《Frontiers in Microbiology》：Enhancing yogurt quality with a high-EPS-producing space mutant Lactiplantibacillus plantarum LP-Wang25: integrated assessment of yogurt rheological behavior, flavoromics, and functional activities
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摘要
引言：胞外多糖（exopolysaccharides, EPS）可作为增稠剂、乳化剂和胶凝剂，在食品工业中得到广泛应用。乳酸菌原位生产EPS已逐渐成为添加外源EPS的替代方案，契合清洁标签食品日益增长的需求。
方法：研究人员以植物乳植杆菌（Lacti
摘要
引言：胞外多糖（exopolysaccharides, EPS）可作为增稠剂、乳化剂和胶凝剂，在食品工业中得到广泛应用。乳酸菌原位生产EPS已逐渐成为添加外源EPS的替代方案，契合清洁标签食品日益增长的需求。
方法：研究人员以植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）太空突变株LP-Wang25作为辅助发酵剂（adjunct starter culture），通过EPS定量、碳源利用分析、全基因组测序、抗氧化与抗炎活性测定、酸奶发酵试验、感官评价和挥发性风味分析，全面评估其应用潜力。
结果：与亲本菌株相比，LP-Wang25表现出缩短的迟滞期，EPS产量提高39.7%（161.95 mg/L），并具有更强的抗氧化和抗炎活性。全基因组测序表明，EPS生物合成主要经由保守的Wzx/Wzy依赖型通路进行，提示EPS产量的提高可能与转录调控和代谢流再分配有关。当作为辅助发酵剂使用时，LP-Wang25显著提升了酸奶品质，表现为EPS含量和黏度增加、乳清析出减少、奶香香气和乙偶姻浓度提高以及感官可接受性增强。
结论：LP-Wang25是一种有前景的辅助发酵剂，可用于生产具有改善的流变学和感官属性以及增强抗氧化和抗炎活性的清洁标签酸奶。该研究将太空诱导微生物育种与切实的乳品工业应用相连接，为下一代功能性发酵产品铺平了道路。
酸奶凭借独特感官特性和营养密度成为现代健康饮食的重要组成部分，其中质地是决定品质和消费者接受度的关键因素。胞外多糖（exopolysaccharides, EPS）是天然生物活性聚合物，在食品工业中广泛用作增稠剂、乳化剂和胶凝剂。与添加外源EPS相比，乳酸菌原位生产EPS更符合清洁标签食品的需求，且EPS可通过与水分子、酪蛋白胶束相互作用改善酸奶持水性和凝胶网络，并具有抗氧化和抗炎活性。然而，野生型乳酸菌EPS产量低且不稳定，制约了工业化应用；通过基因工程和合成生物学提高产量又面临严格的食品安全法规限制。空间诱变作为新型微生物育种手段可有效诱发突变，具有应用潜力。植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）是常用于乳制品、肉类和蔬菜发酵的菌种。本研究以前期获得的高产EPS菌株HXM2为基础，利用空间诱变获得突变株LP-Wang25，系统评估其作为辅助发酵剂提升酸奶品质的应用潜力，旨在桥接空间微生物育种与乳品工业应用。
研究人员采用多种技术手段联合评估。利用Biolog EcoPlate?分析碳源代谢谱；通过全基因组测序（Illumina NovaSeq 6000平台，以亲本HXM2为参考基因组）鉴定突变位点；采用苯酚-硫酸法定量EPS；通过DPPH自由基清除实验和羟基自由基清除实验评价抗氧化活性，通过白蛋白变性抑制实验评价抗炎活性；将LP-Wang25分别与商业发酵剂Yo-Mix? Prime 5.0及乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）BL19组合发酵全脂复原乳；使用流变仪测定流变学性质；采用气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS）分析挥发性风味化合物；由8名受训评价员进行定量描述分析（quantitative descriptive analysis, QDA）。样本来源：亲本菌株HXM2保存于中国普通微生物菌种保藏中心（CGMCC）和北京工商大学，LP-Wang25为其空间诱变产物。
