食用褐藻Alaria esculenta经植物乳杆菌发酵对营养组成及潜在毒性元素含量的影响

《Future Foods》：Fermentation of the Edible Brown Seaweed Alaria esculenta by Lactiplantibacillus plantarum affects nutritional profile and the content of potentially toxic elements

　　

食用海藻因其营养特性与生态可持续性，有望成为食品应用的重要海洋资源。褐藻Alaria esculenta富含必需矿物质、维生素与膳食纤维，是具潜力的食物来源。发酵被提出作为一种稳定海藻生物质并改良其组成的加工策略。本研究采用浸没式发酵（SmF）与固态发酵（SSF），以植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵A. esculenta，并与自发发酵及水浸泡对照组比较。SmF与SSF均支持L. plantarum生长，72小时内产乳酸并使pH降至4.3以下，而自发发酵酸化有限。发酵显著改变宏量营养组成：甘露醇与总碳水化合物明显减少，水解后岩藻糖与葡萄糖衍生糖释放增加；发酵样品蛋白含量上升（主要源于菌体生物量贡献）；SmF体系中酚类抗氧化物增加，类胡萝卜素等亲脂物减少。浸泡与发酵均使总矿物质下降，表明显著浸出效应，SmF还降低了砷与碘水平，但部分处理中镉与铅升高。总体而言，L. plantarum发酵A. esculenta可修饰营养组成并影响特定安全相关元素，结果凸显乳酸发酵作为海藻加工策略在营养质量与元素去除之间的权衡机遇与局限。

研究背景与立项依据

食用海藻（大型藻类）因生长快、不需耕地淡水、富含营养素与生物活性分子，被视为健康且生态可持续的海洋食品资源，但在西方膳食中开发不足，障碍包括陌生感、可获得性差及缺乏高效稳定技术。收获后高水分导致易腐，传统稳定化依赖干燥、冷冻、烫漂，近期发酵保藏因兼具延长货架期与改善营养而受关注。乳酸发酵由乳酸菌（LAB）产乳酸降低pH抑制腐败与病原，部分菌株具益生菌属性。褐藻Alaria esculenta含糖醇甘露醇、膳食纤维（岩藻聚糖、海带淀粉、藻酸盐）及蛋白、矿物质、酚类，适合作为L. plantarum底物。然而系统比较SmF与SSF对海藻基质营养与安全相关元素（潜在毒性元素，PTEs：As、Cd、Hg、Pb、I）的影响研究有限，且PTE超标风险（ANSES/CEVA限值）亟待加工干预，故研究人员开展本研究以辨析微生物活动与工艺条件对A. esculenta营养谱与安全的独立贡献。

论文发表于《Future Foods》，研究由研究人员设计对照实验，以挪威Seaweed Solutions A/S提供的新鲜冷冻A. esculenta（晚春采收）为唯一海藻底物，设未处理、水浸泡、SmF接种L. plantarum（SmF-LA）、SmF自发（SmF-SP）、SSF接种（SSF-LA）、SSF自发（SSF-SP）组，在37℃半厌氧批次发酵72 h，辅以MRS单底物（甘露醇/葡萄糖）验证菌株碳源利用。结论上，L. plantarum可在SmF与SSF中利用甘露醇产乳酸，72 h内pH<4.3满足冷藏保藏酸度；发酵重塑碳水格局（甘露醇耗减、岩藻糖/葡萄糖释放升、总碳水降），蛋白含量因菌体重构而升，SmF酚类抗氧化（如间苯三酚phloroglucinol）富集而类胡萝卜素降；矿物质因浸出近减半，SmF额外降As与I，但Cd、Pb在部分处理升高，提示安全权衡。该研究为海藻乳酸发酵工艺选型提供组分级证据。

主要关键技术方法概述

研究人员采用挪威晚春采收新鲜冷冻A. esculenta为样本队列，经绞碎后分设水浸泡对照与SmF/SSF两类发酵体系，SmF为60% w/v藻浆加40% v/v水接种L. plantarum，SSF不加游离水，并行自发发酵对照；单碳源MRS验证菌株利用甘露醇/葡萄糖能力。分析端依托HPAEC-PAD定量中性单糖/甘露醇/糖醛酸，HPLC-DAD-FLD与UHPSFC-DAD分离酚类/类胡萝卜素/生育酚，HR-ICP-MS测矿物质与PTEs（碘用微波硝酸消解专项前处理），Dumas氮蛋白法（转换因子5）估蛋白，OD₆₀₀与pH计监测生长酸化，统计用ANOVA/Tukey/PCA。方法学忽略试剂配方与培养细节，但保留样本来源与工艺分组逻辑。

