《Food Chemistry》：Biosynthesis of prebiotic inulins by a probiotic
Lactiplantibacillus plantarum HK9 under simplified in vitro gut-like conditions
编辑推荐：
•鉴定出一种新型产生菊粉蔗糖酶的植物乳植乳杆菌 HK9。•该菊粉蔗糖酶表现出酸活性和钙增强活性。•全细胞生物转化使得在简化的体外类肠道条件下能够高效生产菊粉。•产生的菊粉表现出与菊苣来源菊粉相当的益生元活性。引言益生元是指不可消化的膳食化合物，通过选择性刺激胃肠道中的有益微生
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鉴定出一种新型产生菊粉蔗糖酶的植物乳植乳杆菌 HK9。
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该菊粉蔗糖酶表现出酸活性和钙增强活性。
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全细胞生物转化使得在简化的体外类肠道条件下能够高效生产菊粉。
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产生的菊粉表现出与菊苣来源菊粉相当的益生元活性。
引言
益生元是指不可消化的膳食化合物，通过选择性刺激胃肠道中的有益微生物来提供健康益处（Gibson & Roberfroid, 1995）。其中，菊粉型果聚糖是研究最广泛且商业应用最广的益生元之一。菊粉是由主要以线性 β-(2?→?1)-糖苷键组成的果糖聚合物，自然存在于菊苣、菊芋和龙舌兰等植物中（Mensink et al., 2015）。其摄入与改善肠道功能、增强矿物质吸收、调节脂质和血糖代谢以及肠道菌群产生短链脂肪酸有关（Morrison & Preston, 2016; Roberfroid, 2007; Slavin, 2013）。菊粉补充还与减少氧化应激、炎症以及与慢性疾病相关的风险因素有关（Shoaib et al., 2016; Slavin, 2013）。
尽管具有功能和商业价值，但工业菊粉生产几乎完全依赖于从植物中提取。菊苣根是主要来源，因为其菊粉含量高且易于种植（Mensink et al., 2015）。然而，植物基提取受到季节和地理因素的制约，提取和纯化成本高，且聚合物长度和分支度存在异质性（Akanda & Mehjabin, 2026; Mensink et al., 2015; Shoaib et al., 2016）。这些局限性凸显了对替代的可持续生产策略的需求。
微生物生物合成提供了一种有前景的果聚糖生产方法。该过程由果糖基转移酶（FTases）介导，这是一种催化将蔗糖中的果糖基残基转移以形成具有特定键合的果聚糖聚合物的酶（van Hijum et al., 2006）。在这些酶中，莱凡蔗糖酶（EC 2.4.1.10）生成β-(2?→?6)-键合的莱凡，而菊粉蔗糖酶（EC 2.4.1.9）生成β-(2?→?1)-键合的菊粉（Xu et al., 2019）。菊粉的聚合度、分支度和溶解性强烈影响其益生元特性（Ni et al., 2024）。微生物生物合成实现了可控生产、酶工程和可持续条件下的大规模发酵（Srikanth et al., 2015）。
大多数微生物果聚糖合成的研究采用了无细胞体系，其中纯化的 FTases 在体外原位用于生成随后掺入食品产品中的果聚糖（Combie & Toksoy ?ner, 2023; Hernández-Figueroa et al., 2025）。虽然适合制造，但这种方法将益生菌活性与益生元供应分离开来。另一种策略是在生长期间利用活益生菌细菌作为菊粉型果聚糖的全细胞生产者。这种方法将益生菌活力与局部益生元生成相结合，为下一代合生元系统提供了基础。然而，其生理相关性需要在类肠道条件下进行仔细评估。
