植物源生物活性化合物的微生物生物转化：机制、活性增强及其在功能食品开发中的应用

《Foods》：Microbial Biotransformation of Plant Bioactive Compounds: Mechanisms, Enhanced Bioactivities, and Applications in Functional Food Development

　　

植物源生物活性化合物，包括多酚（polyphenols）、黄酮类（flavonoids）、生物碱（alkaloids）、萜类（terpenoids）和皂苷（saponins），具有多种促进健康的特性，但常受限于较差的生物可及性（bioaccessibility）、结构复杂性和低稳定性。微生物生物转化（microbial biotransformation）提供了一种绿色且与食品兼容的策略，通过酶促反应和代谢过程对这些化合物进行修饰，生成具有改善的可及性和潜在功能特性的衍生物。本综述总结了由乳酸菌（lactic acid bacteria）、芽孢杆菌属（Bacillus）、酵母菌（yeasts）和丝状真菌（filamentous fungi）介导的微生物转化的最新进展，重点关注关键转化途径，包括去糖基化（deglycosylation）、水解（hydrolysis）、氧化还原（oxidation-reduction）、甲基化（methylation）和糖基化（glycosylation），及其酶学机制。讨论了转化产物在发酵食品、功能性配料和营养保健品（nutraceuticals）中的应用，以及其潜在的抗氧化（antioxidant）、抗炎（anti-inflammatory）、代谢调节（metabolic regulatory）和与生物利用度相关的效应。强调了当前的挑战，包括机制理解不完整、工艺标准化、安全性评估、放大生产和监管问题。未来整合多组学（multi-omics）、合成生物学（synthetic biology）、酶工程（enzyme engineering）和智能发酵技术将提高微生物转化系统的效率和工业潜力，用于开发安全且基于证据的功能性食品配料。

2. 植物源生物活性化合物作为微生物生物转化底物：结构多样性与功能潜力

植物产生种类繁多的化学多样性次生代谢产物，这些产物是通过复杂的代谢途径合成的，并参与植物防御机制、环境适应和生态相互作用。表1总结了作为微生物生物转化底物的植物源生物活性化合物的分类和功能潜力。

2.1. 多酚作为微生物转化的主要底物

多酚的特征是含有多个羟基的芳香环，广泛分布于水果、蔬菜、谷物、茶、咖啡、草药和蜂源植物材料中。根据化学结构，多酚可分为酚酸（phenolic acids）、黄酮类（flavonoids）、芪类（stilbenes）、木脂素（lignans）和单宁（tannins）。多酚的生物功能主要与其供电子能力、金属螯合能力以及对氧化应激相关信号通路的调控有关。在发酵过程中，微生物会产生多种功能酶，包括酯酶（esterases）、单宁酶（tannases）、脱羧酶（decarboxylases）和氧化还原酶（oxidoreductases），它们参与酚类物质的降解和结构修饰。

2.2. 黄酮类和异黄酮类：微生物酶的结构重塑

黄酮类是植物多酚中最大的亚类，包括黄酮醇（flavonols）、黄酮（flavones）、黄烷酮（flavanones）、黄烷-3-醇（flavan-3-ols）、花青素（anthocyanins）和异黄酮类（isoflavonoids）。其保守的C₆-C₃-C₆骨架提供了多个修饰位点，使其非常适合作为微生物酶法转化的底物。微生物去糖基化因此被视为关键的转化途径。除了水解，微生物还能催化多样的结构修饰，包括羟基化（hydroxylation）、甲基化（methylation）、糖基化（glycosylation）、氢化（hydrogenation）和C环裂解（C-ring cleavage）。

2.3. 酚酸及其微生物转化途径

酚酸，包括羟基苯甲酸（hydroxybenzoic acids）和羟基肉桂酸（hydroxycinnamic acids），广泛分布于植物性食品中。代表性化合物包括没食子酸（gallic acid）、咖啡酸（caffeic acid）、阿魏酸（ferulic acid）和对香豆酸（p-coumaric acid）。微生物转化可通过脱羧、还原、羟基化和氧化反应修饰酚酸的官能团。发酵食品，如酸面团、茶饮料、豆制品和植物基饮料，含有丰富的微生物来源的酚类代谢物。

2.4. 生物碱作为微生物生物转化的特异性底物

生物碱是含氮的特化代谢物，广泛分布于药用植物、食用植物、饮料和香料中。与多酚相比，生物碱具有更复杂的含氮杂环结构，这赋予了其多样的生物活性，但也为其在功能食品系统中的应用带来了挑战。微生物可以催化生物碱的各种结构修饰，包括羟基化、去甲基化（demethylation）、氧化、还原和糖基化反应。

