《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Table Olive Fermentation: Microbial Ecology, Metabolite Transformation, and Emerging Non-Thermal and Omics-Based Technologies
编辑推荐：
：
食用橄榄发酵是一个复杂的微生物过程，乳酸菌（LAB）和酵母共同参与酚类化合物、有机酸及挥发性代谢物的转化，这些转化影响产品的品质、安全性和功能性。由于品种特性、自发微生物演替以及对微生物和生化动态过程控制有限，发酵结果仍存在较大变异性。近年来的研究已转向对
：
食用橄榄发酵是一个复杂的微生物过程，乳酸菌（LAB）和酵母共同参与酚类化合物、有机酸及挥发性代谢物的转化，这些转化影响产品的品质、安全性和功能性。由于品种特性、自发微生物演替以及对微生物和生化动态过程控制有限，发酵结果仍存在较大变异性。近年来的研究已转向对微生物-代谢物相互作用的机制性理解，以及更具可重复性的发酵控制策略。本综述批判性地审视了食用橄榄发酵中的微生物生态、酚类生物转化、挥发性化合物与代谢物形成及其与食用橄榄品质之间的关系。研究根据新兴非热技术（NTTs）——包括超声波（US）、超高静压（HHP）、脉冲电场（PEF）、冷等离子体（CP）和脉冲光（PL）——在微生物调控、传质、酚类转化和工艺稳定性方面的实证及潜在作用对其进行评估，并特别关注食用橄榄特异性证据的强度。本综述进一步考察了用于功能性微生物表征和代谢物谱分析的组学及多组学方法，以及基于传感器的监测、人工智能（AI）和机器学习（ML）作为数据驱动发酵评估的新兴工具。证据表明，不同新兴技术的成熟度差异显著，且大多数基于组学和人工智能的应用在表征与分类方面比在实时发酵控制方面更为成熟。进一步的发展需要整合菌株分辨微生物学、定量代谢物分析、过程监测、预测建模以及独立中试和工业规模条件下的感官验证。此类方法可能支持食用橄榄生物加工从经验性发酵向更具可重复性和循证基础的转变。
主体内容总结：
1 引言
橄榄（Olea europaea L.）属于木犀科常绿乔木，在地中海地区有着悠久的栽培和食用历史。食用橄榄是全球最重要的发酵蔬菜产品之一，通常由含油量较低、果实中至大型、果肉与果核比例大于4且质地理想的品种加工而成。主要品种包括西班牙的Gordal、Manzanilla和Hojiblanca，埃及的Aggezi Shami、Hamed和Toffahi，土耳其的Gemlik、Memecik和Memely，希腊的Konservolia、Chalkidiki和Kalamon，以及阿尔及利亚的Azeraj和Sigoise。然而，品种选择本身并不能完全决定最终产品品质，采后微生物演替和发酵策略同样关键。食用橄榄通过发酵或相关脱苦工艺加工，以降低主要与酚类化合物橄榄苦苷相关的天然苦味。根据品种和加工目标，主要采用西班牙式青橄榄发酵、加州式氧化黑橄榄加工和希腊式天然黑橄榄发酵等工艺路线。这些加工方式在技术步骤、微生物生态、氧供应和酚类转化途径上存在差异，最终形成不同发酵风格的特征性代谢物指纹。橄榄富含多酚、三萜酸、维生素E和单不饱和脂肪酸等生物活性化合物，其中羟基酪醇和橄榄苦苷因其强抗氧化能力而备受关注，其浓度和生物利用度在发酵过程中通过微生物酶活性被动态调节。橄榄中的酚类化合物包括酚酸、酚醇、黄酮类、裂环烯醚萜类和木脂素等类别。羟基肉桂酸包括咖啡酸、对香豆酸、阿魏酸和芥子酸，羟基苯甲酸包括没食子酸、原儿茶酸、香草酸和丁香酸，酪醇和羟基酪醇等酚醇对抗氧化能力亦有显著贡献。
1.1 挥发性化合物与感官化学
