乳酸菌发酵改善玉米麸皮功能特性：基于理化性质、氨基酸组成、香气特征、抗氧化活性及代谢组学分析的见解

《Food Bioscience》：Improving functional properties of maize bran by lactic acid bacteria fermentation: Insights from physicochemical properties, amino acid composition, aroma profile, antioxidant activities, and metabolomics analyses

　　## 摘要玉米皮（MB）是一种营养丰富的加工副产物，分别由发酵乳杆菌（*Limosilactobacillus fermentum*）、植物乳杆菌（*Lactiplantibacillus plantarum*）和戊糖片球菌（*Pediococcus pentosaceus*）菌株进行固态发酵。随后，研究了它们对 MB 结构特性、生物活性和化学成分的影响。与其他菌株相比，发酵乳杆菌迅速促进了 MB 的酸化，24 小时后挥发性 3-甲基戊酸的相对含量达到 32.92%，并在 48 小时后显著提高了 58.92% 的羟基自由基清除率。植物乳杆菌发酵表现出优异的水溶性指数（33.33%）、膨胀能力（254%）、总酚（3.95 毫克没食子酸当量（GAE）/克）和 ABTS 清除率（90.45%），并在 48 小时后具有高的挥发性 3-糠醛和香草醛相对含量，分别为 16.06% 和 2.14%。值得注意的是，所有菌株在 48 小时和 72 小时时显著增加了必需和支链氨基酸的含量。同时，经戊糖片球菌处理 72 小时的 MB，具有高含量的甜味氨基酸（1125.33 毫克/千克）和疏水氨基酸（1609.8 毫克/千克）、总酚（4.01 毫克 GAE/克）和挥发性 2-呋喃甲醇（8.16%），表现出强烈的 DPPH 清除率（74.49%）和吸水指数（42.21%）。非靶向代谢组学分析揭示了显著的代谢调节，主要包括氨基酸、糖类、脂肪酸、苯甲酸、羟基肉桂酸及其衍生物。此外，植物乳杆菌、发酵乳杆菌和戊糖片球菌分别显著富集了辅因子生物合成、嘧啶代谢和苯丙素生物合成。本研究突显了发酵 MB 作为具有食品和营养价值的功能性成分潜力。## 引言受食品和燃料生产工业的驱动，全球玉米（*Zea mays* L.）产量在 2023/24 年度已达到 12.3 亿吨（美国农业部，2025）。在玉米加工过程中，玉米皮（MB）作为副产物获得，占加工玉米体积的 6-7%，由谷粒的果皮、种皮和糊粉层组成（Dap?evi?-Hadna?ev 等，2018）。2025 年全球 MB 市场量已达到 984 万吨，预计到 2035 年将达到 1429 万吨（Arora，2025）。MB 主要被饲料和酶生产行业使用。尽管富含能够降低慢性病风险的生物活性成分，但其在食品行业的应用极少（Caruso 等，2022；Dap?evi?-Hadna?ev 等，2018）。MB 富含酚类和黄酮类化合物，如对香豆酸、阿魏酸、山柰酚和槲皮素（Bento-Silva 等，2018；Das & Singh，2015）。值得注意的是，谷物中主要酚类化合物阿魏酸的含量在玉米中比其他谷物高出近 10 倍（Bento-Silva 等，2018）。然而，这些化合物通常与木质素、阿拉伯木聚糖和结构蛋白等细胞壁成分通过醚键或酯键连接（Akshatha 等，2024；Bento-Silva 等，2018），限制了它们的水溶性和生物可及性。酚类化合物是谷物皮中抗氧化活性的主要贡献者。酚类的结构特征和浓度通过金属螯合和自由基清除等不同机制影响其抗氧化潜力（Nimse & Pal，2015；Sahu 等，2023）。通过发酵对 MB 进行增值提供了一种改善其功能特性的可持续方法。