微生物生物加工向日葵蛋白提取物：瑞士乳杆菌和枯草芽孢杆菌发酵产物的营养、技术功能和生物活性结果

《Fermentation》：Microbial Bioprocessing of Sunflower Protein Extracts: Nutritional, Techno-Functional and Bioactive Outcomes of Lactobacillus helveticus and Bacillus subtilis Fermentation Products

　　

发酵在将脱油葵花籽粕（DSM）蛋白用于人类消费方面具有显著潜力。本研究将DSM提取物与瑞士乳杆菌B-4526和枯草芽孢杆菌B-3387发酵48小时，并评估了其营养、生物活性和技术功能性质。DSM提取物支持两种菌株的生长，枯草芽孢杆菌的细胞数增加>1.5 log CFU/mL，瑞士乳杆菌增加约1 log CFU/mL。在发酵过程中，枯草芽孢杆菌降解了23–46 kDa范围内的蛋白质条带，而瑞士乳杆菌由于酸化促进了蛋白质聚集，这可能降低了蛋白质溶解度。两种发酵均提高了抗氧化活性（DPPH、ABTS和CUPRAC法）和ACE抑制活性，其中枯草芽孢杆菌的效果最强。FTIR分析表明发酵诱导了蛋白质二级结构的改变。枯草芽孢杆菌发酵后总氨基酸含量下降，而瑞士乳杆菌发酵后保持相似。提取/发酵流程降低了粕中的植酸含量。枯草芽孢杆菌发酵提高了pH 4.0下的溶解度，但降低了起泡和乳化性能。两种发酵均降低了持油能力和持水能力。总体而言，本研究强调了将发酵微生物与期望结果相匹配的必要性，因为一种性质的增强往往伴随着其他性质的权衡。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
全球食品系统贡献约30%的人为温室气体排放，其中动物蛋白生产占60%，且畜牧业占用77%农业用地却仅提供18%的全球热量和37%的蛋白质。随着人口预计2050年达100亿，蛋白质需求翻倍，当前生产模式不可持续，亟需向高资源效率和循环生物经济转型。油籽粕（如脱油葵花籽粕，DSM）是油脂提取的副产物，富含蛋白质（30–50%），氨基酸谱相对均衡（赖氨酸为限制性氨基酸），但主要限于动物饲料。其应用受限的原因包括：高含量酚类化合物（尤其是绿原酸）在碱性提取条件下与蛋白质结合，导致绿色蛋白分离物难以被食品接受；植酸通过螯合矿物质和与蛋白质相互作用，降低消化率并影响技术功能性质。微生物发酵作为改性植物蛋白的可行策略，乳酸菌（LAB）和芽孢杆菌属因强蛋白水解活性和增强生物活性潜力受到关注。然而，瑞士乳杆菌和枯草芽孢杆菌单独发酵对DSM蛋白提取物的营养、生物活性、分子结构及技术功能性质的影响仍缺乏系统认知。因此，研究人员开展本研究，旨在评估这两种菌发酵对DSM蛋白提取物的氨基酸组成、总酚含量、生物活性、植酸含量、结构特征（通过FTIR光谱）及技术功能性质的影响。该论文发表在《Fermentation》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：从Trakya Birlik（土耳其埃迪尔内）获取的脱油葵花籽粕（DSM）经碱性提取（pH 9.0，35°C，45 min）制备蛋白提取物，分别接种活化的枯草芽孢杆菌B-3387（28°C，130 rpm）和瑞士乳杆菌B-4526（37°C，100 rpm）进行液体发酵48小时，每组三份生物学重复。通过平板计数和pH计监测微生物生长与pH变化；采用Lowry法测定总可溶性蛋白浓度；利用SDS-PAGE分析蛋白分子量分布；通过高效液相色谱（HPLC）测定总氨基酸组成；使用FTIR光谱（4000–550 cm^-1）评估结构变化；采用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量，DPPH、ABTS和CUPRAC法评估抗氧化活性，并基于HHL与ACE酶反应测定ACE抑制活性；通过比色法测定植酸含量；技术功能性质包括溶解度（pH 4、7、9）、起泡能力与稳定性、乳化活性指数（EAI）与乳化稳定性指数（ESI）以及持油持水能力。所有实验重复三次，数据以均值±标准差表示，单因素方差分析（ANOVA）后采用Tukey HSD检验（p < 0.05）。

