筛选、鉴定及评估能够降解支链氨基酸的乳酸菌

《Journal of Future Foods》：Screening, identification, and evaluation of lactic acid bacteria for branched-chain amino acids degradation

本研究从中国传统发酵食品中筛选出高效降解支链氨基酸（BCAA）的乳酸菌Limosilactobacillus fermentum HNGD-DF3，证实其在小麦粉、大豆粉和脱脂奶粉中分别使总BCAA降解率达45.80%、25.24%和28.12%。动物实验表明该菌株可显著降低大鼠血浆及肠道中BCAA水平，并通过调节肠道菌群丰度（增加BCAA降解菌如Lactobacillus、Parabacteroides，减少合成菌如Ruminococcus），揭示其通过双重机制（直接降解与菌群调控）实现系统BCAA代谢干预。基因组分析显示该菌株含完整BCAA代谢通路基因（BCAT-KADH途径），并具有强酸/胆盐耐受性及自凝聚特性，支持其作为功能性益生菌的应用潜力。

　　
支链氨基酸（BCAA）是人体必需的氨基酸，广泛存在于肉类、乳制品、豆类等富含蛋白质的食物中。然而，大量研究表明，血液中BCAA水平升高与肥胖、2型糖尿病等代谢疾病风险显著相关。针对这一健康隐患，科研团队通过筛选天然发酵食品中的乳酸菌，成功分离出高效降解BCAA的菌株Limosilactobacillus fermentum HNGD-DF3，并进一步验证了其在食品发酵和体内代谢调节中的双重功能。这一发现不仅为开发低BCAA食品提供了新思路，还揭示了通过益生菌干预调控肠道菌群、改善代谢健康的潜在途径。

研究首先从中国不同省份收集的468种传统发酵食品中系统筛选BCAA降解菌株。通过构建含BCAA作为唯一氮源的选择性培养基，结合荧光强度检测技术，发现仅有14%的菌株（共14株）能实现BCAA降解率超过40%。其中，分离自贵州豆腐的HNGD-DF3以47.34%的降解率位居榜首。进一步验证发现，该菌株在模拟食品环境的MRS培养基中仍保持48.31%的高效降解能力，显著优于参考菌株Lactiplantibacillus plantarum ATCC8014。

在益生菌特性评估方面，HNGD-DF3展现出多重优势。耐酸碱实验显示，该菌株在pH 2的强酸性环境和0.3%胆盐的肠道模拟条件下，存活率分别达到51.2%和58.7%，远超其他菌株。表面疏水性测试表明其细胞表面疏水性强达95.97%，这种特性有助于菌株黏附于肠道上皮细胞，而自聚集能力达40.91%的结果进一步验证了其肠道定植潜力。扫描电镜观察显示该菌株呈短棒状，表面光滑无鞭毛，符合乳酸菌的典型形态特征。

基因组分析揭示了该菌株高效降解BCAA的分子机制。全基因组测序显示其携带两个BCAA转氨酶基因（GE001372和GE001945），形成功能冗余的代谢体系。代谢通路分析表明，该菌株主要依赖KADH（α-酮酸脱氢酶复合体）途径进行BCAA氧化，而非其他菌株常见的KdcA（酮酸脱羧酶）途径。这种代谢偏好性使其在氧化BCAA的过程中能高效生成能量前体，同时避免产生具有潜在毒性副产物——丙二醛等代谢中间体。

在食品应用方面，HNGD-DF3对三种常见基质（小麦粉、大豆粉、脱脂奶粉）的降解效果显著。其中，大豆粉基质中总BCAA降解率达25.24%，小麦粉为45.80%，奶粉为28.12%。值得注意的是，降解过程伴随着pH值的显著下降（平均降低2.3个单位），这既加速了蛋白质分解过程，又通过产酸抑制了腐败菌的生长，为开发功能性发酵食品提供了理论依据。

