本土乳酸菌在植物基发酵食品中的功能特性研究：基因组学与代谢特性解析

本研究针对植物基发酵食品开发中高效本土发酵剂匮乏的问题，系统筛选了172株源自谷物豆类的乳酸菌(LAB)。通过全基因组测序和功能表征，发现Lpb. paraplantarum JP51等菌株具备快速产酸、多糖合成、蛋白酶和植酸酶活性等优异特性，为开发针对不同植物基质的专用发酵剂提供了重要菌种资源和理论依据。

　　

随着全球对可持续蛋白质需求的增长，谷物和豆类作为低环境影响的营养来源备受关注。这些植物原料含有丰富的蛋白质，但当它们组合食用时，其氨基酸谱能与动物蛋白来源相媲美。然而，植物原料中存在抗营养素如植酸和FODMAPs(可发酵寡糖、二糖、单糖和多元醇)，这些成分会影响矿物质的吸收并导致胃肠道不适。食品发酵被认为是提高植物原料消化率和营养价值的有效手段，它不仅能改善最终产品的风味、香气和质地，还能通过基质酸化和抗菌物质(如细菌素和CO₂)的生产来提高稳定性和安全性。

乳酸菌(LAB)因其"合格推定安全(QPS)" status而成为食品发酵的常用微生物。研究表明，最适合原料发酵的LAB应该来源于原料本身的自生菌群(autochthonous)，因为这些微生物已经适应了发酵基质。此外，当作为发酵剂使用时，自生微生物群通常更加强健，最终能够胜过外来发酵剂。LAB发酵剂生长和竞争有害微生物、利用可用底物并产生有机酸和其他代谢物的能力对于确保发酵过程的进展至关重要。

挪威大学生命科学大学的研究团队在《Food Microbiology》上发表的研究，系统评估了从挪威各种谷物和豆类面粉中分离的本土乳酸菌的功能特性。研究人员首先通过rep-PCR指纹分析从172株分离菌中筛选出37株具有不同遗传背景的菌株进行全基因组测序，最终选择了24株代表不同物种和来源的菌株进行详细的功能特性表征。

研究采用的主要技术方法包括：rep-PCR指纹分析进行初步遗传分型；Illumina NovaSeq平台进行全基因组测序和ANI分析；表型筛选实验(胞外多糖产生能力、蛋白酶和植酸酶活性)；API 50 CH系统测试碳水化合物发酵谱；高效液相色谱(HPLC)分析有机酸和碳水化合物代谢；以及在面粉提取物(SFE)和热处理面粉浆(HTFS)中进行发酵性能评估。

3.1. 分离株选择

通过rep-PCR指纹分析，172株分离菌显示出37种不同的rep-PCR图谱。基因组测序显示这些菌株属于8个不同物种的16个菌株或亚种单位。基于来源和基因组相似性的差异，最终选择了24株分离菌进行进一步研究。

3.2. 功能特性筛选

3.2.1. 黏液和丝状表型观察

研究发现两株Lpb. paraplantarum(JP11和JP51)能够从所有三种碳水化合物源(蔗糖、葡萄糖和麦芽糖)产生丝状菌落。三株菌能够从两种碳水化合物源产生黏液或丝状表型：P. pentosaceus CM54和Lcb. rhamnosus CM90从葡萄糖和麦芽糖产生丝状表型，而Leu. mesenteroides subsp. dextranicum CM65从蔗糖产生黏液EPS并从麦芽糖产生丝状菌落。

3.2.2. 酶活性

在24株分离菌中，16株显示蛋白酶活性，13株显示植酸酶活性，其中12株同时显示两种活性。所有属于Lactiplantibacillus物种组的分离菌都显示蛋白酶活性，除Lpb. plantarum subsp. plantarum CM40和Lpb. plantarum CM92外，所有都显示植酸酶活性。

3.2.3. 碳水化合物发酵能力

所有分离菌都能利用D-核糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-果糖和D-麦芽糖。Furfurilactobacillus rossiae分离菌发酵10-11种不同底物，在所有情况下都不包括蔗糖。Lactiplantibacillus、Leuconostoc和Lacticaseibacillus的分离菌利用20-28种底物。

3.3. 生长和酸化动力学

在SFE中，所有分离菌除JP12和VL04外，在24小时内细胞计数增加≥1.2±0.06 log CFU/mL。在HTFS中，酸化通常比相应的SFE培养基弱，24小时后pH范围从4.03±0.00到6.00±0.08。

3.4. 选定HTFS发酵中的碳水化合物和有机酸组成

HPLC分析显示，麦芽糖/蔗糖在小麦基面粉中最为丰富(3.21±0.08至11.89±0.35 mmol/kg)，在豆类和燕麦浆中低得多(≤1.59±0.03 mmol/kg)。葡萄糖(2.18±0.09-5.98±0.07 mmol/kg)和果糖(3.43±0.06-12.29±0.13 mmol/kg)在发酵前所有面粉中都存在。

研究发现同型发酵LAB在所有原材料组中均显示出一致的乳酸产量较高。异型发酵分离菌在每个原材料组中比同型发酵菌株产生更广泛的乙酸水平，这与其分类一致。研究中证实了两株菌的柠檬酸代谢：Leu. mesenteroides subsp. dextranicum CM65和Lpb. plantarum CM92。

研究结论表明，Lpb. paraplantarum JP51在评估的特性中表现出强劲性能，并在单粒小麦HTFS中展示了高效发酵能力，而Leu. mesenteroides subsp. dextranicum CM65则表现出有吸引力的功能特性，并在豌豆HTFS发酵中产生了高水平的有机酸。这些结果为将这些分离菌组合作为豆类和谷物发酵的发酵剂提供了有希望的见解，从而促进了富含蛋白质的植物基发酵产品的开发。

讨论部分强调，发酵剂的设计应反映自然发展的LAB联盟的动态。然而，必须仔细评估分离菌组合，以确认有益的相互作用并量化每个菌株在发酵过程和最终产品质量中的作用。异型发酵LAB可以产生更高水平的乙醇、乙酸和CO₂以及乳酸，因此同型发酵菌株通常与异型发酵菌株组合使用。同型发酵和异型发酵LAB的混合培养物据报道可以产生改善的感官特性，因为两者都为更广泛的芳香化合物提供了前体。

这项研究的重要意义在于为开发针对不同植物基质的专用发酵剂提供了重要的菌种资源和理论依据，推动了植物基发酵食品的开发进程，为可持续蛋白质来源的利用提供了技术支持。