《Foods》：Brewer’s Spent Grain as a Substrate for Lactic Acid Fermentation: Contrasting Performance of Lacticaseibacillus rhamnosus and Limosilactobacillus fermentum
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麦糟（Brewer's spent grain, BSG）作为啤酒工业的主要副产物，近年来通过乳酸菌发酵实现其增值利用的研究日益受到关注。然而，已有研究多集中于植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum），而其他菌种的研究主要采用酶
麦糟（Brewer's spent grain, BSG）作为啤酒工业的主要副产物，近年来通过乳酸菌发酵实现其增值利用的研究日益受到关注。然而，已有研究多集中于植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum），而其他菌种的研究主要采用酶解液而非完整固态麦糟作为底物。本研究比较了鼠李糖乳杆菌（Lacticaseibacillus rhamnosus）ATCC 7469与发酵黏液乳杆菌（Limosilactobacillus fermentum）ATCC 9338在麦糟上进行为期10天的固态发酵性能。每两天评估一次体外抗氧化、抗糖尿病、抗肥胖及抗菌活性，并将结果整合为综合生物活性评分。鼠李糖乳杆菌成功定殖于底物，第2天达到9.62 log10 CFU g?1，并将pH降至3.6。抗氧化能力在第2天达到峰值，而抗糖尿病和抗肥胖活性在第10天达到峰值。在模拟面包基质中也证实了杀菌活性，综合生物活性评分确定第2天为最高评分终点。相比之下，发酵黏液乳杆菌未能建立成功发酵，自第4天起观察到多种微生物混合污染。为探究底物灭菌能否改善发酵黏液乳杆菌的发酵性能，研究人员评估了高压灭菌和两步热处理两种方式。尽管高压灭菌有效灭菌了底物，但可检测蛋白质数量减少了近25%，而两步热处理虽保留了蛋白质谱，却未能支持发酵黏液乳杆菌的成功发酵。总体而言，这些发现表明鼠李糖乳杆菌是麦糟增值利用的有前景候选菌株，并强调了菌株选择的重要性，因为不同乳酸菌的发酵性能可能存在显著差异。
一、研究背景与目的
啤酒是全球消费量最大的饮品之一，其生产过程产生大量麦糟（Brewer's spent grain, BSG），这是啤酒工业最主要的副产物，全球年产量估计达3900万吨。麦糟易腐烂，目前主要用作动物饲料或以低价值副产物形式处置，既造成经济浪费也带来环境压力。麦糟富含膳食纤维、贮藏蛋白（如大麦醇溶蛋白和谷蛋白）以及低浓度的生物活性多酚，但这些生物活性化合物大多被包裹在谷物木质纤维素基质中，溶解性和生物利用度有限。因此，需要采取靶向加工策略来破坏这一基质，释放结合态化合物，从而充分发挥麦糟的功能潜力。
目前主要有两种策略用于破坏基质并释放结合态化合物：酶解和发酵。酶解可显著提高生物活性，例如蛋白酶处理可使麦糟抗氧化能力提高三倍以上，但该方法存在酶成本高、酶底物特异性导致肽多样性有限等局限。乳酸菌发酵提供了一种替代途径，微生物在发酵过程中自身产生酶，无需商业酶制剂，其蛋白水解和代谢活性可产生更广泛的生物活性化合物，具有增强的抗氧化、抗糖尿病和抗菌特性。然而，已有麦糟发酵研究主要集中于植物乳杆菌，其他乳酸菌种在完整固态麦糟上的发酵能力尚未得到充分表征。本研究旨在比较鼠李糖乳杆菌和发酵黏液乳杆菌在麦糟上的固态发酵性能，评估其产生的生物活性，并探究底物热处理对发酵性能的影响。
二、研究设计与技术方法
研究人员从美国典型培养物保藏中心（ATCC）获得鼠李糖乳杆菌ATCC 7469和发酵黏液乳杆菌ATCC 9338两种菌株。麦糟样品来自新西兰奥克兰理工大学食品实验室教学用啤酒酿造过程，谷物配比包含皮尔森麦芽（75%）、白小麦麦芽（7.5%）、慕尼黑麦芽（8.5%）和糊精麦芽（8.5%）。发酵在35°C有氧条件下进行10天，每两天采样一次。主要技术方法包括：采用FRAP和DPPH法测定抗氧化活性；采用α-葡萄糖苷酶抑制法测定抗糖尿病活性；采用脂肪酶抑制法测定抗肥胖活性；采用微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）评估抗菌活性；采用基于滤器辅助样品制备（FASP）的蛋白质组学结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析热处理对麦糟蛋白组成的影响；并构建综合生物活性评分整合各项测定结果。
三、主要研究结果
3.1 发酵模式：pH变化与微生物生长
鼠李糖乳杆菌表现出快速且持续的酸化，第2天pH降至3.6，第4至第10天维持在3.5左右；细胞数从初始7.2 log10 CFU g?1增至第2天的最大值9.62 log10 CFU g?1，随后逐渐下降。相比之下，发酵黏液乳杆菌酸化较弱，第2天pH降至4.3后维持在4.1左右；虽然第4天表观细胞数达到9.0 log10 CFU g?1，但自第4天起观察到形态多样的菌落，表明存在多种微生物混合污染。未接种对照也发生了明显酸化，第10天pH降至3.99，且最终pH低于发酵黏液乳杆菌接种组。这些结果表明鼠李糖乳杆菌能有效适应麦糟发酵，而发酵黏液乳杆菌未能建立明显区别于天然微生物群的发酵模式。
