Ethnobiotechnological Analysis of the Lactic Bacterial Diversity in the Mezcal Fermentation of Four Palenques in Oaxaca, Mexico
墨西哥瓦哈卡州四个传统酿造作坊梅斯卡尔发酵过程中乳酸菌多样性的民族生物技术分析
来源：Fermentation 2026, 12, 89
论文整体总结
本研究发表于《Fermentation》期刊，聚焦墨西哥瓦哈卡州传统蒸馏酒梅斯卡尔的自然发酵体系，首次以民族生物技术分析框架，系统解析了该发酵过程中的细菌（核心为乳酸菌）多样性，并揭示了社会文化、生态地理、本土传统知识对微生物群落的塑造作用。研究选取瓦哈卡州中央山谷、卡尼亚达、米斯特卡三大核心产区的 4 个传统酿造作坊（Palenque）为研究对象，通过非结构化访谈获取本土酿造知识，结合官方数据库收集区域社会经济与生态地理数据，同步完成了发酵醪液样品的采集、菌株分离纯化、表型生化鉴定、16S rRNA 分子系统发育分析，以及菌株乙醇耐受性与生长动力学测试。
研究在梅斯卡尔发酵体系中鉴定出 6 个核心细菌属，分别为植物乳杆菌属、肠杆菌属、肠球菌属、芽孢杆菌属、明串珠菌属、轻乳杆菌属，其中植物乳杆菌为最优势的核心类群；筛选出多株可耐受 6%、8% 乙醇浓度的植物乳杆菌菌株，明确了不同菌株的生长动力学差异。研究最核心的发现是：发酵体系的细菌物种多样性与当地人口边缘化程度呈显著正相关，城市化程度最高、边缘化程度极低的 2 号作坊仅检测到 2 个物种，而高边缘化、完整保留传统酿造知识的乡村作坊，细菌物种数量可达 6-10 个，微生物群落更稳定、更多样。
本研究填补了梅斯卡尔发酵过程中细菌群落研究的空白，首次将社会文化、本土传统知识与发酵微生物多样性关联起来，不仅为梅斯卡尔发酵工艺的稳定性调控、风味品质提升、功能发酵剂开发提供了宝贵的菌株资源与科学依据，也为墨西哥本土传统酿造工艺、民族知识与微生物遗传资源的保护提供了直接的科学支撑。
1. 论文摘要
梅斯卡尔是墨西哥瓦哈卡州的传统饮品，采用无人工接种的传统生物技术工艺生产，目前关于发酵过程中细菌的作用研究较少。本研究旨在分析梅斯卡尔发酵醪液中的细菌多样性，并明确其与民族生物技术变量的关联。研究采集了瓦哈卡州中央山谷、卡尼亚达和米斯特卡三个产区四个传统酿造作坊的发酵醪液样品，对菌株进行了分子和表型鉴定与表征，包括乙醇耐受性测试；通过访谈和官方数据库获取了民族生物技术相关数据。研究在梅斯卡尔发酵醪液中鉴定出 6 个细菌属，包括植物乳杆菌属（Lactiplantibacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）、肠球菌属（Enterococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、明串珠菌属（Leuconostoc）和轻乳杆菌属（Levilactobacillus）。通过析因实验证实，筛选出的植物乳杆菌菌株可耐受 6% 和 8% 的乙醇浓度。研究发现，物种多样性与人口边缘化程度存在直接关联：代表城市化程度最高群体的 2 号作坊多样性最低，仅检测到 2 个物种；而具有高边缘化特征的作坊，其细菌多样性显著更高，物种数量在 6-10 个之间。这些差异可能与菌群组成、微生物生长动力学和乙醇耐受性的变化相关。综上，研究结果表明民族生物技术因素在塑造细菌多样性方面发挥着重要作用。在瓦哈卡语境中，“民族生物技术” 指的是生物多样性、本土文化与地域之间的深层关联，尤其强调活态的传统知识及其代际传承。