酚类化合物和挥发性化合物在决定食用橄榄的感官品质中发挥重要作用。挥发性化合物来源于橄榄内源代谢和发酵过程中的微生物活动，主要通过脂质氧化、氨基酸降解和碳水化合物代谢形成醇类、酯类、醛类和有机酸。然而，许多研究仍停留在描述性挥发性谱分析，而非对微生物-代谢物相互作用的机制性解释。乳酸菌（LAB）通过碳水化合物和柠檬酸代谢影响香气形成，酵母则通过氨基酸和脂质衍生途径促进高级醇、酯类、醛类等挥发性化合物的生成。微生物对橄榄酚类的水解和转化可改变香气前体生成或积累的化学环境。最终挥发性谱反映了品种组成、发酵条件、微生物演替和菌株特异性代谢活动的综合效应，而非单一微生物群的作用。已有研究提供了微生物群落结构与发酵相关代谢物之间关联的证据，但菌株水平的因果关系及其对感官知觉的贡献仍未充分阐明。
1.2 发酵微生物学与微生物动态
食用橄榄发酵涉及复杂的生化和微生物过程，乳酸菌（LAB）和酵母在酚类降解、有机酸产生和风味形成中发挥核心作用。Lactiplantibacillus plantarum和L. pentosus是研究最广泛的具有酸化和橄榄苦苷降解能力的LAB，而酵母可促进酚类水解以及乙醇、高级醇、酯类和其他与香气相关的挥发性化合物的形成。各微生物群的相对贡献受品种、盐水组成、盐浓度、温度、氧供应和微生物演替时序的影响。因此，微生物丰度本身可能不足以解释发酵结果，还需考虑功能性状和菌株水平代谢活动。L. plantarum和L. pentosus具有β-葡萄糖苷酶、酯酶、单宁酶和脱羧酶等酶活性，但LAB、酵母与理化环境之间的功能互作仍未完全阐明。依赖培养的方法可能低估微生物多样性，且对菌株水平代谢特化的信息有限。
1.3 发酵剂培养物
发酵剂培养物是食用橄榄发酵中的关键技术干预手段，可改善酸化动力学、微生物安全性、工艺可重复性和产品一致性，而传统发酵依赖自发菌群，可能引入发酵性能和最终产品品质的变异性。尽管LAB和酵母发酵剂已显示出技术优势，其筛选仍主要基于经验而非机制驱动。菌株水平功能性状如酶表达谱、胁迫耐受机制和代谢物转化效率尚未系统整合到发酵剂设计中。发酵剂选择应被视为多维度的菌株水平优化问题。对77株Lactiplantibacillus菌株的筛选研究表明，从橄榄苦苷释放羟基酪醇的能力和对酚类化合物的耐受性具有菌株依赖性，物种水平鉴定不足以预测发酵剂性能。橄榄苦苷水解不能仅由β-葡萄糖苷酶基因的存在来解释，可能涉及酯酶和单宁酶等额外酶活性，且橄榄苦苷降解随温度和盐浓度变化。因此，应优先在工艺相关条件下进行功能筛选。LAB-酵母组合也应通过实验评估而非假定其内在协同性。近期研究表明，选定发酵剂可改变发酵动力学、挥发性谱、酚类组成和感官特性，单一菌株培养、明确LAB-酵母共培养和顺序接种策略应在受控条件下进行比较。
1.4 连接微生物生态、酚类生物转化与挥发性形成
食用橄榄发酵中的微生物演替不仅影响酸化和微生物稳定性，还影响酚类化合物的转化和挥发性代谢物的形成。LAB参与碳水化合物和柠檬酸代谢，影响有机酸和其他香气相关代谢物的形成，酵母则通过多种代谢途径贡献乙醇、高级醇、酯类和其他挥发性化合物。结合微生物群落分析和代谢物谱的实验研究表明，微生物组成变化与发酵食用橄榄挥发性谱变化相关。酚类代谢是这一相互关联生化网络的组成部分。橄榄苦苷及相关裂环烯醚萜类在加工过程中经历微生物和化学转化，形成羟基酪醇等酚类衍生物，改变果实和盐水的化学组成，可能影响后续微生物代谢的底物和前体可用性。然而，特定酚类中间体直接转化为个别挥发性化合物尚未在食用橄榄发酵条件下得到系统证明。感官反应无法直接从单一代谢物浓度预测，因为知觉源于多种化合物、食品基质、品种特性和加工条件之间的相互作用。将微生物谱分析与定量酚类和代谢物分析、挥发性组学和感官评估相结合，有助于区分统计关联与功能相关的微生物和生化驱动因素。
1.5 本综述的目标与范围
尽管食用橄榄发酵研究广泛，现有文献在微生物学、生物化学和技术领域仍较为分散，限制了对系统层面整合理解的发展。本综述中"精准控制发酵"一词用于区分食用橄榄传统发酵的数据驱动优化与生物技术中既定的精准发酵概念。此处指整合明确发酵剂、过程监测、组学信息表征和过程优化，以提高传统食用橄榄发酵的可重复性和品质。本综述旨在批判性评估食用橄榄发酵的微生物和生化机制，评估新兴非热技术（NTTs）的作用，考察组学方法对发酵研究的贡献，并确定精准控制发酵策略的关键局限和未来研究优先方向。