在谷物副产物的固态发酵（SSF）过程中，乳酸菌（LAB）经常被使用。最近的研究表明，发酵乳杆菌和植物乳杆菌对调节小麦和大米皮中的氨基酸、香气特征和其他代谢成分具有积极影响（Ghamry 等，2023；Zhou 等，2026）。戊糖片球菌菌株已被证明可以减少植酸水平并改善小麦皮复合面包中的有机酸、可溶性纤维和烘焙品质（Huang 等，2024）。此外，戊糖片球菌和纤维芽孢酵母发酵显示出挥发性醇和酸的显著增加，并改善了小麦皮和含皮面包的抗氧化特性（Tang 等，2024）。在发酵过程中，包括木聚糖酶、蛋白酶和酯酶在内的水解酶促进了细胞壁中存在的糖 - 酚酸酯键的水解，释放可溶性生物活性化合物，并可能合成新代谢物（Dimoso 等，2025；Fan 等，2024）。这些营养益处根据使用的发酵剂、发酵条件和基质性质而异，突显了菌株探索对于谷物皮增值的重要性。目前，LAB 发酵对 MB 性质的影响较少被探索（Akbari 等，2023, 2024；Zhao 等，2025）；然而，像大米和小麦皮一样，它可能是一种潜在的功能调味品和生物活性化合物来源。此外，关于 LAB 发酵在 MB 中引起的代谢组学和香气特征的信息缺乏。而且，以前尚未探索过在发酵 MB 中使用发酵乳杆菌和戊糖片球菌菌株。我们之前的研究表明，基于全基因组测序和生理特性的新型戊糖片球菌，可以作为食品发酵中的潜在发酵剂（Mgomi 等，2022）。因此，在本研究中，利用从臭豆腐卤水、泡菜和酸菜中分离的发酵乳杆菌、植物乳杆菌和戊糖片球菌菌株发酵 MB，并评估其理化、生物活性、代谢组学和香气特性。此外，采用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术来评估发酵 MB 的结构变化。本研究的结果将 LAB 发酵 MB 定位为应用于功能性食品的增值农业副产物。## 章节片段### 材料玉米皮（MB）购自当地市场（中国江苏省）。MB 使用实验室研磨机研磨，通过 40 目（420 μm）筛网过筛，储存在 -20 °C，并在一年内使用。乳酸菌菌株发酵乳杆菌（Lf09）、植物乳杆菌（PC3-29）和戊糖片球菌（PPF28-8）来自扬州大学食品科学与工程学院食品安全实验室。诸如铁氰化钾等化学试剂，### 理化性质将天然谷物皮掺入食品产品中不仅限制了生物活性化合物的生物可及性，还由于其质地坚硬和口感粗糙，对质地、颜色和适口性等感官性质产生不利影响。据报道，发酵可以改善谷物皮加工特性和功能性，使其成为烘焙产品中的功能调味品（Tu 等，2020）。发酵过程中 MB 中 LAB 菌株的浓度显示在### 结论使用发酵乳杆菌、植物乳杆菌和戊糖片球菌进行固态发酵（SSF）增强了 MB 的技术功能特性、抗氧化含量和活性、氨基酸组成以及香气特征，使其成为应用于功能性食品的增值农业副产物。然而，由于代谢途径的差异，这些变化是菌株和时间的依赖性的。与其他菌株相比，发酵乳杆菌迅速促进了 MB 的酸化，增加了挥发性 3-甲基戊酸### CRediT 作者贡献声明**Noel Dimoso:** 概念化，调查，方法论，写作 – 初稿，写作 – 审阅与编辑。**Caowwei Chen:** 方法论，写作 – 审阅与编辑。**Anqi Tang:** 方法论，写作 – 审阅与编辑。**Yue Feng:** 概念化，调查，监督，写作 – 审阅与编辑。**Zhen-Quan Yang:** 概念化，资金获取，项目管理，监督，写作 – 审阅与编辑。### 竞争利益声明作者声明在本研究中他们没有利益冲突。### 致谢这项工作得到了国家自然科学基金（32372368）的支持。Noel Dimoso|Caowei Chen|Anqi Tang|Yue Feng|Zhen-Quan Yang扬州大学食品科学与工程学院，江苏，225127，中国