2. 论文关键词（英文 + 中文，单行排布）
microbial diversity、alcoholic fermentation、ancestral beverages；微生物多样性、酒精发酵、传统饮品
3. 研究目的
系统解析墨西哥瓦哈卡州不同产区传统作坊梅斯卡尔发酵醪液中的细菌（尤其是乳酸菌）多样性，完成菌株的表型与分子鉴定，填补梅斯卡尔发酵过程中细菌群落研究的不足。
评估分离菌株的乙醇耐受性，筛选出可适应梅斯卡尔发酵高乙醇胁迫环境的功能菌株，明确其生长动力学特征。
探究民族生物技术相关变量（包括地理气候、土地利用、农业活动、人口边缘化程度、城市化水平、本土传统知识传承等）对梅斯卡尔发酵细菌多样性的塑造作用，揭示社会 - 生态因素与发酵微生物群落的内在关联。
阐明分离菌株在梅斯卡尔发酵过程中的潜在功能，为理解梅斯卡尔发酵的微生物机制、工艺稳定性调控和风味品质形成提供科学依据。
为瓦哈卡州梅斯卡尔传统酿造工艺与本土民族知识的保护、传承和可持续发展提供微生物学层面的科学支撑。
4. 研究思路
第一步：研究位点选择与民族生物技术调研。选取瓦哈卡州 3 个核心梅斯卡尔产区的 4 个传统酿造作坊作为研究对象，覆盖不同的地理气候、水文流域、土地利用、农业活动、人口边缘化程度与城市化水平，具备社会 - 生态 - 文化的代表性；通过非结构化访谈与当地酿酒师沟通，获取传统酿造工艺的民族生物技术知识，同时从墨西哥官方数据库收集各作坊所在区域的社会经济、地理气候、土地利用等背景数据。
第二步：样品采集与理化指标测定。无菌采集 4 个作坊发酵醪液样品，现场测定醪液的 pH、总可溶性固形物（白利度），样品 4℃冷藏保存直至实验室处理。
第三步：细菌的分离、纯化与表型鉴定。将醪液样品梯度稀释后，接种于添加制霉菌素的 MRS 培养基中，30℃培养 120h，反复划线纯化获得纯菌株；通过革兰氏染色、菌落与细胞形态观察完成形态学鉴定；利用 LBS、M17、MSE、Elliker、M5 等选择性培养基，结合 15 项碳水化合物代谢生化测试、过氧化氢酶实验、硝酸盐还原实验、产气实验等，完成菌株的生理生化与表型特征鉴定，区分同型 / 异型发酵乳酸菌。
第四步：菌株的分子鉴定与系统发育分析。提取菌株基因组 DNA，PCR 扩增 16S rRNA 基因全长并测序，通过 NCBI BLAST 比对完成物种鉴定；利用 CLUSTALW 进行序列比对，基于最大简约法构建系统发育树，通过 1000 次自举检验分析菌株的系统发育关系。
第五步：菌株的乙醇耐受性与生长动力学实验。选取分离的核心菌株，在 0%、6%、8% 乙醇浓度的 MRS 培养基中进行胁迫培养，测定菌株的生物量（CFU/mL）与相对种群数量，计算不同菌株的生长速率，筛选高乙醇耐受性菌株，明确其在发酵酒精胁迫下的生长特征。
第六步：细菌多样性与民族生物技术变量的关联分析。计算各作坊菌群的 Shannon-Wiener 多样性指数、Chao 丰富度指数，分析不同作坊的物种组成、相对丰度与特有物种；通过皮尔逊相关系数，分析地理气候、农业活动、人口边缘化程度、城市化水平等民族生物技术变量与细菌多样性、物种组成的相关性，揭示社会 - 生态因素对发酵微生物群落的影响。
第七步：结果整合与结论总结。综合表型鉴定、分子分析、耐受性实验与多样性关联分析的结果，阐明梅斯卡尔发酵过程中细菌的群落结构与功能潜力，明确民族生物技术因素对微生物多样性的塑造作用，总结研究结论，提出传统工艺保护与应用的相关建议。
