综述：挖掘传统发酵生态系统用于小麦麸皮改性：从微生物资源库到设计菌群

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Mining traditional fermented ecosystems for wheat bran modification: from microbial reservoirs to designed consortia

　　

摘要

**背景** 小麦麸（WBr）的应用受限于其异质性、交联的纤维基质，该基质会争夺水分、破坏面筋网络的连续性，并损害全麦制品的质地。微生物发酵提供了一种靶向途径来松散细胞壁结构并重新分配纤维组分。尽管传统发酵食品提供了丰富的微生物资源库，但将其转化为可重复利用的小麦麸发酵剂仍然受到功能归因不完整和关键种群回收率低的限制。

**范围与方法** 本综述评估了小麦麸纤维组分的结构-功能关系，并总结了由纯培养和天然微生物群落实现的发酵诱导改性。根据来自传统发酵生态系统的微生物在基质松散、酸化、发酵膨松和群落支持方面的贡献进行评估。讨论了多组学分析、培养策略和功能筛选方法的最新进展，以将群落水平特征与可回收微生物和可测量的小麦麸改性活性联系起来。

**关键发现与结论** 小麦麸的结构重塑，而不仅仅是可溶性膳食纤维的富集，决定了发酵的功能效果。与纤维改性、发酵调控和产品性能相关的功能微生物群集为评估候选微生物和开发发酵剂菌群提供了依据。尽管传统发酵食品的微生物群落是开发设计菌群的宝贵资源，但微生物组合需要在小麦麸特定条件下进行验证，以确认功能相容性、稳定性、安全性和产品性能。本综述强调了从微生物资源发现到面向功能设计的菌群开发，以改善小麦麸利用的转变。

**引言** 小麦麸（WBr）是碾磨过程中分离出的外围谷物组织，提供了大量的膳食纤维（DF）和其他生物活性植物化学物质。大量流行病学证据表明，经常食用麸皮与改善血糖调节、降低血脂水平以及降低慢性疾病风险有关（Maghoul等，2023）。尽管这些健康益处已有充分记录，但直接将小麦麸掺入面团体系通常会降低面包体积、增加瓤硬度并产生粗糙的口感，这限制了产品的感官接受度。含麸食品口感不佳主要源于DF复合物的层级结构，该结构赋予麸皮高不溶性和刚性。

在全麦面团中，刚性的麸皮基质表现为难以变形且具有水分竞争性的颗粒相，可物理破坏面筋网络的连续性、减弱气孔稳定作用并限制水分的可用性，从而降低面团延展性并导致致密的瓤结构（Ma等，2022）。因此，改善全麦制品质量需要对麸皮基质进行靶向改性，以降低细胞壁刚性和调节水分竞争，而非无差别地富集或降解总DF。

微生物发酵提供了一种温和的生物方法来进行面向基质的小麦麸改性。在发酵过程中，微生物酶和有机酸可以松散木质纤维素框架，将部分不溶性膳食纤维（IDF）转化为可溶性膳食纤维（SDF），并促进结合态酚类物质的释放（Lu等，2022）。这些变化可能影响麸皮基质的水合行为，重塑麸皮-水-面筋相互作用，并缓解麸皮在面团发育过程中的结构干扰。然而，商业发酵剂或随机选定的菌株往往表现出表现不一致，因为小麦麸改性需要微生物之间分布不均的协同生物化学功能。

传统发酵食品为克服这一局限性提供了相关的微生物资源库。酸面团、酒曲、味噌、波索尔以及其他谷物或植物基发酵含有适应于碳水化合物丰富底物、酸性条件和渗透压应力的土著微生物（Cuamatzin-García等，2022）。这些生态系统产生了能够改性小麦麸纤维结构、理化性质、面团流变性和全麦制品质地质量的微生物群落或单一分离株。传统发酵食品的微生物多样性和地域特异性表明开发小麦麸改性发酵剂具有巨大潜力，尽管由于群落解卷积、靶向分离、低丰度成员培养和基于麸皮的发酵条件下的功能验证等方面的限制，这一资源仍未得到充分利用。

本综述从纤维结构、传统发酵微生物资源和发酵剂开发的角度审视小麦麸改性。阐明了阻碍面团发育和产品质地的小麦麸结构特征。随后评估了发酵介导的麸皮纤维结构、水合行为和终端使用质量的变化，重点强调来自传统发酵食品的微生物和微生物群落。此外，讨论了多组学引导的功能预测、靶向培养、分离和SynCom的最新进展，作为将复杂发酵生态系统转化为明确的小麦麸改性发酵剂的策略。与主要关注单一菌株发酵的出版物不同，本综述强调传统发酵食品作为面向质地的小麦麸改性微生物资源库，以及开发适合改善全麦制品质量的功能性发酵剂。

