整合动力学建模与多变量分析揭示氯化镁在萝卜泡菜风味形成中的菌株特异性效应及其对低钠发酵的指导意义

本研究针对高盐发酵蔬菜带来的健康与环境问题，创新性地采用MgCl2部分替代NaCl的策略。通过整合微生物生长动力学模型与多层感知机(MLP)机器学习方法，系统揭示了Levilactobacillus brevis PL6-1和Leuconostoc citreum PX3-1两种乳酸菌对镁离子胁迫的差异化响应机制，发现10% MgCl2替代组在保持风味接受度的同时有效降低钠含量，为低钠发酵蔬菜产业的精准调控提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

泡菜（Paocai）作为中国传统发酵蔬菜制品，以其独特风味享誉全球。然而传统制作过程中高达15-20%的食盐添加量，不仅增加了高血压、心脑血管疾病的风险，还导致高盐废水污染问题。虽然减少钠盐摄入已成为公共卫生的重要目标，但直接降低NaCl含量会引发腐败微生物滋生、产品质构劣化和风味异常等系列问题。部分替代策略中，MgCl₂因镁离子的生理功能性和对乳酸菌生长的潜在促进作用受到关注，但其在蔬菜发酵体系中特别是对不同菌株风味代谢的调控机制尚不明确。

发表于《Journal of Agriculture and Food Research》的这项研究，采用整合动力学建模与多变量分析的创新方法，系统阐释了MgCl₂替代在萝卜泡菜发酵中的菌株特异性效应。研究人员选择Levilactobacillus brevis PL6-1（RL组）和Leuconostoc citreum PX3-1（RX组）两种常见发酵剂，在1.5%总盐浓度下设置0%、10%、30%三个MgCl₂替代水平，通过47天的发酵与保藏周期，综合运用微生物生长动力学Logistic模型、气相色谱-质谱联用(GC-MS)、感官定量描述分析(QDA)和机器学习多层感知机(MLP)模型等技术手段，解析了镁离子干预下风味形成的生物学基础。

关键技术方法包括：1）采用Python构建微生物生长动力学Logistic模型拟合乳酸菌生长曲线；2）运用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱(HS-SPME-GC-MS)分析挥发性风味化合物；3）通过多变量统计（主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)）和odor活性值(OAV)计算筛选关键芳香化合物；4）建立多层感知机(MLP)机器学习模型结合SHAP分析识别关键差异化合物；5）采用9点标度感官评价验证产品接受度。

3.1. 发酵动力学

通过Logistic生长模型量化发现：L. brevis PL6-1在不同MgCl₂替代水平下保持生长稳定性（μ=1.108-1.204 d^-1），而Leu. citreum PX3-1呈现双相响应，10%替代促进生长（μ=2.828 d^-1），30%则显著抑制（μ=1.773 d^-1）。RX组总酸度（TTA）在保藏后期下降明显，与Leu. citreum的有机酸降解特性相符。质构分析表明RX组软化更显著，可能与菌株果胶酶活性相关。

3.2. 非挥发性风味化合物分析

Leu. citreum表现出更强的甘露醇合成能力（5.60-6.12 mg/g），且MgCl₂替代显著促进其糖代谢。RL组在30%替代水平下鲜味氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸）含量最高，而苦味氨基酸同步增加赋予风味复杂性。有机酸谱显示RX组草酸降解能力突出，且10% MgCl₂替代使两组乳酸产量均达到峰值（RL-Mg10: 4.25 mg/g; RX-Mg10: 3.83 mg/g），表明镁离子可能通过增强糖酵解酶活性促进代谢通量。

3.3. 挥发性风味化合物解析

共鉴定70种VFCs，硫化化合物为主导类别。RL组发酵后硫化物总量降低（451.45-691.90 μg/kg），而RX组显著增加（2009.28-2738.83 μg/kg），体现L. brevis PL6-1的硫化物降解能力。OPLS-DA模型清晰区分不同处理组，表明MgCl₂替代对风味组成影响显著。

3.4. 关键芳香化合物鉴定

通过OAV>1、VIP>1和p<0.05三重筛选，确定20种关键芳香化合物。RL组特征标志物为3-(甲硫基)丙基异硫氰酸酯（萝卜辛辣味），而RX组以癸醛（脂肪香、橘皮香）为核心差异物。SHAP分析进一步验证这两种化合物对风味分型的最大贡献度，揭示两菌株在硫代谢和醛类代谢通路的根本性分化。

3.5. 机器学习模型构建

MLP模型对RX组分类准确率达89.67%，而对RL组中Mg00与Mg10的误判（88.57%）印证了MgCl₂对L. brevis影响的温和性。模型通过特征重要性排序与实验数据相互印证，实现了从"相关"到"因果"的推断跨越。

3.6. 感官特性

感官评价证实RL组在硬度、鲜味强度和整体接受度上优势显著，而RX组酸味突出。10% MgCl₂替代在RL组中成功实现减钠而不引显著风味劣变，但30%替代产生明显苦味。

研究结论强调，发酵剂选择是低钠发酵中规避异味风险、实现理想风味结果的首要因素。L. brevis PL6-1表现出对镁离子干预的代谢鲁棒性，其发酵体系在10%替代水平下兼具减钠与风味保持的双重优势；而Leu. citreum PX3-1对离子环境敏感，易产生不良硫化合物。该研究建立的动力学-机器学习整合模型不仅为发酵过程调控提供了量化工具，更重要的是揭示了金属离子与微生物代谢互作的菌株特异性规律，为低钠发酵蔬菜的精准设计提供了理论基础和实践指南。未来研究需在更广泛的工业条件下验证该策略的适用性，并深入探索镁离子作为酶辅因子调控特定代谢通路（如硫苷酶-异硫氰酸酯通路）的分子机制。