1.6 方法与文献检索
本研究为食用橄榄发酵文献的批判性叙述性综述，重点涵盖微生物生态、发酵剂培养物、酚类生物转化、挥发性与代谢物形成、非热技术（NTTs）、组学方法和新兴数据驱动发酵监测。文献检索主要使用Google Scholar，结合相关检索词组合。因本研究为批判性叙述性综述而非系统综述或荟萃分析，未执行前瞻性系统综述方案、正式记录级筛选流程或定量荟萃分析，未生成PRISMA流程图。
2 食用橄榄发酵的技术创新
食用橄榄发酵日益通过非热和数据驱动技术进行研究，这些技术可在不依赖传统热处理的情况下改变微生物活性、传质和代谢物形成。这些技术通过不同物理化学机制运作，包括声空化、压力诱导结构变化、电穿孔和活性物种介导的胁迫，但最终可能影响微生物活力和功能性、底物可及性、酚类转化和发酵动力学。非热技术（NTTs）引入受控的非生物胁迫，可选择性地调控微生物活性，同时保留热敏生物活性化合物。这些技术不应主要被视为生物发酵的替代品，其潜在价值在于补充微生物过程，通过改变传质、微生物胁迫响应、底物可用性或发酵后稳定性发挥作用。效应程度和方向强烈依赖处理强度、暴露时间、食品基质特征和微生物生理状态。
2.1 超声波（US）处理
超声波（US）处理依赖声空化，微泡的形成和坍塌产生局部压力和剪切力，由此产生的微流和机械效应可增强传质并瞬时改变细胞膜通透性，影响底物可及性和酶-底物相互作用。在食用橄榄加工中，US主要用于酚类释放、脱苦和传质增强，而非直接控制活跃发酵。声处理可促进橄榄组织中橄榄苦苷衍生物和羟基酪醇的释放，可能增加后续微生物或酶转化的底物可用性。从微生物角度看，US可施加亚致死胁迫，改变膜通透性、转运过程和酶活性。在适当控制强度下，此类胁迫可能改变微生物代谢，但过度暴露会降低细胞活力和发酵活性。这些响应具有菌株和条件依赖性。US可能影响与食用橄榄接受度相关的品质属性，包括苦味、质地和颜色。现有食用橄榄研究主要评估理化和质地响应，跨发酵条件的系统感官验证仍有限。
2.2 超高静压（HHP）
超高静压（HHP）通过等静压压缩运作，通常在约100-600 MPa的宽压力范围内，改变非共价分子相互作用和细胞结构，导致蛋白质构象变化、膜压缩和大分子稳定性改变。在微生物层面，约300 MPa以上的压力通常导致不可逆灭活，而中等压力（5-100 MPa）作为亚致死胁迫因子，触发膜重塑、基因调控和代谢重编程等适应性响应。在食用橄榄发酵中，HHP主要作为发酵后稳定化处理而非控制活跃发酵的手段进行研究。研究表明HHP可减少酵母和需氧中温菌群，同时维持酚类化合物和感官品质，延长货架期并保留功能属性。HHP还可保留羟基酪醇和橄榄苦苷衍生物等热敏酚类。优化HHP处理有助于保留质地、颜色、感官属性和储存稳定性等商业品质相关特性。近期证据表明HHP可纳入食用橄榄加工序列的早期阶段，高压预处理已被研究作为加速后续发酵前脱苦的手段。然而，压力诱导微生物胁迫、酚类转化和代谢物形成之间的机制联系仍未充分表征。工业采用还受高资本投资、批量操作模式、压力容器要求和大型加工体积处理均匀性需求等限制。
2.3 脉冲电场（PEF）
脉冲电场（PEF）处理基于施加短时高压脉冲，当跨膜电位超过临界阈值时诱导生物膜电穿孔，导致可逆或不可逆孔形成，增加通透性并增强传质。电穿孔程度强烈依赖电场强度、脉冲持续时间和微生物生理状态。活跃分裂细胞因膜流动性较高通常更敏感，这引入了发酵性能的变异性并使工艺标准化复杂化。在亚致死强度下，PEF诱导代谢重编程而非完全灭活，影响酶活性、转运系统和胁迫响应途径。在发酵系统中，PEF与LAB驱动过程中有机酸和次级代谢产物产量增加相关。刺激L. plantarum可增强乳酸和乙酸产生，表明碳通量向发酵途径的重新定向。在食用橄榄发酵中，PEF主要应用于橄榄组织以增强酚类可提取性。应用于橄榄酱可增加橄榄苦苷衍生物和羟基酪醇的释放，从而加速脱苦动力学并改善功能化合物可用性。电穿孔诱导的膜变化与微生物驱动的酚类转化之间的相互作用仍未充分表征，PEF对LAB-酵母互作、橄榄苦苷酶水解和真实发酵条件下挥发性香气形成途径的影响尚不明确。