5. 研究亮点
分析框架的创新性：首次提出并应用 “民族生物技术” 分析框架，将墨西哥本土传统酿造知识、社会经济特征（人口边缘化、城市化水平）、地理生态变量与梅斯卡尔发酵的细菌多样性关联起来，揭示了人类社会文化因素对传统发酵食品微生物群落的塑造作用，突破了传统微生物研究仅关注工艺、环境理化因素的局限。
微生物资源的系统性挖掘：采用培养依赖型与分子生物学结合的多相鉴定方法，系统完成了梅斯卡尔发酵体系中乳酸菌的分离与鉴定，明确了 6 个核心细菌属的组成，发现植物乳杆菌属为核心优势类群，同时鉴定出多个在梅斯卡尔发酵中首次报道的物种，填补了该领域细菌多样性研究的空白。
功能菌株的筛选与应用价值：筛选出多株可耐受 6% 和 8% 乙醇浓度的植物乳杆菌菌株，明确了不同菌株的生长动力学差异，这些菌株可适应梅斯卡尔发酵的高乙醇胁迫环境，为梅斯卡尔发酵工艺的标准化、稳定性调控，以及功能发酵剂的开发提供了宝贵的菌株资源。
核心规律的突破性发现：首次证实发酵体系的细菌多样性与人口边缘化程度呈显著正相关，高度城市化、低边缘化的作坊细菌多样性极低，而保留传统酿造知识、高边缘化的乡村作坊拥有更丰富、更稳定的微生物群落，为传统酿造工艺与本土民族知识的保护提供了直接的科学依据。
研究设计的区域代表性：研究位点覆盖了瓦哈卡州 3 个核心梅斯卡尔产区，兼顾了地理、生态、社会经济、文化的异质性，研究结果具备区域代表性，不仅揭示了位点间的微生物多样性差异，还阐明了造成差异的核心驱动因素，为梅斯卡尔的地理标志产品保护、产地特征风味解析提供了微生物学支撑。
6. 可延伸的研究方向
梅斯卡尔发酵全周期的微生物时空动态研究：追踪发酵全过程的细菌群落演替规律，结合代谢组学分析，阐明细菌在发酵不同阶段的功能活性，及其与酵母菌的种间互作关系，揭示其对梅斯卡尔风味物质形成的具体贡献。
高耐受性菌株的发酵剂开发与应用：针对筛选出的乙醇耐受型植物乳杆菌菌株，优化其高密度培养与菌剂保藏工艺，验证其在梅斯卡尔人工接种发酵中的应用效果，在保留传统风味的同时，提升发酵工艺的稳定性与批次一致性。
分离菌株的益生功能与生物活性挖掘：对乳酸菌菌株开展抑菌活性、抗氧化、耐胃酸胆盐等益生特性评价，挖掘其在功能食品、生物医药领域的应用潜力，拓展梅斯卡尔源乳酸菌的应用场景。
传统知识与微生物多样性的深度耦合研究：扩大样本量覆盖更多产区与酿造工艺，结合定量民族志研究，解析不同传统酿造操作对微生物群落的具体影响，建立 “传统知识 - 工艺操作 - 微生物群落 - 产品品质” 的关联模型。
梅斯卡尔产地微生物溯源体系构建：结合宏基因组学技术，解析不同产区梅斯卡尔发酵的核心微生物标志物，建立微生物产地溯源模型，为梅斯卡尔的地理标志保护、产品真伪鉴别提供科学方法。
稀有物种的功能与代谢网络解析：针对肠杆菌属、肠球菌属、明串珠菌属等非优势类群，开展其在发酵早期的功能研究，明确其在体系酸化、氮源代谢、风味前体形成中的作用，完善梅斯卡尔发酵的微生物代谢网络。
传统酿造工艺的保护策略制定：基于 “边缘化程度 - 传统知识 - 微生物多样性” 的关联规律，制定乡村传统作坊的微生物资源与酿造工艺保护策略，推动本土知识的代际传承与梅斯卡尔产业的可持续发展。
7. 测量数据、研究意义及对应图表
