《International Journal of Dairy Technology》：Microbial responses to emerging technologies in fermented dairy processing: Implications for product development
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在乳制品行业中，新兴加工技术，包括主要为非热技术的冷等离子体（CP）、脉冲电场（PEF）、超声波（US）和高压处理（HPP），以及欧姆加热（OH）电辅助热加工，正越来越多地被研究作为传统热加工的替代或补充。这些技术传统上用于微生物灭活，但其在亚致死暴露条件下调
在乳制品行业中，新兴加工技术，包括主要为非热技术的冷等离子体（CP）、脉冲电场（PEF）、超声波（US）和高压处理（HPP），以及欧姆加热（OH）电辅助热加工，正越来越多地被研究作为传统热加工的替代或补充。这些技术传统上用于微生物灭活，但其在亚致死暴露条件下调节乳制品相关微生物生理和代谢的能力正日益受到关注，对发酵产品开发具有潜在意义。本综述批判性地评估了亚致死暴露于新兴技术如何影响发酵剂、辅助菌株和益生菌培养物。研究人员假设这种暴露能够调节微生物的生理、代谢和应激耐受性，并对发酵性能和产品质量产生潜在影响。具体而言，本综述考察了生理反应、代谢适应、应激耐受机制及其技术后果。来自微生物和食品模型系统的证据支持以下假设：亚致死暴露于新兴非热技术可诱导生理和代谢重编程，可能改变微生物功能和产品特性。然而，其在活性乳品发酵中的转化仍尚未充分确立，因为许多研究是在非乳品模型系统中进行的。菌株、基质和技术依赖性反应，以及安全问题和批次间差异，仍然是工业应用的重要挑战。关键的知识缺口包括在活性发酵期间在真实乳基质中的研究有限、多组学整合有限，以及需要将工艺参数与功能结果相关联的预测模型。因此，亚致死应激是一种有前景的微生物功能调节方法，但仍需进一步验证以支持其工业实施。
**引言**
传统热处理虽能保障乳制品微生物安全，但会导致蛋白质变性、美拉德反应、热敏营养素损失及感官品质下降，并可能损害发酵剂与益生菌活力。新兴加工技术（如高压处理（HPP）、脉冲电场（PEF）、超声波（US）、冷等离子体（CP）和欧姆加热（OH））凭借非热或温和热效应，在灭活有害微生物的同时，可通过亚致死暴露调节乳品相关微生物的生理与代谢。本综述提出核心假设：亚致死应激能够改变菌株的膜完整性、氧化应激状态、应激蛋白表达及代谢通量，进而影响发酵效率、功能代谢物合成和产品品质。文中重点考察了生理响应、代谢适应、应激耐受机制及其技术后果，旨在为利用可控加工应激调控发酵乳制品功能特性提供理论框架。
**发酵乳制品中使用的主要微生物**
发酵乳制品中的核心微生物包括乳酸菌（LAB），如嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种、乳酸乳球菌等，它们主导产酸和风味形成；益生菌如嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳酪杆菌、双歧杆菌属等，赋予产品健康功效；此外，霉菌（如罗克福尔青霉、卡门培尔青霉）和酵母（如汉逊德巴利酵母、乳酸克鲁维酵母）在奶酪成熟和开菲尔发酵中发挥重要作用。这些微生物通过碳水化合物代谢产生乳酸、胞外多糖（EPS）、细菌素、γ-氨基丁酸（GABA）、生物活性肽等代谢产物，直接影响产品的质构、风味、安全性和功能价值。
**新兴加工技术的原理与机制**
欧姆加热（OH）通过电流产生体积加热，可实现快速均匀升温，并可能存在低频电穿孔效应，但脂肪含量会降低其有效性，且电极腐蚀和热效应与非热效应的争议仍需标准化研究明确。冷等离子体（CP）通过产生活性氧和氮物种（ROS/RNS）造成脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA损伤，但穿透深度有限，且可能诱导“活但不可培养（VBNC）”状态。脉冲电场（PEF）依赖电穿孔形成可逆或不可逆膜孔，亚致死强度可刺激细胞代谢，但单独使用的灭活效果较弱，常需与其他栅栏技术联用。超声波（US）通过声空化产生局部高温高压和剪切力，可破坏细胞膜并增强传质，从而促进微生物生长和发酵，但处理强度需精确控制以避免过度损伤。高压处理（HPP）利用均匀高压导致膜压缩和蛋白质变性，其杀菌效果受产品脂肪保护效应和菌株耐药性影响，中等压力可诱发可逆的亚致死生理变化。
**新兴加工技术对乳品微生物生理和代谢活性的影响**
PEF亚致死处理可提高细胞膜通透性，促进营养吸收，使部分乳酸菌提早进入对数生长期，并增强EPS产量和细胞内海藻糖积累，但相关证据多来自分离培养或非乳基质模型。US在发酵前或发酵过程中应用可提升乳酸菌的产酸速率，缩短发酵时间，其机制涉及膜通透性增加、空化压力波触发应激反应以及胞内代谢物释放。HPP对微生物的影响具有压力依赖性：较高压力可造成不可逆损伤，而中等压力（如100–300 MPa）可能引起可逆的膜流动性调节和代谢活性抑制，解除压力后细胞可恢复代谢。CP在乳品基质中的研究主要集中于表面灭菌和品质影响，尚未在活性发酵条件下系统验证其代谢调控作用。