2.5. 萜类和皂苷作为新兴转化底物

萜类和皂苷代表了重要的植物源功能化合物类别，在功能食品开发方面具有巨大潜力。微生物转化为通过选择性酶促修饰（包括糖基化、去糖基化、羟基化和氧化）改善萜类和皂苷的功能特性提供了有效方法。来自人参（Panax ginseng）的人参皂苷（ginsenosides）是微生物皂苷转化研究中最为深入的例子之一。

2.6. 其他植物源生物活性化合物作为转化靶标

除了上述主要的植物生物活性化合物类别外，各种其他特化代谢物，包括硫代葡萄糖苷（glucosinolates）、木脂素、色素和多糖（polysaccharides），也代表了有价值的转化底物。它们的结构多样性为微生物酶生成具有改善理化性质和功能特性的新型衍生物提供了额外机会。

3. 植物源生物活性化合物的微生物策略与转化机制

3.1. 乳酸菌介导的植物源生物活性化合物转化

乳酸菌（LAB）因其在食品应用、安全性、益生潜力和代谢适应性方面的优势而被广泛应用于植物基发酵。除了产酸和防腐，LAB能在相对温和的条件下通过酶促反应选择性地转化植物植物化学物质。LAB介导的转化主要涉及β-葡萄糖苷酶（β-glucosidases）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidases）、酯酶和酚酸脱羧酶（phenolic acid decarboxylases）。大豆异黄酮转化是一个典型例子。

3.2. 芽孢杆菌介导的转化策略

芽孢杆菌属物种因其强大的胞外酶分泌能力和分解复杂植物基质的能力而成为重要的植物生物活性化合物转化微生物平台。其主要优势在于能够转化与膳食纤维和细胞壁成分结合的酚类化合物。此外，芽孢杆菌发酵可同时增强植物化学物质的可及性并产生功能性蛋白衍生配料。

3.3. 酵母介导的植物源生物活性化合物转化

酵母因其代谢灵活性、环境适应性和多样的酶系统而成为重要的微生物转化平台。β-葡萄糖苷酶介导的去糖基化是研究最深入的酵母转化途径之一。工程化的酵母系统进一步提高了转化效率。

3.4. 丝状真菌介导的植物源生物活性化合物转化

丝状真菌因其广泛的胞外酶分泌、底物适应性和多样的氧化代谢而成为高效的转化平台。与细菌和酵母相比，丝状真菌拥有复杂的酶系统，包括糖苷酶、水解酶和细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxygenases），能够实现去糖基化、羟基化和氧化还原等多样化修饰。

3.5. 植物源生物活性化合物微生物转化的分子机制

这些机制主要包括去糖基化、酯水解、氧化还原、甲基化和糖基化。这些酶介导的反应可以改变植物源生物活性化合物的结构，进而影响其理化性质、生物利用度和生物活性。去糖基化是研究最深入的途径之一。酯化和水解反应调节酯结合态植物代谢物的释放和修饰。微生物氧化还原反应通过修饰羟基、芳香环和侧链结构产生结构多样性。微生物甲基化和糖基化是增加结构多样性和优化功能特性的重要酶促策略。

4. 微生物转化植物化合物的活性增强

微生物转化可以显著影响植物源化合物的生物学性能。功能增强主要体现在抗氧化活性、炎症反应调节、代谢调节、神经保护作用以及与肠道微生物群的互作等方面。微生物转化通过生成具有改善的功能基团可及性和生物可利用性的结构修饰代谢物，可增强植物源化合物的抗氧化能力。微生物转化通过生成具有改变的分子特性和潜在肠道可用性的代谢物，可改善植物化合物的生物可及性。微生物转化生成的代谢物可能调节炎症相关通路。微生物转化增强了植物化学物质的代谢调节潜力。微生物转化建立的动态关系影响肠道微生物组成和代谢活性。微生物转化可以生成具有改善的可及性和改变生物活性的结构修饰代谢物。

5. 微生物转化植物化合物在功能食品开发中的应用

微生物转化提供了一种有效的方法来改善植物化合物的技术和功能特性。植物基发酵饮料、发酵谷物和豆类、发酵植物提取物和营养保健品配料、蜂源功能食品以及益生菌和潜在合生元功能食品是重要的应用领域。尽管微生物转化已在各种实验室规模的功能食品应用中成功展示，但工业化实施仍受到工艺可变性、标准化不足和维持一致代谢物生产困难的限制。安全性评估和放大生产也是关键的考量因素。

6. 多组学、合成生物学及植物源生物活性化合物微生物转化的未来展望

多组学技术，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和微生物组学，为系统表征微生物转化过程提供了强大方法。合成生物学通过酶工程、代谢途径改造和基因组编辑为提高转化效率提供了新策略。人工智能和机器学习技术的应用日益增多。基于基因组的评估能够识别不良遗传特征。未来的研究应侧重于建立更可预测和可控的转化系统。