植物乳植乳杆菌 是一种生态通用的乳酸菌，常见于发酵食品、植物材料和人类胃肠道中（Seddik et al., 2017）。由于其对肠道条件的适应性和一般认为安全（GRAS）的地位，它是研究最广泛的益生菌之一。L. plantarum 菌株表现出多种促进健康的作用，包括调节免疫反应、增强肠道屏障功能和抗氧化活性（Garcia-Gonzalez et al., 2021）。一些菌株还能产生具有免疫调节和抗氧化功能的胞外多糖（EPSs）（Salimi & Farrokh, 2023）。最近的基因组研究在特定的 L. plantarum 菌株中鉴定出了潜在的菊粉蔗糖酶基因（Sarang et al., 2024）。然而，确认其功能表达和在菊粉生物合成中作用的实验证据仍然有限。
L. plantarum 细胞在活跃生长期间产生菊粉的能力表明，益生菌细菌可以作为益生元底物的活体生产者。在这个系统中，菊粉生物合成依赖于全细胞活性而不是外源提供的酶，从而将细菌活力与益生元生产联系起来。代谢活跃的益生菌细胞合成的菊粉在聚合物结构、发酵动力学和生物功能方面可能与植物来源的菊粉不同（van Hijum et al., 2006）。这种策略可能有助于满足对结合益生菌活性和益生元生产的可持续、下一代功能食品不断增长的需求（Swanson et al., 2020）。
在本研究中，我们从婴儿粪便样本中分离出一种新型的 L. plantarum 菌株 HK9，并评估了其通过全细胞介导从蔗糖生物合成菊粉的能力。我们表征了代谢活跃细胞产生的果聚糖的分子特性，并克隆和异源表达了潜在的菊粉蔗糖酶基因以确认其功能作用。我们进一步评估了 L. plantarum HK9 的益生菌特性，并在简化的体外类肠道条件下检查了全细胞介导的菊粉生产。最后，我们将 HK9 衍生菊粉的益生元功能性与商业可用的果聚糖进行了比较。
章节片段
产胞外多糖植物乳植乳杆菌 菌株的分离与鉴定
使用之前描述的颜色测定和形态筛选方法（Ju et al., 2024），经过稍作修改，分离出一种产胞外多糖的菌株（命名为 L. plantarum HK9）。简而言之，1 g 婴儿粪便样本在无菌磷酸盐缓冲液（PBS, pH?7.4）中进行系列稀释，并将 100?μL 等分试样涂布到 MRS-蔗糖琼脂平板上（20?g/L 蔗糖）。培养基含有 10?g/L 蛋白胨，10?g/L 牛肉膏，5?g/L 酵母膏，1?g/L 吐温 80，2?g/L 铵
产菊粉植物乳植乳杆菌 HK9 的分离与鉴定
使用基于蔗糖的筛选系统从婴儿粪便样本中分离产胞外多糖的乳酸菌。稀释的样本涂布在 MRS-蔗糖琼脂上，并选择表现出粘稠、拉丝或高度粘液状形态的菌落作为候选株（补充图 1）。分离株在缺乏蔗糖的标准 MRS 琼脂上形成非粘液状、干燥的菌落，表明胞外多糖的产生依赖于蔗糖。
乳酸菌已知能合成多种源自蔗糖的胞外多糖，包括葡聚糖（例如，葡聚糖和
结论
本研究证明 L. plantarum HK9 具有益生菌特性，并通过全细胞转化蔗糖产生菊粉。HK9 直接从蔗糖合成β-(2?→?1)-键合的菊粉，且这种生物合成活性在简化的体外类肠道条件下得以保留，胆盐进一步增强了生产。HK9 衍生的菊粉显示出益生元特性，被益生菌细菌选择性利用，同时对一种肠道菌株影响有限。
伦理
本研究获得了韩国卫生福利部指定的公共机构审查委员会的批准（IRB No. P01–201703–31-007）。
CRediT 作者贡献声明
Jung-Hyun Ju: 写作 – 原稿，调查，资金获取，概念化。 Sun-Yeon Heo: 写作 – 原稿，方法学，数据整理。 Hee-Joo Kim: 方法学，调查。 Min-Ho Jo: 验证。 Tae-Geum Kim: 形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。
致谢
本工作得到了 韩国生物科学与生物技术研究所（KRIBB）研究计划 (KGM1222612) 和由韩国政府（MSIT）资助的 韩国国家研究基金会（NRF）拨款 (RS-2024-00342712) 的支持。我们衷心感谢韩国生物科学与生物技术研究所（KRIBB）微生物资源中心的 Doo-Sang Park 提供 Lactiplantibacillus 菌株集合，L. plantarum HK9 即来源于此
Jung-Hyun Ju|Sun-Yeon Heo|Hee-Joo Kim|Min-Ho Jo|Tae-Geum Kim|Baek-Rock Oh