研究结果

3.1 L. plantarum以甘露醇或葡萄糖为碳源的生长：研究人员在MRS中分别以30 g/L甘露醇、葡萄糖及无水对照培养，证实菌株可利用两碳源产乳酸，葡萄糖终OD₆₀₀ 14.5高于甘露醇9.2，pH降幅相近；甘露醇因氧化还原电位较低（-0.32 V vs葡萄糖-0.17 V）需额外氧化步骤致胞内NADH累积，后期借AdhE消耗乙酸再平衡，解释生物量偏低。

3.2 A. esculenta经L. plantarum发酵后的品质与食品安全

3.2.1 碳水化合物含量与有机酸产生：未处理总碳水16.6 g/100 g DW，SmF-LA降至10.51，SSF-LA 14.26；甘露醇从5.40降至SmF-LA 0.72 g/100 g DW最剧，岩藻糖、葡萄糖、木糖在发酵后酸水解测得释放量升，藻酸盐组分古罗糖醛酸/甘露糖醛酸略降。SmF-LA 72 h pH 4.04、SSF-LA 4.25，自发组无显著酸化；HPLC确认接种组主产乳酸，乙酸/甲酸<0.1 g/L。

3.2.2 蛋白质含量：未处理11.6% DW，SmF-LA升至15.9% DW最高，SSF-LA 14.6%，自发组14.9%；增量主要归因接种菌与土著菌生物量叠加，非海藻真蛋白合成。

3.2.3 抗氧化化合物：仅SmF组（LA/SP）做超临界萃取+HPLC/UHPSFC，间苯三酚在SmF-LA极显著富集，阿魏酸/丁香酸/表儿茶素亦升，岩藻黄质等类胡萝卜素显著降，α-生育酚不变；水溶性酚类向液相浸出，亲脂类仅存固相。SSF因低湿提取回收受限未量化。

3.2.4 矿物质含量：灰分从未处理37.57% DW降至水浸15.96%、SmF-LA 15.84%、SSF-LA 19.64%；K、Na、Mg显著浸出降，Ca相对浓缩，P不变；Fe、Zn、Cu、Mn、Se等微量在固相因干物质重算或基质结合变化呈现浓度重排。

3.2.5 潜在毒性元素（PTEs）：未处理I 808、As 50.7、Cd 1.37、Pb 0.156 mg/kg DW，Hg<0.020；SmF-LA使I降至480、As 35.5最优，SSF-LA I 594、As 40.1；水浸泡反致I浓缩至1380、Cd 2.20、Pb 0.280；发酵未显著降低Cd/Pb，部分升幅超ANSES Cd限值0.5 mg/kg，Hg全程低于定量限。

讨论部分总结

研究人员指出SmF因游离水促传质、菌体分布均一，碳水利用与酸化优于SSF；甘露醇代谢受氧化还原瓶颈限制生物量但不碍产酸保藏目标。发酵重塑多糖水解-微生物选择性消耗平衡：结构多糖（岩藻聚糖、海带淀粉）部分解聚释单糖，易利用甘露醇优先耗竭。蛋白“升高”属生物量稀释效应非氮转化。抗氧化物消长反映菌膜亲和（类胡萝卜素被耗）、聚合物解聚增溶（间苯三酚单体释出）、酚酸酯酶转化三重机制。矿物质近半损失归咎浸泡浸出，SmF对As/I去除优于单纯水浸，因低pH改变元素-藻体结合（如藻酸盐质子化）；Cd/Pb升高与水浸浓缩现象一致，提示发酵非普适解毒，需耦合脱毒前处理。作者承认未做货架期/感官直接验证，但引述近期感官研究佐证发酵减海洋异味。

结论部分翻译

本研究证明L. plantarum在SmF与SSF条件下均可有效发酵A. esculenta，利用甘露醇产乳酸并使pH降低。发酵显著改变海藻组成轮廓：总碳水与甘露醇减少，蛋白含量上升，抗氧化组成变化；SmF更利碳水利用并降低砷与碘；SmF-LA较未处理显著富集间苯三酚、丁香酸、表儿茶素等酚类，而类胡萝卜素在自发与接种SmF中均降。局限为SSF基质抗氧化变化因方法学难提取缺数据，但借SmF上清解析了水对酚类浸出影响。结果凸显权衡：部分PTE降而Cd/Pb升，矿物与部分生物活性因浸出/微生物活动损失；pH降幅推断的保藏潜力未经货架期直接验证。工作提供A. esculenta发酵策略比较评估，证工艺条件强烈影响营养与安全结局，指明需集成优化以平衡组分改良与有益物保留及有害元素管控。