Динамика микробного сообщества кисломолочного напитка, приготовленного с использованием кефирных грибков

_{Аннотация}

_{Введение: Кефир — один из наиболее сложных природных ферментированных продуктов, формирование которого обеспечивается симбиотическим консорциумом микроорганизмов кефирных грибков. Эти уникальные биоплёнки представляют собой самовоспроизводящуюся экосистему, в которой бактерии и дрожжи взаимодействуют в тесной метаболической кооперации. В процессе ферментации микробное сообщество кефирных грибков становится источником динамично развивающейся микробиоты жидкой фазы, определяющей вкус, консистенцию и функциональные свойства напитка. Изучение последовательных стадий этой микробной сукцессии позволяет не только понять принципы устойчивости симбиотических систем, но и раскрыть механизмы, лежащие в основе технологии ферментации кефира.}

_{Несмотря на значительное число работ, посвящённых микробному составу кефира, представления о его динамике в процессе ферментации остаются фрагментарными: большинство исследований основано на данных 16S-рРНК-секвенирования или классических культуральных методах, ограниченных по разрешающей способности. В настоящем исследовании проведён анализ сукцессии микробного сообщества на последовательных стадиях активации кефирных грибков, формирования закваски и приготовления кефира с использованием полногеномного метагеномного секвенирования, что позволило получить детальное представление о таксономическом составе сообщества.}

_{Цель: Оценка динамики состава микробного сообщества кисломолочного напитка, приготовленного с использованием кефирных зёрен, на протяжении всего процесса - от этапа внесения лиофилизированных кефирных грибков до образования продукта с истекшим сроком годности.}

_{Материалы и методы: Исследование выполнено в лаборатории прикладной микробиологии и геномики микроорганизмов Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности (ФГАНУ «ВНИМИ»). Объектами исследования являлись лиофилизированные кефирные грибки и кефир, приготовленный на их основе, отобранный на различных этапах процесса ферментации и последующего хранения. Из каждой пробы выделяли тотальную ДНК, на основе которой готовили библиотеки и проводили полногеномное метагеномное секвенирование нового поколения (NGS) с последующим биоинформатическим анализом таксономической структуры микробного сообщества.}

_{Результаты: Метагеномный анализ последовательных стадий активации, ферментации и хранения показал, что кефирные зёрна формируют стабильное симбиотическое сообщество с моновидовой доминацией Lactobacillus kefiranofaciens, состав которого практически не изменяется. Микроорганизмы из зёрен последовательно заселяют жидкую фазу, где наблюдается упорядоченная сукцессия: от преобладания лактобацилл, главным образом L. helveticus, на ранних стадиях — к доминированию Lactococcus cremoris и L. lactis и участию дрожжей на поздних этапах. Рост Альфа-разнообразия в активной фазе ферментации отражает расширение экологических ниш и метаболическую кооперацию между таксонами, тогда как его снижение при хранении связано с селекцией устойчивых видов, адаптированных к кислой среде и низкотемпературным условиям. Бета-разнообразие подтверждает отчётливое различие между сообществами грибков и жидкой фазы и их последующую стабилизацию к 14–21 суткам. Выявленные закономерности отражают метаболически обусловленную смену ниш, определяющую кислотность, текстуру и стабилизацию конечного продукта.} 

_{Выводы: Кефирные грибки являются стабильным источником микробиоты, обеспечивающим формирование симбиотического сообщества в процессе ферментации. Установленная сукцессионная динамика отражает внутренние метаболические взаимодействия микроорганизмов и их адаптацию к изменяющимся условиям среды. Полученные данные иллюстрируют принципы пространственной организации, устойчивости и сукцессионной динамики микробных консорциумов, характерные для естественных симбиотических экосистем. Результаты могут быть использованы для оптимизации биотехнологических параметров ферментации, разработки стандартизированных заквасок и прогнозирования стабильности качества ферментированных молочных продуктов.}

1. Дин Фань, Стоянова Л. Г., & Нетрусов А. И. (2022). Микробиом и метабиотические свойства кефирных зерен и кефиров на их основе. Микробиология, 91(4), 391–409. https://doi.org/10.31857/S0026365622100214

2. Abdalla, A. K., Ayyash, M. M., Olaimat, A. N., et al. (2021). Exopolysaccharides as antimicrobial agents: Mechanism and spectrum of activity. Frontiers in Microbiology, 12, 664395. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.664395

3. Alraddadi, F., Ross, T., & Powell, S. (2022). Evaluation of the microbial communities in kefir grains and kefir over time. International Dairy Journal, 136, 105490. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2022.105490