**亚致死应激反应的一般机制**
亚致死应激首先作用于细胞膜：HPP引起膜磷脂相变和通透性改变，乳酸菌可通过调整脂肪酸组成（如增加环丙烷脂肪酸、不饱和化）维持流动性；PEF诱导的电穿孔可造成可逆的膜通透化，并伴随蛋白质释放和乳酸产量增加；US的空化效应可导致微射流损伤和VBNC诱导；OH中电导加热引起的膜渗漏在亚致死条件下也被观察到。氧化应激是另一核心机制：CP产生的ROS/RNS会诱发脂质过氧化、蛋白氧化和DNA损伤，但亚致死剂量也激活抗氧化防御，如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和Nrf2/ARE通路。蛋白质稳态依赖于热休克蛋白系统，Hsp70（DnaK-DnaJ-GrpE）和Hsp60（GroEL-GroES）参与蛋白折叠，Clp蛋白酶家族降解不可逆损伤蛋白，亚致死前处理可通过诱导这些伴侣蛋白增强菌株后续耐受性。此外，瞬时适应与永久适应存在区别：前者是可逆的生理调整，后者如适应性实验室进化（ALE）可产生遗传稳定的耐受株，但可能伴随生长速率或代谢谱的权衡。
**应激诱导的代谢重编程与生物活性化合物形成**
亚致死应激可显著上调EPS合成。例如，中等强度PEF（MI-PEF）处理肠膜明串珠菌后，右旋糖酐产量提高7倍以上，但EPS分子量可能降低；乳酸乳球菌在有限电穿孔条件下EPS产量增加。GABA的产生与谷氨酸脱羧酶（GAD）系统相关，大气室温等离子体（ARTP）诱变可提高短乳杆菌GABA产量，但相关研究多为菌株改良而非发酵过程原位调控。高电压电处理（HVET）可促进β-乳球蛋白酶解释放更多生物活性肽，但仍停留在模型系统层面。细菌素合成方面，OH亚致死处理可改变菌株生长和细菌素活性，但结果具有菌株依赖性，且HPP与产细菌素LAB联用在奶酪中表现出协同杀菌作用。需要强调的是，应激诱导的代谢重编程往往伴随“生长-产物”权衡，即资源向EPS、GABA或细菌素合成倾斜时，生物量积累和生长速率可能受损。
**通过亚致死应激暴露增强益生菌功能**
亚致死HPP、PEF和US处理可在保持益生菌存活的同时提高其GI耐受性、黏附性和代谢活性，但响应高度依赖于菌株和基质。交叉保护机制通过共享应激通路（如应激蛋白上调、膜成分重塑、抗氧化激活）增强菌株对胃酸、胆盐等后续致死条件的抵抗。预处理策略（如在食品中添加前施加亚致死应激）结合微囊化可显著提高封装效率（如US辅助蛋白-多糖复合材料包埋植物乳植杆菌达95.95%封装效率）和模拟胃肠道存活率。然而，最佳处理参数需逐菌株测定，预处理效益的长期稳定性尚不明确，且存在病原体适应性增强的潜在风险。
**应激适应群体的意外后果与安全考虑**
亚致死暴露可能诱导病原微生物的交叉保护，使其对后续加工栅栏产生更强抗性，但目前有关PEF、US、HPP、CP和OH在乳品病原体中诱导交叉保护的证据有限。亚致死应激还可能促使食源性病原体产生抗菌药物耐药性（AMR），例如高盐和低pH可稳定提高大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC），但这些结论主要来自传统环境应激而非新兴物理技术。此外，溶原性发酵剂（如乳酸乳球菌）中的前噬菌体可能因热冲击、氧化应激等条件进入裂解周期，现有研究尚未证实HPP或PEF能诱导前噬菌体活化，但该风险不能排除。VBNC状态与批次间差异也为食品安全评价和产品质量一致性带来挑战。
**工业转化标准与限制**
技术选择应与目标产品特性匹配，例如PEF适合高价值发酵产品并增强EPS产量，US可用于控制后酸化，HPP可提供清洁标签与能量优势。放大过程中，工业设备内电场、声场和压力场的非均匀性使得维持亚致死条件的均匀性成为关键难题，需要实时在线监测传感器（如流式细胞术、代谢组学）辅助控制。经济可行性上，设备资本支出（特别是PEF和HPP）较高，但通过节能和产品差异化可能获得回报；目前缺乏针对亚致死应激应用的详细技术经济分析。监管方面，利用新兴技术进行代谢调节的产品可能被视为“新型食品”，需遵循欧盟新型食品法规（如EU 2015/2283）或美国GRAS框架，审批流程耗时且数据要求严格。质量控制需引入多元方法：除常规平板计数外，应结合流式细胞术或ATP生物发光检测以评估VBNC细胞，并利用代谢指纹（如SPME-GC/MS和核磁共振）监控批次一致性。
**结论**
综合证据表明，亚致死暴露于新兴加工技术（PEF、US、HPP、CP及OH）可在特定条件下调节乳品微生物的生理和代谢，影响EPS、GABA、细菌素等产物合成，并通过预处理增强益生菌的加工存活和胃肠道耐受性。但研究多局限于模型系统，真实乳基质中活性发酵过程的验证仍不足。多组学整合、预测模型以及表型稳定性的研究亟待加强；病原体交叉保护、AMR风险和溶原性前噬菌体诱导等安全问题也需要系统评估。在工业转化上，工艺放大、经济可行性和法规路径构成主要瓶颈，质量控**制应依托实时监测和代谢指纹技术**。亚致死应激为发酵乳制品的功能化开发提供了新范式，但实现其工业价值需跨学科协作建立标准化方案和安全监管框架。