3.1 生长与碳代谢能力：与亲本HXM2相比，LP-Wang25在MRS培养基中迟滞期显著缩短，约1 h进入对数期，6 h到达稳定期；EPS产量24 h达161.95 mg/L，较亲本（115.90 mg/L）提高39.7%（p<0.001）。Biolog EcoPlate分析显示，突变株整体代谢活性较低且碳源利用模式改变：亲本可利用γ-羟基丁酸而突变株不能；突变株可代谢D-甘露醇而亲本不能；两菌株均能利用Tween 40和Tween 80，均不利用糖原或α-环糊精。
3.2 基因组分析：两菌株基因组大小约3.3 Mb，含约3100个蛋白编码基因。LP-Wang25共检出14723个变异，其中SNP占88.4%，变异主要位于基因间区和基因上、下游等非编码区；编码区中多数为同义突变，错义和无义突变较少。InDel占1.9%，且仅少数位于编码区并预测为移码突变。EPS生物合成相关基因主要编码Wzx/Wzy依赖途径的糖基转移酶、翻转酶（Wzx）和聚合酶（Wzy），两个EPS基因簇高度保守，核心编码区未遭受严重破坏性变异。变异多位于EPS相关基因的非编码区或调控区域，提示EPS产量提高可能源于转录调控和代谢流再分配，而非核心生物合成酶结构改变。
3.3 EPS抗氧化和抗炎活性：LP-Wang25产生的EPS具有较高的抗氧化和抗炎活性。白蛋白变性抑制实验显示，LP-Wang25-EPS抑制率达71.32%，高于亲本EPS（65.53%）；结论部分指出LP-Wang25-EPS的DPPH和羟基自由基清除能力高于亲本EPS。抗氧化与抗炎活性可能协同发挥细胞保护作用。
3.4 LP-Wang25提升酸奶品质：
3.4.1 原位EPS产量和流变性质：在BL（乳酸乳球菌BL19）和P5（商业发酵剂Prime 5.0）两种基础发酵体系中，加入LP-Wang25后酸奶EPS含量均显著增加（p<0.001）：BL体系从71.99 mg/L增至135.41 mg/L（提高88.1%），P5体系从203.2 mg/L增至307.96 mg/L（提高51.6%）。所有酸奶均呈典型剪切稀释的非牛顿流体行为；LPP5（LP-Wang25+Prime 5.0）零剪切黏度最高（1298.15 mPa·s），对应最高的EPS含量。
3.4.2 感官评价：QDA结果显示，添加LP-Wang25的酸奶在黏度、光滑性、粘附性和奶香浓郁度方面得分提高，异味得分降低；LPP5总分最高（74.62），LPBL（LP-Wang25+BL19）次之（73.66）。LPP5乳清析出得分最高，表明持水性最佳。
3.4.3 挥发性风味化合物分析：GC-IMS在P5和LPP5中共鉴定29种挥发性化合物，包括3种醛、8种酮、7种醇、1种酸、6种酯和4种其他化合物。LPP5中2-丁酮、1-丙醇、正戊醛浓度显著升高，乙偶姻和2,3-丁二酮含量也高于对照，赋予奶香和奶油香；而与异味相关的N-丁基-1-丁胺、3-甲基-1-戊醇、3-甲基丁酸和2-甲基-1-丙醇等浓度显著降低。主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）可清晰区分两组酸奶，主要差异化合物为酸奶非特征风味成分的减少，使LPP5风味更纯正。
讨论与结论：该研究通过生理、基因组和功能活性等多层次分析，证实空间诱变使LP-Wang25获得快速生长和高效EPS合成等优良工业性状。核心EPS基因簇的保守性表明，产量提升可能主要来自非编码区变异引起的转录活性变化和代谢通量重新分配；碳源利用能力的改变可能增加糖核苷酸前体供应。LP-Wang25产生的EPS兼具抗氧化和抗炎活性，应用于酸奶后可增加原位EPS含量和黏度、减少乳清析出，并通过调控挥发性风味组成改善感官品质。研究结论：本研究系统研究了LP-Wang25的生长性能、EPS产量、基因组变异、功能活性和酸奶发酵应用潜力。该突变株表现出快速生长、EPS生物合成增强以及显著的抗氧化和抗炎活性。基因组变异分析显示，太空诱变引入大量主要为非编码区SNP的突变；介导Wzx/Wzy依赖途径合成EPS的基因簇保持保守，提示产量提升源于转录活性变化。LP-Wang25产生的EPS较亲本具有更高的DPPH和羟基自由基清除能力以及更好的抗炎活性。酸奶发酵结果表明，LP-Wang25显著增加表观黏度并改善口感、质地和风味，与GC-IMS分析一致。综上，该工作验证了LP-Wang25作为功能性辅助发酵剂提升酸奶整体品质的潜力，未来研究可结合精密发酵和适应性实验室进化等手段增强和稳定其品质提升表型，为功能性发酵乳制品的开发提供新路径。
