《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Ultrasound-assisted fermentation of soymilk by Streptococcus salivarius ATCC9222: Process optimization and enhancement of probiotic and bioactive properties
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作者：金二清（Erqing Jin）、傅彩年（Chai Nien Foo）、叶小坤（Siok Koon Yeo）
马来西亚森美兰州苏邦贾亚（Subang Jaya）47500号，泰勒大学湖畔校区（Lakeside Campus）健康与医学科学学院（Faculty of Healt
作者：金二清（Erqing Jin）、傅彩年（Chai Nien Foo）、叶小坤（Siok Koon Yeo）
马来西亚森美兰州苏邦贾亚（Subang Jaya）47500号，泰勒大学湖畔校区（Lakeside Campus）健康与医学科学学院（Faculty of Health and Medical Sciences）生物科学系（School of Biosciences）
摘要
超声波是一种新兴的非热处理技术，能够改善基于植物的系统中的发酵性能和功能性代谢产物的释放。本研究利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）探讨了超声波与Streptococcus salivarius ATCC9222共同发酵对豆奶中益生菌生物量和抗糖尿病活性的影响。建立的RSM模型在统计上具有显著性。最佳条件为：振幅45%，超声处理时间181秒，并伴有两次暂停。在这些条件下，益生菌生物量增加到3.27 ± 0.06 × 10^8 CFU/mL（p < 0.05），而α-淀粉酶抑制活性提高到23.97 ± 1.38%（p < 0.05）。实验验证显示预测值与观测值非常接近，证实了模型的有效性。尽管α-葡萄糖苷酶的抑制作用无法通过RSM有效优化，但超声波辅助发酵显著增强了其抑制活性（51.77 ± 3.59%），相比非超声波发酵有显著提升。超声波处理还增强了抗氧化潜力，DPPH和ABTS自由基清除活性分别达到66.21 ± 1.48%（p < 0.01）和86.17 ± 1.04%（p < 0.01），总黄酮含量增加到0.79 ± 0.08 mg CAE/dL（p < 0.001）。SDS-PAGE分析进一步证实，在超声波辅助发酵过程中蛋白质水解加剧，产生了低分子量肽，这些变化与观察到的生物活性变化相关。这些发现表明，超声波辅助的益生菌发酵是一种有前景的加工策略，可改善基于植物的功能性食品中的益生菌生长以及抗氧化和酶抑制活性。
引言
糖尿病仍然是全球主要的健康挑战，影响着超过5.37亿成年人，预计到2030年这一数字将上升至6.43亿以上（Duncan等人，2025年；Sun等人，2022年）。慢性高血糖与氧化应激和餐后血糖调节紊乱密切相关（Liu等人，2022年），这两者都会导致糖尿病并发症的发生（Alam等人，2021年）。富含抗糖尿病生物活性化合物的功能性食品，特别是α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制剂，正逐渐被探索作为管理血糖反应的天然膳食策略（Jiang等人，2024年；Jin等人，2025a）。同时，天然抗氧化剂因其缓解氧化应激的潜力而受到关注，氧化应激是糖尿病相关并发症的关键因素（Zhang等人，2025年）。
豆奶是一种有吸引力的基于植物的原料，含有高质量的蛋白质、异黄酮、肽和多酚（Rahmi & Arcot，2023年；Valero-Cases等人，2020年）。这些成分支持益生菌的生长，并具有降血糖和抗氧化作用（Rahmi & Arcot，2023年）。发酵过程通过将大分子转化为具有增强生物活性的生物活性肽和异黄酮苷元进一步增强了这些功能（Abdelshafy等人，2024年；Maftei等人，2024年）。在这方面，Streptococcus salivarius ATCC9222作为一种促进健康的益生菌菌株，已被证明具有免疫调节、抗菌和代谢益处（Kunath等人，2022年；Li等人，2024年）。然而，在传统发酵条件下，由于大豆基质中的结构屏障和微生物细胞自身的代谢活性限制，蛋白质水解和生物活性化合物的释放程度可能受到限制。