**研究结果**
**3.1 微生物生长与pH变化**：通过平板计数和pH监测，研究人员发现DSM提取物支持两种菌株生长，枯草芽孢杆菌在24小时内细胞数增加>1.5 log CFU/mL，瑞士乳杆菌增加约1 log CFU/mL，随后进入稳定期。枯草芽孢杆菌发酵pH先降至6.7后升至7.5，源于先利用糖类产酸后脱氨释放氨；瑞士乳杆菌则持续酸化至pH 4.4–4.7。
**3.2 总可溶性蛋白浓度变化**：采用Lowry法测定，发现瑞士乳杆菌接种后因酸化导致可溶性蛋白从12.7 g/L骤降至6.9 g/L，48小时后仅4.5 g/L；枯草芽孢杆菌发酵后降至9.7 g/L。pH调整至8.0后，瑞士乳杆菌组可溶性蛋白恢复至~8.0 g/L，表明酸化引起的可逆聚集。
**3.3 SDS-PAGE蛋白谱**：通过SDS-PAGE分析，枯草芽孢杆菌发酵24小时后23–46 kDa条带完全消失，表明快速广泛蛋白水解。瑞士乳杆菌发酵后条带消失，但pH调整至8.0后条带恢复，证实为酸诱导聚集而非酶解，与枯草芽孢杆菌的强蛋白水解形成对比。
**3.4 总酚含量与生物活性**：采用Folin-Ciocalteu法测定总酚含量，两种发酵均显著增加总酚含量，归因于微生物酶（如肉桂酰酯酶）释放结合酚。DPPH、ABTS、CUPRAC和ACE抑制活性均增强，枯草芽孢杆菌效果最强，这可能与其广泛的胞外酶谱和更高水解程度相关，但ACE抑制活性两种菌类似，提示肽段特性而非仅水解程度起作用。
**3.5 总氨基酸**：采用HPLC分析，枯草芽孢杆菌发酵后总氨基酸从70.8降至45.2 g/100 g蛋白，必需氨基酸从17.4降至10.13 g/100 g蛋白，赖氨酸从1.2降至0.5 g/100 g蛋白；瑞士乳杆菌发酵后总氨基酸为69.0 g/100 g蛋白，必需氨基酸18.1 g/100 g蛋白，赖氨酸升至2.0 g/100 g蛋白，表明枯草芽孢杆菌利用氨基酸作为氮源，而瑞士乳杆菌更好地保留氨基酸谱。
**3.6 植酸含量**：通过比色法测定，DSM面粉中植酸为3522.8 μg/g，碱性提取后可溶性部分仅剩105.4 μg/g（瑞士乳杆菌对照），发酵后低于检测限（枯草芽孢杆菌对照组也低于检测限）。表明植酸在提取和离心过程中随不溶性组分去除，微生物降解可能仅起次要作用，最终产品无植酸相关营养缺陷。
**3.7 FTIR结构变化**：通过FTIR分析，发酵后酰胺I和II带（1700–1500 cm^-1）峰位移和强度变化表明蛋白质二级结构重排；1200–900 cm^-1碳水化合物信号改变。1047/1022 cm^-1比值（有序度）从1.15升至1.29（枯草芽孢杆菌）和1.27（瑞士乳杆菌），而995/1022 cm^-1比值（双螺旋结构）从1.43降至0.93和1.20，表明发酵促进了淀粉分子有序化。
**3.8 技术功能性质**
**3.8.1 起泡性质**：通过测量泡沫高度，所有样品在pH 4.0下起泡能力约160%，但枯草芽孢杆菌发酵在pH 7.0和9.0下起泡能力显著降低（105%和125%），且泡沫稳定性差（15分钟内完全塌陷）；瑞士乳杆菌发酵在pH 9.0下稳定性也下降。表明广泛水解降低蛋白维持泡沫结构的能力。
**3.8.2 蛋白质溶解度**：通过Lowry法测定，枯草芽孢杆菌发酵在pH 4.0下溶解度从17%提升至约60%（三倍以上），pH 7.0和9.0保持59–64%；瑞士乳杆菌发酵在pH 4.0和7.0下溶解度较低（22%和50%），归因于酸诱导聚集和较低水解程度。
**3.8.3 持油持水能力**：持油能力从3.41 g/g降至0.73 g/g（两种发酵），因蛋白疏水区域被水解改变。持水能力因样品完全溶解无法测定，类似高溶解度蛋白。
**3.8.4 乳化性质**：通过浊度法测定EAI和ESI，瑞士乳杆菌发酵EAI最高（213 m²/g）但ESI最低；枯草芽孢杆菌发酵ESI显著提高但EAI未增加，表明过度水解不利于乳化活性。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，微生物发酵是DSM蛋白提取物增值的有效策略，微生物选择决定最终功能。枯草芽孢杆菌通过广泛蛋白水解显著增强抗氧化和ACE抑制活性并改善溶解度，但降低总氨基酸含量和起泡/乳化性能；瑞士乳杆菌保留氨基酸完整性，但功能性质受酸聚集限制。因此，需根据目标应用选择微生物：枯草芽孢杆菌适用于生物活性驱动型产品，瑞士乳杆菌适用于营养完整性优先的配方。论文结论翻译如下：总之，微生物发酵是脱油葵花籽粕（DSM）蛋白提取物增值的高效策略，微生物的选择决定了最终原料的功能性。据研究人员所知，这是首次直接比较枯草芽孢杆菌和瑞士乳杆菌发酵DSM蛋白提取物的研究，揭示了每种菌独特的代谢策略如何塑造其功能性和营养结果。枯草芽孢杆菌发酵诱导广泛蛋白水解，显著提高抗氧化和ACE抑制活性并改善溶解度，尽管降低了总氨基酸含量。相反，瑞士乳杆菌发酵保留了氨基酸完整性和营养质量，但其功能性质因酸诱导蛋白质聚集而受到一定限制。因此，微生物选择必须根据预期的食品应用进行调整：枯草芽孢杆菌适用于生物活性驱动的配方，而瑞士乳杆菌更适用于优先考虑营养完整性的应用。