2.4 冷等离子体（CP）与脉冲光（PL）技术
冷等离子体（CP）产生活性氧和氮物种、离子和紫外光子，破坏细胞氧化还原稳态和膜完整性。亚致死暴露可能激活抗氧化响应并改变次级代谢物生物合成，包括色素、酚类和胞外多糖（EPS）。在食用橄榄发酵中，CP基本未被探索，其对酚类代谢的潜在影响主要从其他食品基质推断。工业采用受工艺稳定性、处理均匀性和活性物种及工艺残留物控制限制。脉冲光（PL）使用高强度紫外脉冲诱导DNA损伤，主要作为微生物稳定化而非发酵控制进行研究。亚致死暴露可能影响酚类和黄酮类谱，而较高通量可提供强抗菌效果。其在食用橄榄中的应用目前有限，特别是在活跃发酵条件下，关于酚类稳定性、挥发性形成、感官品质和货架期的证据仍不充分。CP和PL在食用橄榄中的技术成熟度目前显著低于HHP，其精准控制发酵潜力在很大程度上仍是假设性的。未来评估应聚焦剂量-响应关系、微生物功能性、酚类和挥发性转化以及真实食用橄榄发酵条件下的品质结果。
2.5 组学整合与智能发酵监测
食用橄榄发酵复杂性的增加推动了组学方法和数字监测技术的采用。传统依赖培养的方法对微生物功能性的信息有限，常无法捕捉发酵过程中LAB、酵母和橄榄基质间的动态相互作用。高通量测序、宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学在不同分子水平提供微生物演替、功能基因表达和代谢物动态的综合见解。然而，其价值取决于将分子特征与可测量的生化和品质结果联系起来，而非仅增加组学覆盖度。组学技术能够识别直接参与酚类转化、有机酸产生、挥发性化合物形成和胁迫适应的微生物分类群和代谢功能。宏条形码研究已鉴定乳杆菌科、明串珠菌科和酵母相关分类群为橄榄发酵群落的重要组分，并将微生物组成与羟基酪醇和橄榄苦苷衍生物等代谢物变化联系起来。不同组学平台的分析分辨率差异显著。扩增子测序适用于监测群落演替，鸟枪宏基因组学提供分类组成和功能基因潜力的更广泛信息。然而，功能基因的检测并不证明相应途径处于活跃状态。宏转录组学和宏蛋白质组学可提供转录和蛋白质水平活性的补充证据，但受RNA不稳定性、参考基因组不完整、菌株水平分辨率、样品复杂性和计算要求等限制。代谢组学提供发酵的互补化学维度。靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）适用于酚类化合物、裂环烯醚萜衍生物、有机酸和其他相对极性代谢物，气相色谱-质谱联用（GC-MS）更适用于与香气形成相关的挥发性和半挥发性化合物。非靶向方法适用于生物标志物发现，靶向分析则用于定量验证。组学解释中的一个重要考虑是分子谱分析与绝对定量之间的区别。宏基因组和宏分类学方法通常提供微生物组成和功能潜力的相对信息，宏转录组学反映转录活性而非生物量。因此，组学衍生的变化应使用高效液相色谱（HPLC）、GC-MS、定量聚合酶链反应（qPCR）和活菌计数等靶向定量方法验证。实际工作流程可结合纵向采样、细菌和真菌测序、功能注释、靶向和非靶向代谢组学、挥发性组学、理化测量和感官评估。多变量统计、网络分析和机器学习方法可用于识别微生物分类群、功能基因、代谢物和品质属性之间的候选关联。然而，相关性不应等同于因果关系。多组学分析识别的候选关系应在纳入发酵剂选择或过程控制模型前，通过菌株水平实验、明确微生物聚生体、靶向生化测量和受控发酵试验验证。智能发酵系统在其他食品和发酵系统中的进展为探索其在食用橄榄加工中的应用提供了技术基础。基于物联网（IoT）的传感器网络、生物传感器、云计算平台和机器学习算法可实现对温度、pH、盐度、溶解氧和代谢物积累等关键过程参数的连续监测。电子鼻和电子舌技术提供挥发性和非挥发性化合物的补充信息，允许快速评估发酵进程和产品质量。