超声波技术作为一种非热处理、节能的方法，已被用于强化发酵过程（Jin等人，2025b；Kaveh等人，2023年）。通过声空化作用，超声波产生剧烈破裂的微气泡，产生局部剪切力、湍流和微流（Bhargava等人，2021年；Giordano等人，2022年；Yeo等人，2013年）。这些效应可以破坏蛋白质结构，提高底物的可及性，并促进酶促水解，从而促进肽的释放和多酚的释放（Asaithambi等人，2021年；Gholamhosseinpour等人，2020年）。在微生物层面，超声波可以暂时改变细胞膜的通透性（Yoo等人，2025年），增加营养物质的扩散（Gholamhosseinpour等人，2025年），刺激代谢途径（Manyatsi等人，2024年），并加速微生物生长（Wang等人，2021年）。尽管超声波辅助发酵在乳制品系统和常见的益生菌属（如Lactobacillus和Bifidobacterium）中已被广泛研究（Gholamhosseinpour等人，2025年；Manyatsi等人，2024年），但关于其对S. salivarius的影响，尤其是在豆奶系统中的影响，目前了解有限（Zhu等人，2024年）。
尽管具有潜力，但仍存在一些关键知识空白。系统优化超声波参数以增强益生菌生物量和生物活性的研究尚未充分展开，也未探索S. salivarius ATCC9222在超声波辅助发酵过程中对抗糖尿病和抗氧化特性的协同提升作用。此外，这些效应的机制基础，特别是空化引起的蛋白质修饰、微生物细胞结构变化、营养物质运输和肽切割，仍不完全清楚。为了解决这些空白，本研究利用响应面法（RSM）优化了S. salivarius ATCC9222在豆奶中的发酵条件，评估了超声波对抗糖尿病活性（α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制）、抗氧化特性（DPPH、ABTS和TFC）以及益生菌生物量的影响，并通过SDS-PAGE分析和空化诱导修饰的结构解释阐明了其机制效应。这种综合方法为超声波在增强微生物发酵和基于植物原料的健康促进化合物生成中的作用提供了新的见解，为生产针对代谢健康的功能性食品提供了可扩展的策略。
章节摘录
使用Streptococcus salivarius ATCC9222制备和发酵豆奶
Streptococcus salivarius ATCC9222从泰勒大学（马来西亚森美兰州）的菌种保藏中心获得。菌种在?20°C下保存于无菌40%（v/v）甘油中。根据How等人的方法，通过连续转移至无菌豆奶培养基中活化菌种（How等人，2020年）。活化后的菌种用无菌生理盐水洗涤，并调整至OD??? = 1.0后进行接种。首先，向豆奶中接种10%的S. salivarius ATCC9222。
RSM模型拟合和统计验证
应用响应面法（RSM）评估超声波振幅（A）、超声处理时间（B）和超声波脉冲次数（C）对Streptococcus salivarius ATCC9222发酵豆奶过程中益生菌生物量（Y?）、α-葡萄糖苷酶抑制（Y?）和α-淀粉酶抑制（Y?）的影响。从Box–Behnken设计中获得的实验数据被拟合到二阶多项式回归模型中。表2总结了测量结果，包括体外数据
讨论
在超声波辅助接种的豆奶发酵中观察到的酶抑制和抗氧化活性的增强可以通过超声波引起的物理修饰与微生物介导的生化转化的共同作用来解释。高强度超声波产生空化现象，其中微气泡的快速形成和破裂会产生局部剪切力、湍流以及短暂的高温和压力梯度。这些物理效应
结论
本研究表明，超声波辅助发酵有效增强了用S. salivarius ATCC9222发酵的豆奶的功能特性。RSM成功确定了最佳超声波条件，显著提高了益生菌生物量和α-淀粉酶抑制活性，实验验证证实了预测模型的可靠性。尽管α-葡萄糖苷酶的抑制作用未能被RSM模型充分拟合，但超声波辅助发酵仍然显示出显著效果
作者贡献声明
金二清（Erqing Jin）：撰写——初稿、可视化、软件使用、项目管理、方法论设计、研究实施、概念构思。傅彩年（Chai Nien Foo）：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。叶小坤（Siok Koon Yeo）：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。
资助
本研究得到了泰勒大学的资助，通过Matching Grant（National）- (PARTNERSHIP/UTAR/2024/SBS/001)项目支持。