3.2 鼠李糖乳杆菌发酵麦糟的生物活性筛选
抗氧化活性（FRAP和DPPH）均在第2天达到峰值（分别为1.24和1.12 mg TEAC/g BSG），随后逐渐下降至第10天的最低值。抗糖尿病活性（α-葡萄糖苷酶抑制）从第2天起持续高于未接种对照，第10天达到最高值3.22 mg AE/g BSG。抗肥胖活性（脂肪酶抑制）在第2天出现显著增加，随后持续上升，第10天达到最高值6.9 mg OE/g BSG。抗菌活性方面，第2天起对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MBC稳定为166.7 mg BSG/mL，对蜡状芽孢杆菌的MBC降至83.3 mg BSG/mL；所有MBC/MIC比值均为1，表明为杀菌而非抑菌作用。
3.3 鼠李糖乳杆菌发酵麦糟的综合生物活性评分
综合生物活性评分从第0天的0.04急剧上升至第2天的0.92，随后维持在0.74至0.80之间。敏感性分析表明，当排除抗氧化域时，最高评分时间点从第2天移至第10天，说明第2天作为最高评分终点依赖于抗氧化活性的纳入。从生物加工角度看，第2天是综合生物活性最大化的首选发酵时间，但第4至第10天的评分范围较窄，表明发酵可维持稳定的多功能生物活性谱。
3.4 食品基质中的抗菌活性
选取综合生物活性评分最高的第2天提取物，在面包模拟基质和脱脂乳模拟基质中测试抗菌活性。在面包基质中，333.3、166.7和83.3 mg BSG/mL浓度下对三种指示菌均表现出杀菌活性；在乳基质中，仅在最高浓度333.3 mg BSG/mL下观察到杀菌作用。面包基质中更强的抗菌活性可能归因于酶解处理降低了基质对活性代谢物的非特异性结合，而乳基质中酪蛋白胶束和乳清蛋白可能通过疏水相互作用和氢键结合减少游离活性化合物的浓度。
3.5 发酵黏液乳杆菌发酵麦糟的生物活性筛选
发酵黏液乳杆菌发酵提取物的抗氧化活性波动较大，FRAP值在第8天出现升高且重复间变异性高。抗糖尿病活性全程变异性大，无法得出明确结论。抗肥胖活性在第4天才出现，达到约1.5 mg OE/g BSG，第6至第10天稳定在2.2至2.55 mg OE/g BSG，由于该增加发生在污染开始之后，可能反映污染微生物的活性。抗菌活性总体较弱且不稳定，对金黄色葡萄球菌自第4天起在333.3 mg BSG/mL浓度下检测到杀菌活性，对大肠杆菌的MBC在166.7至222.2 mg BSG/mL之间波动。与未接种对照相比，发酵黏液乳杆菌接种在抗氧化、抗糖尿病和抗肥胖活性方面提供的额外改善有限。
3.6 麦糟热处理对发酵黏液乳杆菌发酵的影响
高压灭菌和两步热处理均未能使发酵黏液乳杆菌成功发酵。高压灭菌麦糟接种发酵黏液乳杆菌（AF）第4天细胞数达到8.45 log10 CFU g?1，但第10天降至检测限以下；两步热处理麦糟接种发酵黏液乳杆菌（TF）细胞数未超过初始水平。高压灭菌麦糟接种鼠李糖乳杆菌（AR）作为阳性对照，第4天达到8.26 log10 CFU g?1，表明高压灭菌未损害麦糟支持乳酸菌初始增殖的能力。未接种的两步热处理麦糟对照（CT）第4天出现严重污染，但pH保持稳定。
生物活性方面，热处理对抗氧化和抗糖尿病活性影响有限，但显著增强了抗肥胖活性。AF和TF第10天的抗肥胖活性分别达到2.63和7.25 mg OE/g BSG，其中TF的活性略高于鼠李糖乳杆菌发酵麦糟的最大值。蛋白质组学分析显示，两步热处理对麦糟蛋白质组影响极小，仅损失8个蛋白质（0.4%）；而高压灭菌导致479个蛋白质（24.7%）不可检测，涉及能量和ATP代谢（51个，10.6%）、氨基酸代谢（19个，4.0%）、蛋白水解酶（17个，3.5%）、蛋白质合成和核糖体组分（15个，3.1%）等重要功能类别。蛋白质组成的差异可能解释了AF和TF抗肥胖活性的差异，因为麦糟蛋白是脂肪酶抑制肽的前体。
四、讨论与结论
本研究结果表明，鼠李糖乳杆菌能成功发酵生麦糟，并提高抗氧化、抗糖尿病、抗肥胖和抗菌活性。不同生物活性在发酵不同阶段达到峰值：抗氧化活性在第2天达到峰值，而抗糖尿病和抗肥胖活性在第10天达到最高水平。综合生物活性评分确定第2天为最高评分终点，面包基质中的杀菌活性凸显了鼠李糖乳杆菌发酵麦糟作为谷物食品天然防腐成分的应用潜力。相比之下，发酵黏液乳杆菌即使在热处理后仍未能建立成功发酵。高压灭菌虽改善了短期增殖，但第10天细胞不再可检测；两步热处理既未增加总活菌数，也未提供有效的微生物控制。蛋白质组学分析表明，高压灭菌显著改变了麦糟可检测蛋白质谱，这可能与观察到的较低脂肪酶抑制活性有关。
这些发现证明，麦糟的成功增值利用不仅取决于微生物选择，还取决于菌株与底物的相容性以及加工条件。本研究展示了将生物活性谱分析、食品模型验证和蛋白质组学分析相结合来评估发酵结果的价值，并证明特征明确的失败发酵也能为工艺优化提供有价值的见解。未来研究应聚焦于利用蛋白质组学和代谢组学方法鉴定产生观察活性的生物活性化合物，并探索酶预处理、营养补充或共培养等替代策略以改善发酵性能。
