组学与数字孪生技术：发酵食品研究的新视角
组学与数字孪生技术：发酵食品研究的新视角
发酵食品是人类饮食文化的重要组成部分，从酸奶到泡菜，从啤酒到奶酪，这些通过微生物发酵加工的食品不仅风味独特，还富含健康益处。随着生物技术的快速发展，组学技术和数字孪生技术正为传统发酵食品的研究和生产带来革命性变化。
发酵食品与微生物
发酵食品在全球膳食结构中占据重要地位，约占人类饮食的三分之一，并在各大洲展现出深厚的文化意义。尽管发酵食品具有悠久的历史和公认的健康益处，现代科学对其生产、质量及健康影响的理解仍然零散，尤其是先进技术在优化发酵过程中的作用仍未得到系统性探索。
微生物在传统发酵食品的生产中发挥着至关重要的作用。乳酸菌、酵母菌和霉菌是广为人知的发酵微生物，每种微生物都扮演着独特的角色。乳酸菌，如乳酸乳杆菌和乳酸球菌，通过将糖类发酵成乳酸，降低pH值并作为天然防腐剂，赋予食品如酸奶和泡菜其酸味。酵母菌，如酿酒酵母，推动了面包、啤酒和葡萄酒的酒精发酵，将糖类转化为乙醇和二氧化碳，进而贡献酒精含量和膨松效果。
随着组学技术的不断发展，我们对微生物多样性和功能的理解达到了前所未有的水平。从传统发酵食品中的已知微生物，如乳酸菌、酵母菌和霉菌，到从环境样本中分离的新的微生物物种，再到通过组学探索发现的未知物种，这一过程反映了对发酵微生物学研究的深入。
图1 | 食品发酵中微生物的层次化探索
组学技术在发酵食品中的应用
通过整合多种组学技术，我们能够构建全面的微生物数据库，为发酵微生物学研究和应用提供支持。这些数据库汇总了传统发酵微生物的基础数据，并记录了新发现微生物的组学信息，推动发酵微生物学的进展。例如，cFMD数据库整合了2500多个食品来源的宏基因组数据集，生成了10,899个宏基因组组装基因组（MAGs），揭示了关键微生物种类及其代谢功能。MAGs帮助研究人员深入了解微生物在发酵过程中的作用和互动。
图3a. 多组学技术在资源整合中的应用。
单一组学技术提供了重要的见解，但多组学数据的整合能够更精准地识别发酵过程中的关键因素，并揭示基因表达、蛋白功能和代谢途径之间的关系。主要包括以下几点：
深入识别关键因素：每一层组学数据提供独特的见解，整合后能更精确地揭示发酵过程中的关键因素。例如，在酸奶生产中，基因组学识别耐酸性基因，蛋白质组学揭示低pH条件下的酶活性。
动态监控微生物群落：多组学技术提供了对发酵过程中微生物群落变化的精确追踪，帮助监测代谢物波动和微生物与环境的相互作用，从而支持质量控制和产品优化。
绘制代谢路径，揭示机制：多组学整合能够全面绘制代谢路径，连接基因表达、蛋白功能和代谢物生产，帮助理解发酵食品的生化机制。
理解风味机制：通过整合转录组学和代谢组学数据，研究人员能够揭示风味化合物的代谢路径，并深入了解它们在发酵过程中的变化，优化风味的形成。
图6 | 多组学与数字孪生技术在发酵食品生产中的未来潜力
数字孪生技术在发酵食品中的应用
数字孪生技术通过创建与实际发酵环境实时互动的虚拟模型，能够精确监控微生物的生长动态，帮助优化发酵过程。与传统的离线检测方法不同，数字孪生技术能实时追踪微生物的变化，提供及时的决策支持。例如，研究发现发酵过程中乳酸乳球菌的丰度发生显著变化，反映了环境因素与微生物群落的复杂相互作用。
近年来，基于数字孪生的技术已被应用于监测微生物动态并预测行为，如通过Q-net模型实时追踪微生物群落的结构演变，并预测潜在的健康风险。此外，Lotka-Volterra模型被广泛用于描述微生物的动态行为，帮助实时优化发酵条件。数字孪生技术能有效识别微生物生长受抑或污染的风险，确保发酵过程的效率、一致性和产品质量。
图4 | 发酵的历史演变：从自然过程到现代技术
未来展望
通过多组学与数字孪生技术的结合，发酵食品的个性化、益生菌菌株开发和工业化生产有望得到突破，推动更可持续、高效和个性化的发酵食品创新。未来研究应聚焦未探索的微生物菌株，特别是那些能改善风味和生产生物活性化合物的菌株，并建立标准化流程将新菌株整合到工业发酵系统中。数字孪生技术在优化发酵过程方面显示出潜力，但其应用仍处于早期阶段，且面临数据量大、计算资源消耗等问题。未来应结合物理仿真与数据驱动的模型，实时控制微生物动态，推动发酵食品的个性化设计。