4. Avila-Reyes, S. V., Márquez-Morales, C. E., Moreno-León, G. R., Jiménez-Aparicio, A. R., Arenas-Ocampo, M. L., Solorza-Feria, J., García-Armenta, E., & Villalobos-Espinosa, J. C. (2022). Comparative analysis of fermentation conditions on the increase of biomass and morphology of milk kefir grains. Applied Sciences, 12(5), 2459. https://doi.org/10.3390/app12052459

5. Baars, T., van Esch, B., van Ooijen, L., Zhang, Z., Dekker, P., Boeren, S., et al. (2023). Raw milk kefir: Microbiota, bioactive peptides, and immune modulation. Food & Function, 14(2), 1000–1017. https://doi.org/10.1039/D2FO03248A

6. Biçer, Y., Telli, A. E., Turkal, G., Telli, N., & Uçar, G. (2025). From raw to fermented: Uncovering the microbial wealth of dairy. Fermentation, 11(10), 552. https://doi.org/10.3390/fermentation11100552

7. Blasche, S., Kim, Y., Mars, R. A. T., Machado, D., Maansson, M., Kafkia, E., et al. (2021). Metabolic cooperation and spatiotemporal niche partitioning in a kefir microbial community. Nature Microbiology, 6(2), 196–208. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00816-5

8. Breitwieser, F. P., & Salzberg, S. L. (2019). Pavian: Interactive analysis of metagenomics data for microbiome studies and pathogen identification. Bioinformatics, 35(20), 4180–4182. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btz715

9. Dimitreli, G., Exarhopoulos, S., Apidopoulou, P., Groztidou, O., Georgiou, D., Kalogianni, E. P., & Goulas, A. (2025). Effect of final fermentation pH and pre-drying storage temperature on properties of kefir powder produced by kefir grains. Applied Sciences, 15(5), 2509. https://doi.org/10.3390/app15052509

10. Ding, F., Krasilnikova, A. A., Leontieva, M. R., Stoyanova, L. G., & Netrusov, A. I. (2022). Analysis of kefir grains from different regions of the planet using high-throughput sequencing. Moscow University Biological Sciences Bulletin, 77(4), 286–291. https://doi.org/10.3103/S0096392522040010

11. Dong, X., Shu, G., Kang, J., Zhang, Q., Ma, L., Zhang, M., Chen, H., & Wan, H. (2022). Microbial diversity of six commercially available kefir grains. Acta Universitatis Cibiniensis. Series E: Food Technology, 26, 287–292. https://doi.org/10.2478/aucft-2022-0023

12. Encinas-Vazquez, I. A., Carrillo-Pérez, E., Mártin-García, A. R., Del-Toro-Sánchez, C. L., Márquez-Ríos, E., Bastarrachea, L. J., & Rodríguez-Figueroa, J. C. (2023). Effects of high-intensity ultrasound pretreatment on the exopolysaccharide concentration and biomass increase in cheese whey kefir. Processes, 11(7), 1905. https://doi.org/10.3390/pr11071905

13. Gao, H., Li, X., Chen, X., Hai, D., Wei, C., Zhang, L., & Li, P. (2022). The functional roles of Lactobacillus acidophilus in different physiological and pathological processes. Journal of Microbiology and Biotechnology, 32(10), 1226–1233. https://doi.org/10.4014/jmb.2205.05041

14. González-Orozco, B. D., García-Cano, I., Escobar-Zepeda, A., Jiménez-Flores, R., & Álvarez, V. B. (2023). Metagenomic analysis and antibacterial activity of kefir microorganisms. Journal of Food Science, 88(7), 2933–2949. https://doi.org/10.1111/1750-3841.16614

15. Guron, G. K. P., Chelladhurai, K., et al. (2023). Differential behavior of Lactobacillus helveticus B1929 and ATCC 15009 during milk fermentations. Journal of Dairy Science, 106(7), 4502–4515. https://doi.org/10.3168/jds.2022-22769

16. Kalamaki, M. S., & Angelidis, A. S. (2020). High-throughput, sequence-based analysis of the microbiota of Greek kefir grains from two geographic regions. Food Technology and Biotechnology, 58(2), 138–146. https://doi.org/10.17113/ftb.58.02.20.6581

17. Kotova, I. B., Cherdyntseva, T. A., & Netrusov, A. I. (2016). Russian kefir grains microbial composition and its changes during production process. Advances in Experimental Medicine and Biology, 932, 93–121. https://doi.org/10.1007/5584_2016_2