**章节摘要**

**小麦麸技术功能限制的结构决定因素** 将IDF转化为SDF经常被用来描述发酵介导的小麦麸改性。然而，仅凭水溶性无法解释麸皮在面团体系中的行为，因为小麦麸的技术限制取决于细胞壁基质的空间组织和交联模式。在小麦麸中，主要的不可溶性纤维网络由纤维素、水不可提取的阿拉伯木聚糖（WUAX）和与木质素结合的 polysaccharides组成。纤维素由……组成

**发酵介导的小麦麸改性：结构与技术证据** 微生物发酵可以通过胞外水解酶、酯酶、有机酸和相关的基质水合变化来松散小麦麸细胞壁基质。这些活性并非均匀影响所有纤维组分，而是改变纤维素组织、阿拉伯木聚糖溶解度、阿魏酸介导的交联以及半纤维素与木质素之间的相互作用。预期结果是受控的基质松散，而非大量降解总膳食纤维，……

**作为小麦麸改性微生物资源库的传统发酵食品** 传统发酵食品，如酸面团、酒曲、味噌和波索尔，主要是以植物为基础的发酵系统，含有分类多样且具有工艺特异性的微生物菌群（图1）（Cuamatzin-García等，2022；Kothe等，2024）。对来自四个大洲的500个酸面团发酵剂的调查发现，每个发酵剂的发酵相关成员中，中位数包含三种乳酸菌或醋酸菌和一个酵母物种（Landis等，2021）。

**小麦麸改性中的功能机制和微生物互补性** 微生物通过协调的酶促和代谢活性改性小麦麸，包括细胞壁水解、酸化、外多糖（EPS）介导的水合调控以及伴有发酵膨松和芳香形成的碳水化合物转化。在混合发酵中，微生物成员可能通过营养交换、代谢物转化、底物竞争和环境调控进一步影响这些过程。由于单个微生物可以对多种……做出贡献

**技术赋能的功能性发酵剂发现、培养、分离和验证** 传统发酵食品生态系统含有经过反复发酵循环适应于复杂谷物、植物和混合食品基质的微生物种群。扩增子调查和培养依赖研究揭示了这些群落中广泛的分类多样性，然而单个种群对小麦麸重建的贡献往往仍未解决。常规分离优先回收丰度高和生长快的微生物，产生了……之间的差距

**从微生物资源库到面向小麦麸改性的设计菌群** 传统发酵生态系统含有具有多样碳水化合物利用能力和发酵相关特性的微生物资源库。然而，直接应用复杂群落可能由于不可控的微生物相互作用和功能冗余而导致小麦麸改性效果不稳定。因此，当前努力已从转移整个微生物群落转向基于实验表征功能的确定菌群重建。设计的……

**结论** 发酵介导的小麦麸改性更恰当地应被解释为对麸皮基质的选择性重建，而非仅仅是SDF富集。产品性能与纤维素组织、阿拉伯木聚糖溶解度与分子量分布、水合行为和加工条件的综合作用有关，而目前没有单一的结构描述符能够跨产品体系预测技术性能。

传统发酵食品提供了多样化的……

**未引用参考文献** Yang等，2024。

**利益冲突** 无。

**作者贡献** Yaxuan Peng：概念化、形式分析、原创性写作。Shiyu Yan：调查、可视化。Yangyang Wen：形式分析、写作——审阅与编辑。Shiyi Lu：概念化、形式分析、监督、写作——审阅与编辑。Hongyan Li：概念化、监督、写作——审阅与编辑。Jing Wang：概念化、监督、项目管理、写作——审阅与编辑。Baoguo Sun：写作——审阅与编辑。

**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明** 在本手稿的撰写过程中，使用了AI语言模型Gemini来增强可读性和语言表达。作者随后对所有AI生成的内容进行了审阅、编辑和精炼。作者对本文所呈现的最终内容和解释承担全部责任。

**利益冲突声明**
- 作者确认这是一篇原创手稿，未提交至其他地方发表。
- 作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢** 本研究受中国国家自然科学基金资助（项目编号：32330081和32302136）。作者也衷心感谢Arowana慈善基金会的财务支持。

Yaxuan Peng | Shiyu Yan | Yangyang Wen | Shiyi Lu | Hongyan Li | Jing Wang | Baoguo Sun

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