菌株 16S rRNA 基因测序鉴定数据：包含各分离菌株的 Query Cover、序列相似度、E 值、GenBank 登录号，完成了物种的分子分类学鉴定。研究意义：精准确定了梅斯卡尔发酵醪液中细菌的物种组成，明确了核心类群与位点特有物种，是解析细菌多样性的核心分子依据，也为菌株系统发育分析提供了序列基础。数据来自Table 1。
菌株生化与表型特征数据：包含各菌株对半乳糖、葡萄糖、果糖、甘露醇、乳糖、蔗糖的碳水化合物代谢能力，产气、硝酸盐还原能力，以及在 Litmus 牛奶、LBS、M17、Elliker、MSE 选择性培养基中的生长情况，过氧化氢酶活性、革兰氏染色结果。研究意义：从生理生化层面完成菌株表型鉴定，补充分子鉴定结果，区分同型 / 异型发酵乳酸菌，明确不同菌株的代谢特征，为评估其发酵功能潜力提供了表型依据。数据来自Table 2、补充表Table S1。
菌株乙醇耐受性数据：包含 0%、6%、8% 乙醇浓度下各菌株的生物量（×10^6 CFU/mL），以及 6%、8% 乙醇胁迫下的菌株最大相对种群百分比。研究意义：量化了不同菌株对乙醇胁迫的耐受能力，筛选出可耐受 6% 和 8% 乙醇的植物乳杆菌菌株，明确了其在梅斯卡尔发酵高乙醇环境中的存活与生长潜力，为功能发酵剂筛选提供了核心指标。数据来自Table 3。
四个作坊的民族生物技术变量数据：包含各作坊所在区域的地理位置、海拔、气候类型、年均温、年降水量、水文流域、土地利用类型占比、人口统计数据、贫困率、边缘化指数、社会落后指数等社会 - 生态 - 经济指标。研究意义：明确了四个研究位点的民族生物技术背景差异，为分析社会文化、地理生态因素对细菌多样性的影响提供了基础数据，是建立 “人类活动 - 微生物多样性” 关联的核心依据。数据来自Table 4。
菌株系统发育分析数据：基于 16S rRNA 序列构建的最大简约法系统发育树，明确了不同菌株的亲缘关系与不同作坊菌株的聚类特征。研究意义：从进化层面揭示了分离菌株的亲缘关系，验证了物种鉴定的准确性，同时发现不同作坊的菌株形成特征性聚类，反映了位点特异性的微生物谱系特征，为理解菌株的地域适应性提供了进化层面的依据。数据来自Figure 1。
乳酸菌菌株生长速率数据：包含各分离菌株的生长速率（h⁻¹），以及不同作坊菌株的生长性能差异。研究意义：量化了不同菌株的生长动力学特征，明确了来自高多样性作坊的菌株具备更快的生长速率，揭示了不同菌株对发酵环境的适应能力差异，为理解发酵体系中微生物的竞争与演替提供了动力学依据。数据来自Figure 2。
菌株分布与相对频率数据：包含不同物种在四个作坊中的出现频率、分布特征，以及各作坊的特有物种。研究意义：明确了不同物种在各作坊的分布规律，量化了优势物种与稀有物种的相对丰度，结合多样性指数分析，揭示了不同作坊的群落结构差异，是解析民族生物技术变量对群落影响的核心数据。数据来自补充表Table S2。
发酵醪液现场理化数据：包含醪液的 pH 值、总可溶性固形物（白利度）。研究意义：明确了不同作坊发酵醪液的基础理化环境，为理解微生物生长的环境背景提供了基础数据，是解释不同作坊微生物群落差异的辅助理化依据。（原文材料方法 2.1 部分，无单独图表）
细菌多样性指数与相关性分析数据：包含各作坊的 Shannon-Wiener 多样性指数、Chao 丰富度指数，以及民族生物技术变量与多样性的皮尔逊相关系数。研究意义：量化了不同作坊的细菌 α 多样性，明确了各作坊的物种丰富度与均匀度差异，通过相关性分析揭示了民族生物技术变量与多样性的关联规律，是本研究核心结论的关键数据支撑。（原文 3.4 部分，无单独图表，基于 Table 4 与物种分布数据计算）
