《Current Research in Microbial Sciences》：How are kefir microbial communities and product characteristics maintained in industrial production?
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本文系统探讨了开菲尔（kefir）这一古老乳制品在工业化生产中的核心挑战与前沿策略。文章深入剖析了传统开菲尔粒（kefir grains）复杂的微生物共生体系（包括乳酸菌、酵母菌等），及其赋予产品的独特风味与益生功能。然而，传统发酵方法与现代工业流程存在兼容性难题，导致商业产品存在核心功能微生物缺失、风味趋同、功能性宣称不足等问题。为此，本文综合评述了三种主要生产方法（开菲尔粒发酵、回添发酵、直投式发酵）的利弊，并提出“合成微生物群落”和“类开菲尔粒发酵剂”作为创新生产策略，有望推动开菲尔产业的标准化、规模化与功能化发展，为功能乳制品行业提供重要参考。
在追求健康的全球消费趋势下，功能发酵乳制品已成为食品行业创新的战略方向。其中，开菲尔（kefir）凭借其复杂的微生物群落发酵、独特的感官特性和卓越的功能性，被誉为全球九大关键食品趋势之一，市场规模持续扩张。这种古老的乳制品的灵魂在于其天然的发酵启动子——开菲尔粒。这些乳白色、不规则、类似微型菜花的凝胶状颗粒，直径在0.3至3.5厘米之间，是一个由乳酸菌、醋酸菌和酵母菌组成的复杂共生体，它们嵌入在由等摩尔D-葡萄糖和D-半乳糖组成的胞外多糖基质——开菲兰（kefiran）中。这个“微生物城市”并非杂乱无章，其内部具有独特的空间分层结构：微生物密度从外层到内层呈梯度下降，乳杆菌、乳球菌和醋杆菌主要分布在外表面，而酵母菌则内外层均有分布。
开菲尔微生物群落：一个精密的生态系统
开菲尔的独特风味和益生功能，很大程度上归功于其核心微生物群落。尽管不同地区来源的开菲尔粒在具体物种组成上存在区域性差异，但存在一个相对稳定的核心菌群。在细菌层面，Lactobacillus kefiranofaciens是几乎所有开菲尔粒中最具特征性的物种，相对丰度通常很高，是开菲尔粒形成的关键因素。其他常见的高频细菌包括 Lactobacillus helveticus、Lentilactobacillus kefiri、Lactococcus lactis和 Leuconostoc mesenteroides等。这些微生物在开菲尔粒和最终的开菲尔产品中的相对丰度存在动态变化。例如，Lactobacillus kefiranofaciens的丰度在发酵过程中会逐渐降低，而 Lactococcus lactis和 Leuconostoc mesenteroides等则可能成为优势菌。
真菌（主要是酵母）虽然在数量上占比较少，但其作用至关重要。常见的酵母属包括 Kazachstania和 Kluyveromyces，如 Kluyveromyces marxianus和 Kazachstania africana。细菌和真菌在开菲尔粒生态系统中建立了复杂的共生关系，共同塑造了产品的最终特性。例如，乳酸菌分解乳糖产酸，为醋酸菌和酵母的生长创造了有利条件；而酵母合成多种B族维生素并水解乳蛋白，产生的二氧化碳和氨基酸又为乳酸菌的生长提供了帮助。
风味、营养与功能的源泉
开菲尔丰富的风味来源于其微生物群落协同代谢产生的大量挥发性化合物，包括酮类、醛类、酯类、醇类、酸类和硫化合物。乳酸和乙酸构成了其风味的基础，赋予了产品独特的酸味和清爽感。酯类物质（如乙酸异戊酯）则带来了浓郁的果香和花香。这些风味的形成与特定菌属的代谢活动紧密相关，例如乳杆菌与羧酸、酯和酮的产生相关，而明串珠菌则与乙酸和2,3-丁二酮的生成显著相关。
在营养方面，发酵过程显著提升了产品的价值。微生物代谢增加了维生素（如B族维生素）、游离氨基酸和生物活性肽的含量。这些生物活性肽被证实具有抗菌、抗氧化、抑制血管紧张素转换酶（ACE）、免疫调节和抗血栓等多种活性。
开菲尔的健康促进功能是其研究的焦点。研究表明，定期饮用开菲尔可能具有抗癌、抗肥胖、抗抑郁、抗过敏、保肝、护胃、抗糖尿病、调节肠道菌群、抗炎和抗氧化等多种功效。这些益处归因于发酵过程中产生的多种生物活性成分（如胞外多糖、有机酸、细菌素、生物活性肽、维生素）以及开菲尔微生物群本身。值得注意的是，开菲尔的益生功效与其具体的微生物组成密切相关。含有活性乳酸菌和酵母的完整开菲尔，在降低胆固醇、甘油三酯和炎症因子等方面，效果通常优于缺乏某些组分（如酵母）的商业产品或热处理产品。
工业化生产的挑战与策略
传统的开菲尔粒发酵法虽然能生产出风味和功能俱佳的产品，但其生产过程难以控制、产品一致性差、产能有限，无法满足工业化大规模生产的需求。这构成了开菲尔产业化的核心矛盾。
目前，开菲尔的生产主要有三种方法：
- 1.
开菲尔粒发酵：使用天然开菲尔粒直接发酵牛奶，是最传统的方法，产品风味和功能最完整，但难以工业化。
- 2.
回添发酵：用开菲尔粒发酵得到的产品作为发酵剂，进行下一轮发酵。此法提高了产能，但微生物群落会在多次传代中发生改变，酵母等菌群减少，导致产品传统特性逐渐丧失。
- 3.
直投式发酵：使用从开菲尔粒或产品中分离出的纯菌种，制成冻干发酵剂直接使用。这种方法标准化程度高、易于控制，是目前工业主流。但其产品通常微生物多样性低，缺乏醋酸菌和酵母，风味相对单一，也可能损失部分传统开菲尔的功能特性。
为了在工业化生产中平衡“传统特性”与“标准化、规模化”的需求，研究者提出了创新策略：
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构建合成微生物群落：基于对开菲尔核心微生物及其互作关系的深入理解，人工设计和组装包含关键功能菌株（如 Lactobacillus kefiranofaciens, Lactobacillus kefiri, Leuconostoc mesenteroides和特定酵母）的发酵剂，以模拟天然群落的复杂性。
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开发类开菲尔粒发酵剂：利用微生物的自聚集和生物膜形成能力，制造具有类似开菲尔粒空间结构的人工颗粒发酵剂。这种发酵剂既便于工业回收和重复使用，又可能保留天然颗粒中微生物的空间分布和互作关系。
维持工业生产的微生物群落稳定
在工业化生产中，维持所用发酵剂中微生物群落的稳定性至关重要。这需要确保菌株组合合理，能够维持互利共生和竞争关系的平衡。发酵底物（如牛奶种类）、发酵条件（温度、时间）以及后发酵的储藏运输温度都会影响微生物群落。通常，开菲尔发酵温度维持在20-30°C，发酵时间15-24小时。发酵后需迅速冷却并在4-6°C下储藏销售，以保证产品中活性微生物的存活。
总结与展望
开菲尔作为一种具有千年历史的发酵乳制品，其价值日益受到现代科学和市场的认可。未来的发展关键在于解决工业化生产与传统品质传承之间的矛盾。通过深入解析其微生物生态学原理，并利用合成微生物学和发酵工程新技术，开发新一代的发酵剂和生产工艺，有望生产出既具有标准、稳定、安全特性，又最大程度保留开菲尔传统风味和健康功能的产品，从而推动这一古老饮品在现代功能性食品市场中焕发新的生机。
