基质，而欧洲起源的分离物主要来自意大利和波兰。南美洲菌株主要来自巴西和秘鲁的传统食品，哥伦比亚的代表较少，而北美洲的分离物比例较小。这种地理起源多样性伴随着用于获取微生物的传统发酵系统的显著变化。分离基质包括发酵蔬菜和调味品、谷物产品和饮料、酒精饮料、乳制品、发酵肉制品、豆类食品和水果发酵物。在这些食品来源中，酸笋、泡菜、酸菜、发酵芥菜、豆酱、豆豉、大曲、米酒、Tej、Hausa koko、Kunu-zaki、酸面包和传统谷物饮料表现突出。从这些基质中，研究人员获得了细菌、酵母、丝状真菌和混合培养物，并随后在相同食品系统或技术上不同的基质中进行了评估。某些国家的主导地位应被解释为反映了现有文献中记录的分离物集中程度，而非各地区实际微生物多样性的绝对度量。尽管如此，所分析微生物的广泛地理覆盖表明，来自世界各地的传统发酵食品构成了具有高技术、感官和功能潜力的菌株的重要储库。

3.3 Application Patterns of Wild Microbial Isolates
由于文献中报告的食品在多样性和地域特异性上差异很大，来源和目的地食品被标准化为七个功能宏观类别。这种分组在桑基图中展示了微生物的分离、分类和掺入路径。图显示，评估的微生物主要来源于发酵蔬菜、谷物和酒精基质，但发酵乳制品、肉和鱼制品、豆类食品、非酒精饮料、水果制品和其他食品相关来源也贡献了分离物。发酵蔬菜产品是最常分离的类别之一，也是主要的受体基质。该模式主要与乳酸菌相关，特别是植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）、肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）、短乳杆菌（Levilactobacillus brevis）、戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）和魏斯氏菌属（Weissella spp.）。这些微生物应用于酸笋、酸菜、泡菜、发酵芥菜、发酵竹笋、辣椒酱和豆类调味品等产品，改变了酸化、氨基酸、挥发性化合物、亚硝酸盐、生物胺、感官质量或微生物稳定性。谷物衍生基质也与谷物食品、非酒精饮料、烘焙产品和酒精饮料产生了众多联系。酸面团来源的细菌和酵母被转移到面包、boza、无麸质面包、鹰嘴豆粉和啤酒中，而来自谷物饮料和面团的分离物应用于Mahewu、injera、不透明啤酒、米粉和其他发酵谷物产品。这些应用影响了发酵时间、酸化、黏弹性、面包屑硬度、面包体积、淀粉结构、抗性淀粉、芳香化合物和感官接受度。植物乳杆菌（L. plantarum）在网络中的中心位置反映了其跨特别广泛的来源和受体基质的使用。含有该物种的单个分离物或培养物应用于发酵蔬菜、大豆和蚕豆酱、谷物饮料、面包、扁豆、奶酪、发酵肉、大米、可可、玫瑰饮料、白酒和其他产品。根据基质，其掺入与酸化、蛋白水解、质地修饰、挥发性形成、GABA或叶酸富集、亚硝酸盐和生物胺减少、真菌抑制和感官改善相关。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是另一个主要连接微生物，特别是在谷物、酒精和烘焙基质之间。其在意大利葡萄艾尔风格啤酒中的应用增加了发酵活性、糖利用、CO₂产生和芳香表达，而其与乳酸菌或其他酵母的组合影响了Tej、黄酒、玫瑰饮料、米粉、injera、面包和小米黄酒的挥发性谱和感官质量。网络还揭示了两种不同类型的微生物转移：第一种涉及在同一宽泛食品类别内的应用，如蔬菜到蔬菜、谷物到谷物、酒精饮料到酒精饮料或发酵乳到乳制品转移；第二种模式涉及跨组成或技术上不同基质的转移，如从酸汤中获得的马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）掺入到番茄泥中，从无刺蜂酸蜂蜜中获得的戊糖乳杆菌（Lactiplantibacillus pentosus）应用于发酵小米，以及酸面团和葡萄汁来源的酿酒酵母（S. cerevisiae）菌株掺入到意大利葡萄艾尔风格啤酒中。更明显的跨部门应用包括将来自发酵红曲米的红曲霉（Monascus purpureus）和来自海参的芽孢杆菌属（Bacillus spp.）掺入到虾饲料中。

3.4 Application of Wild Yeasts and Filamentous Fungi in Food Matrices
将来自传统发酵系统的微生物分离物掺入到新型食品基质中显著影响发酵活性、挥发性组成、感官特性和最终产品的功能特性。在酒精饮料领域，各种酵母菌株已显示出优化工艺性能的能力。例如，东方伊萨酵母（Issatchenkia orientalis）在传统饮料Sato中将乙醇产量提高16%，而从酸面团和葡萄汁中获得的酿酒酵母（S. cerevisiae）分离物改善了意大利葡萄艾尔风格啤酒中的糖利用和CO₂产生。此外，在啤酒中添加扣囊复膜孢酵母（Saccharomycopsis fibuligera）促进了高级醇和酯如乙酸异戊酯和乙酸乙酯的合成，扩展了饮料的芳香多样性。在火龙果等果酒中，库德里阿兹威毕赤酵母（Pichia kudriavzevii）增加了苹果酸和乳酸浓度以及醛和芳香醇。马克斯克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）在转移到番茄泥时，增加了酯丰度和多达37种酚类化合物，而与汉逊德巴利酵母（Hanseniaspora opuntiae）在可可发酵中结合时，将工艺时间缩短20%，降低乙酸水平并增加