8. 核心研究结论
墨西哥瓦哈卡州四个传统作坊的梅斯卡尔发酵体系中，微生物群落存在显著的位点特异性差异，尽管部分物种在不同作坊中共有，但菌株的生长特性与乙醇耐受性存在明显的株间差异。
梅斯卡尔发酵的细菌多样性与区域民族生物技术过程、社会经济特征密切相关，发酵体系的微生物组成不仅受酿造工艺本身影响，还受作坊所在区域的边缘化程度、城市化水平、传统知识传承等社会 - 文化 - 生态变量的显著塑造。
梅斯卡尔发酵的核心功能微生物包括酵母菌与细菌，其中细菌（尤其是乳酸菌）对发酵进程的调控、最终产品的风味形成具有关键作用；与普尔克、龙舌兰酒、巴卡诺拉等其他龙舌兰发酵饮品相比，梅斯卡尔拥有最多样、功能最复杂的乳酸菌生态系统，这也是其感官多样性丰富、与地理产地和传统工艺高度关联的核心原因。
本研究在梅斯卡尔发酵醪液中共鉴定出 6 个核心细菌属：植物乳杆菌属、肠杆菌属、肠球菌属、芽孢杆菌属、明串珠菌属、轻乳杆菌属，其中植物乳杆菌是发酵体系中最普遍、最核心的乳酸菌类群，筛选出的该物种菌株可耐受 6% 和 8% 的乙醇浓度，具备适应梅斯卡尔发酵胁迫环境的优异特性。
发酵体系的细菌物种多样性与当地人口边缘化程度呈直接正相关：城市化程度最高、边缘化程度极低的 2 号作坊细菌多样性最低，仅检测到 2 个物种；而乡村地区、高边缘化程度、完整保留传统酿造知识的作坊，细菌物种数量可达 6-10 个，拥有更稳定、更多样的微生物组。
对梅斯卡尔发酵中乳酸菌的研究，不仅是理解其发酵机制的关键，更是制定传统酿造工艺保护策略的核心科学依据，传统工艺与本土知识的传承直接关系到发酵微生物多样性的保护与维持。
9. 芬兰 Bioscreen 仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义详细解读
特别说明：本研究原文中未直接使用芬兰 Bioscreen C 微生物生长读数仪开展微生物生长曲线测定，菌株的生长速率、乙醇耐受性评价主要通过传统平板菌落计数（CFU）、试管静置培养法完成。但基于本研究的核心科学目标、实验设计与待解决的关键问题，芬兰 Bioscreen C 仪器测量的微生物生长曲线数据，可为本研究带来以下关键研究价值，同时可完美适配本研究的菌株筛选、胁迫耐受性评价、生长动力学解析等核心实验需求，具体解读如下：
（1）实现产酸乳酸菌的高通量自动化筛选，大幅提升菌株筛选的效率与准确性
本研究从 4 个作坊中分离得到数十株乳酸菌菌株，传统的试管培养、CFU 计数方法存在通量低、操作繁琐、时间分辨率差、人工系统误差大等问题，难以实现多菌株、多条件的平行筛选。而芬兰 Bioscreen C 仪器可同时对两块 100 孔板的样本进行平行检测，能一次性完成数十株菌株、多个胁迫条件的生长曲线同步测定，在 48h 内获得上千个标准化的生长数据，完美适配本研究中大量乳酸菌菌株的初筛需求。
通过该仪器的自动化连续检测，可彻底避免人工操作的系统误差，保证不同菌株、不同处理组间数据的可比性，精准区分不同菌株的生长性能差异，快速锁定高活性、高胁迫耐受性的优势菌株，大幅缩短菌株筛选周期，降低实验试错成本，同时为后续的发酵剂开发提供更可靠的初筛结果。
（2）精准描绘菌株的生长动力学全周期，揭示乙醇胁迫下的菌株适应机制
本研究的核心内容之一是评价菌株对 6%、8% 乙醇的耐受性，传统方法仅能获得终点的生物量数据，无法捕捉菌株在乙醇胁迫下的迟滞期、对数生长期、平台期的动态变化。而 Bioscreen C 的高时间分辨率（最短可设置 5min / 次检测），可完整描绘菌株在不同乙醇浓度下的全生长周期曲线，精准量化菌株的迟滞期时长、最大比生长速率、最大生物量等关键动力学参数。