体内实验部分通过SD大鼠模型证实了该菌株的多重健康效益。连续14天的口服干预显示，HNGD-DF3组大鼠血浆中亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸浓度分别降低41.2%、38.7%和42.9%，而对照组仅下降5%-8%。肠道样本检测发现，该菌株显著抑制了产BCAA合成菌（如Ruminococcus、Prevotella等）的丰度，同时促进Lactobacillus、Parabacteroides等降解菌的生长。这种菌群结构的改变直接导致肠道内容物中BCAA水平下降37%-52%，且这种效应在回肠、盲肠和结肠各部位均得到验证。

研究还创新性地建立了体外模拟发酵模型，通过取材HNGD-DF3干预后的大鼠肠道内容物进行无氧发酵实验，发现其发酵液中的BCAA浓度较对照组降低58%-72%。这种"菌株-菌群"协同效应可能源于两方面机制：一方面，HNGD-DF3直接分泌的蛋白酶能分解蛋白质中的BCAA结合位点；另一方面，通过调控肠道菌群代谢网络，促进短链脂肪酸（SCFAs）等有益代谢物的生成，间接抑制了BCAA的吸收。

该研究的突破性在于首次实现"食品发酵-肠道定植-代谢调控"的全链条功能验证。传统益生菌研究多聚焦于单一功能（如产酸、定植），而HNGD-DF3同时具备高效蛋白分解能力（降解率>45%）、强环境耐受性（pH 2存活4小时）和菌群调控潜力（降低合成菌丰度达60%以上）。这种多维度功能特性使其在开发新型功能食品（如低BCAA大豆制品、益生菌强化奶粉）和肠道补充剂方面具有独特优势。

从分子机制层面，基因组分析揭示了HNGD-DF3的三重优势：1）完整的BCAA代谢通路（含转氨酶、脱氢酶、脱羧酶等关键酶）；2）高度保守的糖代谢模块（包含56个CAZy相关基因）；3）多重应激响应基因（包括耐酸、耐胆盐、抗氧化等应激蛋白）。特别是其携带的F0F1-ATP酶基因（GE001472-GE001474）发生点突变，导致质子泵活性增强30%-40%，这可能是其耐强酸环境的关键机制。

在产业化应用方面，研究团队已建立HNGD-DF3的工业化发酵体系。通过优化接种量（3%-5%）、发酵温度（40℃±1℃）和pH控制（4.5-5.5），使菌株在小麦粉中的降解率稳定在48%以上，且不影响食品的质地和风味。特别值得关注的是，该菌株在奶粉基质中仍能保持28%的降解效率，这对开发低BCAA乳制品具有直接指导意义。

未来研究方向建议从三个维度展开：首先，解析BCAA转氨酶GE001372的底物特异性及酶活性调控机制；其次，研究菌群互作网络中HNGD-DF3如何通过代谢产物（如丁酸、乙酸）调控其他菌群；最后，开展临床前药效学评价，通过高脂饮食 induced-obesity大鼠模型，验证长期摄入低BCAA食品对代谢综合征的干预效果。这些研究将有助于建立完整的"菌株特性-菌群调控-代谢健康"作用链条，为开发新型功能性食品提供科学支撑。

该研究在多个层面实现了创新突破：在菌株筛选上，首次从豆腐等传统发酵食品中分离出高效BCAA降解菌；在功能验证上，构建了"体外发酵-体内代谢-菌群调控"三位一体的实验体系；在分子机制上，揭示了菌株代谢偏好性（KADH途径）与环境适应性（F0F1-ATP酶优化）的协同机制。这些成果不仅填补了 LAB菌株在系统性BCAA代谢调控方面的研究空白，更为开发针对代谢性疾病的微生物干预剂提供了新范式。随着研究深入，HNGD-DF3或将成为连接食品科学和代谢医学的重要桥梁，推动功能性食品在慢性病预防中的应用。