蚕豆酱是以蚕豆、面粉和食盐为原料,经制曲和酱醅发酵两个步骤制成的一种传统发酵食品。传统蚕豆酱的生产一般采用多菌种混合固态发酵的开放式工艺,涉及复杂的微生物群落;这些微生物群落具有重要的生态系统功能,在发酵过程中起着非常重要的作用。然而,由于开放的发酵环境和采用非无菌原料,微生物群落会随时间的推移而变化,特别在季节性和时间演替的情况下,会进一步导致不同批次之间蚕豆酱风味和质量的不一致,同时开放的环境也增加了食品安全的风险。此外,传统蚕豆酱通常为高盐发酵,尽管高盐可以抑制有害微生物的生长,并在开放环境中选择功能菌群,但也会影响豆类发酵食品的发酵效率,对人们的健康产生负面影响。在实际生产过程中,盐度的降低易导致有害微生物的生长繁殖,造成酱醅的腐败变质。因此,阐明蚕豆酱发酵过程微生物群落结构与功能,开发确定的起始发酵剂,是提高蚕豆酱安全性、稳定性的有效途径之一。针对以上问题,本论文对传统蚕豆酱微生物群落结构和功能进行原位解构和体外重构,利用自下而上的方法开发一种具有所需功能的合成微生物群落,以更好地理解在开放发酵环境中蚕豆酱微生物群落组装和微生物功能的潜在机制,从而指导传统产业的工业化转型,实现豆类发酵食品的标准化、低盐化生产。本论文主要研究内容和结果如下:（1）为了更好地了解季节性变化对蚕豆酱发酵过程的影响,通过组间判别分析对不同季节的理化代谢物质和微生物群落进行比较,以区分差异代谢物和独特的微生物分类群。结果发现不同季节酱醅的理化指标存在显著差异,其中夏季和秋季酱醅中的挥发性风味物质含量和种类较为丰富,而冬季酱醅中的酶活、氨基酸、氨基酸态氮和可滴定酸含量最高。扩增子测序分析表明微生物群落组成和多样性随季节而变化。通过LEf Se分析发现春季酱醅中的标志微生物（biomarker）是Staphylococcus属、Tetragenococcus属和Aspergillus属;夏季酱醅中的biomarker是Bacillus属、Agaricostilbum属、Sterigmatomyces属、Fusicolla属、Trichoderma属和Meyerozyma属;秋天酱醅中的biomarker是Zygosaccharomyces属;冬天酱醅的biomarker包括Lactobacillales目（Weissella属、Lactococcus属、Streptococcus属、Pediococcus属、Enterococcus属）、Kurthia属、Proteus属和Cronobacter属。通过Mantel test、斯皮尔曼和相关性网络分析等技术手段发现温度、盐度和酸度共同导致了蚕豆酱微生物群落的季节性分布,而差异微生物的存在进一步导致酱醅风味的不一致;乳杆菌（Lactobacillus属、Leuconostoc属和Weissella属）可能是冬季酱醅中可滴定酸、氨基酸态氮含量和酶活较高的原因,而酵母菌（Zygosaccharomyces属、Wickerhamomyces属、Millerozyma属和Debaryomyces属）有助于夏季和秋季酱醅中较高含量挥发性风味物质的形成。（2）为了探究传统蚕豆酱发酵过程中微生物群落的演替机制和功能微生物,通过扩增子测序和实时定量聚合酶链式反应（quantitative real-time polymerase chain reaction,q PCR）对蚕豆酱发酵过程中的微生物群落结构进行了解析,发现蚕豆酱微生物多样性和生物量在发酵前期急剧变化并迅速达到稳定状态。蚕豆酱微生物群落结构中的优势微生物属主要是Staphylococcus属、Bacillus属、Weissella属、Aspergillus属和Zygosaccharomyces属。其中Staphylococcus属的生物量在发酵前两周下降,然后逐渐恢复;而Bacillus属、Weissella属和Aspergillus属在发酵过程中迅速消亡;Zygosaccharomyces属在发酵过程中缓慢增加,在发酵中期达到峰值然后下降。进一步通过Mantel test、冗余分析和相关性网络分析表明,盐度和微生物相互作用共同驱动了蚕豆酱微生物群落的演替。进一步对五个优势属可能在不同的发酵阶段发挥的功能作用进行了分析,发现Aspergillus属、Bacillus属和Weissella属主要在发酵早期负责大分子物质的降解,而Staphylococcus属和Zygosaccharomyces属在发酵中后期对风味物质的形成起关键作用。（3）为了更深入地了解传统蚕豆酱发酵过程中的代谢机制以及微生物类群在不同发酵阶段中的功能作用,通过宏基因组测序对蚕豆酱不同发酵阶段的酱醅代表样本进行分析。基于功能注释重构了发酵过程中底物降解和风味形成的代谢途径。基于微生物对功能基因的贡献分析,发现Staphylococcus属、Bacillus属、Weissella属、Aspergillus属和Zygosaccharomyces属是负责底物分解和风味物质合成的主要微生物群体,它们对代谢功能基因的贡献度与其物种丰度成正比。Staphylococcus属和Zygosaccharomyces属的胞内存在负责适应渗透胁迫的应激反应基因和通路,表明其可能具有维持胞内外渗透压平衡的能力。（4）为了进一步验证微生物功能特性并开发具有特定功能的微生物群落模型,在微生物群落结构和功能分析的基础上,筛选出具有发酵功能的关键菌株,得到了五个优势功能微生物属的代表种（Aspergillus oryzae、Bacillus subtilis、Staphylococcus gallinarum、Weissella confusa和Zygosaccharomyces rouxii）,并对其耐盐性、相互作用、抑菌性和代谢特性进行了评价。结果表明A.oryzae和B.subtilis具有较强的产蛋白酶和淀粉酶能力,在发酵早期负责大分子物质的降解;A.oryzae、S.gallinarum和W.confusa具有较高的有机酸和氨基酸产生能力;耐盐Z.rouxii在发酵中后期对挥发性风味物质的形成起关键作用。此外,利用核心微生物开发了简化的微生物群落模型以模拟蚕豆酱发酵过程,发现合成群落具有和传统发酵条件下相似的微生物演替规律。通过比较不同盐度和传统发酵条件下微生物群落演替和发酵性能的差异,进一步验证了盐度是驱动微生物群落演替的重要因素,初步实现了蚕豆酱的低盐发酵。（5）S.gallinarum的潜在致病性阻碍了其作为食品发酵剂的应用。为了确定可以替代S.gallinarum的食品安全菌株,分析了不同Staphylococcus种的分布机制和功能特性,发现Staphylococcus的种间竞争关系导致了S.gallinarum的优势地位,且S.carnosus具有和S.gallinarum类似的环境耐受性和功能特性,初步确定食品安全菌株S.carnosus可以代替条件致病菌S.gallinarum用于蚕豆酱的发酵。最后,对优化的合成群落进行进一步的应用,比较了不同盐度条件下发酵性能的差异,发现低盐可以有效地提高发酵效率和改善风味品质。