这些生长曲线数据，可深入揭示不同菌株对乙醇胁迫的适应机制：比如明确哪些菌株可在高乙醇浓度下保持短迟滞期、快速进入对数生长期，哪些菌株仅能缓慢生长、甚至完全被抑制；同时可区分菌株的 “乙醇耐受表型” 是 “存活型” 还是 “生长繁殖型”，这对筛选可在梅斯卡尔发酵全周期发挥功能的菌株至关重要，而这是传统终点计数法无法实现的。
（3）建立菌株生长性能与民族生物技术变量的量化关联，深化核心科学发现
本研究最核心的发现是 “细菌多样性与人口边缘化程度、传统知识传承呈正相关”，而传统方法仅能获得菌株的 “有无” 与终点生长速率，无法建立不同作坊菌株的生长性能差异与民族生物技术变量的精细化关联。
通过 Bioscreen C 获得的生长曲线数据，可量化比较不同作坊分离菌株的生长动力学特征：比如来自高边缘化、高传统知识保留度作坊的菌株，是否在乙醇胁迫、低 pH、营养限制等发酵胁迫环境下，具备更优的生长性能与环境适应性；不同作坊的菌株是否形成了特征性的生长表型，这些表型是否与当地的传统酿造工艺、环境条件相匹配。这些数据可进一步深化本研究的核心结论，从菌株功能表型层面，揭示传统酿造知识如何通过长期的人工选择，塑造了发酵微生物的功能特征，而不仅是物种组成的差异。
（4）实现多胁迫条件的平行模拟，更贴合梅斯卡尔真实发酵环境的菌株评价
梅斯卡尔的自然发酵是一个低 pH、高乙醇、营养动态变化的复杂胁迫环境，单一的乙醇浓度胁迫无法完全模拟真实发酵场景。Bioscreen C 的高通量特性，可同时设置 pH、乙醇浓度、营养底物、温度等多梯度的胁迫条件，平行测定菌株在不同组合胁迫下的生长曲线，更真实地模拟梅斯卡尔发酵的动态环境。
比如可模拟发酵早期低酸、低糖，发酵后期高乙醇、低 pH 的环境变化，测定菌株在不同发酵阶段的生长活性，明确菌株在发酵全周期的功能窗口；同时可评价不同菌株对龙舌兰原料底物的利用能力，筛选更适配梅斯卡尔发酵体系的本土菌株，这对理解菌株在真实发酵中的生态位与功能，以及开发适配传统工艺的发酵剂具有关键意义。
（5）为菌株的产地溯源与功能特性验证提供标准化的表型指纹
本研究发现不同产区的作坊拥有特征性的微生物群落，而 Bioscreen C 获得的多条件下的生长曲线数据，可构建菌株的 “生长表型指纹”，区分不同产地、不同作坊分离的菌株的表型差异。
这些表型指纹数据，可结合 16S rRNA 基因序列的系统发育分析，建立 “基因型 - 表型 - 产地” 的关联模型，为梅斯卡尔的产地微生物溯源提供表型层面的支撑；同时可验证不同物种、不同菌株的功能特性，比如明串珠菌属、肠球菌属等非优势类群，在发酵早期的生长活性与环境适应性，明确其在发酵启动、体系酸化中的具体作用，完善梅斯卡尔发酵的微生物代谢网络解析。
（6）建立微尺度筛选与放大实验的关联，降低后续应用开发的试错成本
传统的试管 / 摇瓶筛选结果，往往与后续生物反应器的放大实验结果存在显著差异，而 Bioscreen C 的微尺度培养体系，可在可控、标准化的条件下，完成菌株的表型筛选，同时可精准评估菌株的生长稳定性、批次重复性。
通过该仪器获得的生长动力学参数，可为后续的菌株扩大培养、发酵剂生产、梅斯卡尔接种发酵实验提供关键的工艺参数（比如接种量、培养时间、胁迫耐受阈值），大幅降低从实验室菌株筛选到工业化应用的试错成本，同时保证筛选出的菌株在实际应用中的稳定性与适配性。