18. Laureys, D., & De Vuyst, L. (2014). Microbial species diversity, community dynamics, and metabolite kinetics of water kefir fermentation. Applied and Environmental Microbiology, 80(8), 2564–2572. https://doi.org/10.1128/AEM.03978-13

19. Lu, J., Breitwieser, F. P., Thielen, P., & Salzberg, S. L. (2017). Bracken: Estimating species abundance in metagenomics data. PeerJ Computer Science, 3, e104. https://doi.org/10.7717/peerj-cs.104

20. Lu, J., Rincon, N., Wood, D. E., Breitwieser, F. P., Pockrandt, C., Langmead, B., Salzberg, S. L., & Steinegger, M. (2022). Metagenome analysis using the Kraken software suite. Nature Protocols, 18(2), 423–445. https://doi.org/10.1038/s41596-022-00738-y

21. Luo, J., Liu, S., Lu, H., Chen, Q., & Shi, Y. (2023). Microbial community variations and bioconversion improvements during soybean-based fermentation by kefir grains. Foods, 12(8), 1588. https://doi.org/10.3390/foods12081588

22. Marshall, V. M., Cole, W. M., & Brooker, B. E. (1984). Observations on the structure of kefir grains and the distribution of the microflora. Journal of Applied Bacteriology, 57(3), 491–497.

23. Martin, M. (2011). Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnet.journal, 17(1), 10–12. https://doi.org/10.14806/ej.17.1.200

24. McGovern, C. J., González-Orozco, B. D., & Jiménez-Flores, R. (2024). Evaluation of kefir grain microbiota, grain viability, and bioactivity from fermenting dairy processing by-products. Journal of Dairy Science, 107(7), 4259–4276. https://doi.org/10.3168/jds.2023-24364

25. Powell, J. E., Witthuhn, R. C., Todorov, S. D., & Dicks, L. M. T. (2007). Characterization of bacteriocin ST8KF produced by a kefir isolate Lactobacillus plantarum ST8KF. International Dairy Journal, 17(3), 190–198. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2006.02.012

26. Plessas, S., Nouska, C., Mantzourani, I., Kourkoutas, Y., Alexopoulos, A., & Bezirtzoglou, E. (2017). Microbiological Exploration of Different Types of Kefir Grains. Fermentation, 3(1), 1. https://doi.org/10.3390/fermentation3010001

27. Prado, M. R., Blandón, L. M., Vandenberghe, L. P., Rodrigues, C., Castro, G. R., Thomaz-Soccol, V., & Soccol, C. R. (2015). Milk kefir: Composition, microbial cultures, biological activities, and related products. Frontiers in Microbiology, 6, 1177. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.01177

28. Saleem, K., Ikram, S., Saeed, F., Afzaal, M., Ateeq, H., Hussain, M., et al. (2023). Nutritional and functional properties of kefir: Review. International Journal of Food Properties, 26, e2280437. https://doi.org/10.1080/10942912.2023.2280437

29. Ströher, J. A., Oliveira, W. d. C., de Freitas, A. S., Salazar, M. M., da Silva, L. d. F. F., Bresciani, L., Flôres, S. H., & Malheiros, P. d. S. (2025). A global review of geographical diversity of kefir microbiome. Fermentation, 11(3), 150. https://doi.org/10.3390/fermentation11030150

30. Tingirikari, J. M. R., Sharma, A., & Lee, H. J. (2024). Kefir: A fermented plethora of symbiotic microbiome and health. Journal of Ethnic Foods, 11, 35. https://doi.org/10.1186/s42779-024-00252-4

31. Walsh, L. H., Coakley, M., Walsh, A. M., Crispie, F., O’Toole, P. W., & Cotter, P. D. (2023). Analysis of the milk kefir pan-metagenome reveals four community types, core species, and associated metabolic pathways. iScience, 26(10), 108004. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.108004

32. Warakaulle, S., Ayyash, M. M., & Kamal-Eldin, A. (2025). Profiling protein hydrolysis and amino acid metabolism in camel and bovine milk fermented by Lactobacillus helveticus, L. bulgaricus, and Streptococcus thermophilus. Scientific Reports, 15(1), 18371. https://doi.org/10.1038/s41598-025-02944-6

33. Wood, D. E., Lu, J., & Langmead, B. (2019). Improved metagenomic analysis with Kraken 2. Genome Biology, 20, 257. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1891-0

34. Zhao, J., Zeng, X., Xi, Y., & Li, J. (2024). Recent advances in the applications of Lactobacillus helveticus in the fermentation of plant-based beverages: A review. Trends in Food Science & Technology, 147, 104427. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2024.104427