实验室发表蔬菜发酵益生菌相关综述

2023年10月16日，郑州大学屈凌波教授团队在Foods发表了题为“Advancing Insights into Probiotics during Vegetable Fermentation”的综述论文。

YingZi Yuan, Yutong Yang, LeLe Xiao, Lingbo Qu, Xiaoling Zhang^*, Yongjun Wei^*. Advancing Insights into Probiotics during Vegetable Fermentation. Foods. 2023, 12(20), 3789. 

本文综述了发酵蔬菜的传统发酵流程、发酵机制和发酵菌群演替，介绍了乳酸菌在发酵蔬菜中的核心作用，并进一步探讨了高效益生菌发酵剂的设计和稳定可控发酵平台的构建，为未来生产健康有益、绿色营养的发酵蔬菜提供了参考。

第一作者：袁瑛姿

通讯作者：魏勇军、张晓玲

合作作者：杨雨潼、肖乐乐、屈凌波、

作者单位：郑州大学药学院、郑州大学合成生物学实验室、郑州大学中原食品实验室等

亮点：

1、总结了蔬菜发酵菌群的演替及代谢机制，综述了乳酸菌等益生菌在发酵过程中的重要作用；

2、共培养、多组学分析和基因工程等生物技术对于设计和构建高效益生菌发酵剂具有重要作用；

3、构建稳定可控的大规模蔬菜发酵平台，有助于改善发酵蔬菜产品风味，提高产品的营养价值和健康品质。

摘要

发酵蔬菜产品历史悠久，因其独特的风味和健康益处而享誉世界。通过发酵能提高蔬菜的营养价值、风味和保质期。微生物的代谢作用在蔬菜发酵产品制备过程中具有重要作用。发酵蔬菜产品的理化性质和独特风味与菌群的演替和生长代谢紧密相关。乳酸菌是绝大部分发酵蔬菜中的优势菌，它们有助于抑制腐败细菌的生长，维持人体肠道菌群的健康。然而，传统发酵蔬菜产品依赖于新鲜蔬菜或卤水中天然存在的细菌进行自然发酵，可能引入腐败菌、有害菌等杂菌，严重影响产品的质量。因此，理解乳酸菌等益生菌在发酵蔬菜产品质量和安全中的关键作用至关重要。筛选益生菌发酵菌群以及从发酵食品中分离益生菌，有助于推动设计安全健康的蔬菜发酵剂，并在大规模发酵蔬菜产品工业生产进行应用。本文综述了传统发酵蔬菜的发酵过程，阐明了发酵机制，并讨论了利用现代微生物组和合成生物学技术调控发酵菌群，设计构建益生菌发酵剂基本方法，以实现高效生产安全健康的蔬菜发酵食品。

主要内容

传统发酵蔬菜

传统发酵蔬菜主要经过挑选、清洗、切制、发酵等过程（图1），得到的产品可分为酸菜和腌菜等。传统蔬菜发酵方式中，发酵菌株主要依赖于蔬菜上自然存在的细菌、真菌、霉菌等微生物或陈年发酵产品发酵液中的菌群；发酵菌株未经筛选和环境中存在杂菌，将导致腐败菌和致病菌的出现，影响发酵产品的品质，并可能对人体健康造成威胁。在现代发酵蔬菜生产工艺中，设计、制备并应用发酵剂可以缩短发酵时间、抑制有害菌生长、降低有害物质含量，提高发酵产品的营养价值与风味品质。

图1 传统发酵蔬菜的制作流程

微生物发酵蔬菜机制

微生物代谢在发酵过程中起着关键作用，其中，乳酸菌是绝大部分发酵蔬菜中的核心关键菌属。乳酸菌可分为同型乳酸发酵菌、异型乳酸发酵菌和兼性异型乳酸发酵菌。乳酸发酵是蔬菜发酵的主要过程，蔬菜发酵初期以异型乳酸发酵为主，发酵中期同型乳酸发酵占主导。此外，还有柠檬酸代谢、苹果酸代谢、乙醇代谢等代谢途径，这些途径通常发生在发酵后期。微生物发酵形成了发酵蔬菜产品的独特风味和益生特性。

图2 微生物发酵蔬菜的代谢机制。同型乳酸发酵途径用蓝色箭头表示，异型乳酸发酵途径用黄色箭头表示，苹果酸代谢途径用红色箭头表示，柠檬酸代谢途径用紫色箭头表示。乙醇代谢途径用绿色箭头表示。

益生菌发酵的益处

每种发酵蔬菜产品均具有独特的发酵菌群。乳酸菌是多种发酵蔬菜中的关键菌属，通过乳酸发酵等代谢活动，对发酵蔬菜的风味品质产生了重要影响。发酵过程中，微生物的代谢活动和群落演替，尤其是乳酸菌等益生菌，对于发酵蔬菜产品具有多种益处：1）促进GABA、维生素C、鸟氨酸等有益产物的生成，提高蔬菜的营养价值；2）促进碳水化合物的转化，提高乳酸、氨基酸和游离脂肪酸等物质的含量，改善产品口感；3）降低pH和产生细菌素，延长发酵蔬菜的保质期；4）促进亚硝酸盐等有害物质的降解，对发酵蔬菜的质量和安全起着关键作用。此外，益生菌能够降低宿主肠道菌群中厚壁菌门与拟杆菌门的比值，增加肠道菌群的多样性，对肠道菌群结构稳定有重要影响，部分发酵蔬菜产品的健康益处见表1。

表1 发酵蔬菜中发酵菌株的代谢产物及其对健康的益处。

设计构建发酵蔬菜产品益生菌发酵剂

基于多组学分析、基因工程等现代生物技术，深入了解发酵菌群演替对发酵蔬菜的影响、特定发酵菌株与代谢产物之间的关系、从发酵蔬菜中分离关键益生菌菌株，从而设计稳定、高效、可控的益生菌发酵剂，对于实现规模化、高质量的生产发酵蔬菜产品具有重要意义（图3）。发酵蔬菜过程中，益生菌含量是产品的益生作用的重要指标，可以通过添加膳食纤维促进益生菌的生长；运用合成生物学方法，可以提高益生菌的数量；通过生物诱导、共培养等策略，可以有效提高益生菌发酵菌株的发酵性能。此外，利用电子舌和电子鼻等技术综合评价发酵蔬菜产品的营养价值，有助于建立更加可控的发酵蔬菜平台、量化发酵蔬菜指标，改善蔬菜发酵过程，提高产品的营养价值。

图3 借助益生菌发酵剂构建稳定可控发酵平台

展望

蔬菜发酵过程复杂，了解其发酵机制仍存在多种挑战。设计构建高效的益生菌蔬菜发酵剂需要筛选蔬菜发酵相关的益生菌，揭示蔬菜发酵菌种间的相互作用机制、核心发酵菌株与发酵蔬菜的理化性质之间关系，测试并不断优化菌群。在未来，利用先进的合成生物学工具设计稳定可控的益生菌发酵剂，缩短发酵周期，促进有益物质的产生，增加益生菌的丰度，减少潜在致病菌数量，可以为消费者提供更健康、更有营养的发酵蔬菜产品。