《LWT》：Bio–enhancement of
Polygonatum cyrtonema Hua beverage: Improved bioactive ingredients and volatile flavor profiles through rapid fermentation with
Lactiplantibacillus plantarum FN107
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传统“药食同源”资源多花黄精（Polygonatum cyrtonema Hua）因口感、风味及活性成分生物可利用性受限，在食品开发中面临挑战。为突破此瓶颈，研究人员利用筛选菌株植物乳杆菌（L. plantarum）FN107，对经“九蒸九晒”炮制的多花黄精进行快速液态发酵工艺优化。研究发现，发酵显著提升了多花黄精饮料的总游离氨基酸、多酚和黄酮含量，并增强了其体外抗氧化（DPPH?+/ABTS?+清除）与降血糖（α-淀粉酶/α-葡萄糖苷酶抑制）活性。通过GC-MS、GC-E-Nose与感官评价等多维分析，揭示了发酵驱动风味从草药味向发酵酸、果香、木香转变的代谢通路机制。该研究为定向发酵开发高价值、风味佳、生物活性强的功能性黄精食品提供了科学依据。
在传统中医药与现代营养学的交汇处，多花黄精（Polygonatum cyrtonema Hua）作为一种重要的“药食同源”资源，长久以来因其调节肠道菌群、增强免疫力、抗氧化、抗糖尿病等多重健康益处而备受推崇。然而，无论是未经加工的原料，还是经过传统“九蒸九晒”炮制后的成品，都难以摆脱其固有的弊端：原料本身带有强烈刺激性，而炮制品尽管风味有所改善，却依然保留着明显的药味和苦涩感，这极大地限制了其在日常食品和饮品中的广泛应用。如何将这份古老的健康馈赠，转化为既美味可口又富含活性的现代功能食品，成为了一个亟待破解的难题。
传统的炮制工艺虽然有效，但过程繁复，且对风味和活性的提升存在瓶颈。微生物发酵，作为一种高效、温和且可控的生物转化手段，为破解这一难题提供了新思路。其中，乳酸菌，特别是植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum），因其快速的发酵能力和益生特性，在食品发酵领域应用广泛。但以往的研究大多停留在对发酵产品的初步探索，对于特定菌株在优化条件下如何系统性地改变多花黄精的功能成分、生物活性以及挥发性风味图谱，其内在的转化规律和代谢通路仍是一片亟待探索的“黑箱”。
为此，一项发表在《LWT - Food Science and Technology》上的研究，为我们揭开了这层神秘面纱。来自浙江农林大学的研究团队，独辟蹊径地运用了一株自主筛选的植物乳杆菌FN107，对经“九蒸九晒”处理的多花黄精开展了快速液态发酵研究。这项工作的新颖之处在于，它不仅应用了特定菌株，还通过响应面法优化了发酵工艺，并整合了气相色谱-质谱联用、气相色谱-电子鼻以及感官小组评价等多种分析手段，旨在全面绘制发酵过程中挥发性物质和风味的动态变化图谱，并将这些变化与功能成分的修饰以及体外抗氧化、降糖活性的提升相关联，以期揭示其背后特定的转化机制。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们以传统“九蒸九晒”炮制的多花黄精为原料，利用自主筛选的植物乳杆菌FN107菌株，通过单因素实验和响应面法（Box-Behnken Design）系统优化了液态发酵的工艺参数（料液比、接种量、温度、时间）。其次，他们系统测定了发酵过程中pH、活菌数以及总糖、总皂苷、总多酚、总黄酮、总游离氨基酸等主要理化成分的动态变化。在生物活性评价方面，采用了DPPH和ABTS自由基清除实验评估抗氧化能力，以及α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制实验评估潜在的降血糖活性。对于核心的风味分析，研究结合了顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术全面鉴定挥发性化合物，并利用气相色谱-电子鼻进行客观风味指纹分析，同时组织了专业感官评价小组进行主观嗅闻评分。最后，通过偏最小二乘判别分析等多元统计方法筛选关键风味化合物，并将其映射到相关的代谢通路上进行机制阐释。
3.1. 液态发酵体系的优化
研究通过单因素实验和响应面分析，确定了最佳的快速液态发酵条件为：料液比30:1，接种量3%，温度38°C，时间8小时。在此条件下验证的感官评分达到87.37，与模型预测值接近，证实了优化工艺的可靠性。响应面分析表明，各因素对感官品质的影响顺序为：料液比 > 接种量 > 发酵时间 > 发酵温度。
3.2. 微生物动态与化学成分变化
植物乳杆菌FN107能在未添加任何营养补充剂的多花黄精浸提液中生长，活菌数在发酵4小时达到峰值。发酵显著改变了基质的化学成分：作为微生物直接碳源的总糖含量在发酵8小时后总体下降了27.02%；而贡献苦味的典型成分总皂苷含量更是大幅降低了67.94%。与此同时，具有重要功能和风味价值的成分含量显著提升：总游离氨基酸增加了28.13%，总多酚和总黄酮含量分别大幅提升了84.20%和78.96%。这些变化为后续生物活性和风味的增强奠定了物质基础。
3.3. 快速发酵对体外活性的影响
发酵极大地增强了多花黄精的体外生物活性。在抗氧化方面，发酵8小时后，样品对DPPH自由基的清除率从起始的51.46%提升至90.38%，对ABTS自由基的清除率也达到65.13%。在降血糖潜力方面，发酵显著提升了样品对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制活性。发酵终点时，对α-淀粉酶的抑制率高达85.97%，对α-葡萄糖苷酶的抑制率达到88.17%，均显著高于未发酵的对照。这些活性的增强趋势与发酵诱导的多酚和黄酮含量增加的趋势一致。+ radical scavenging rate; (b) ABTS?+radical scavenging rate; (c) α–amylase inhibition rate; (d) α–glucosidase inhibition rate.">
3.4. 发酵对挥发性物质图谱的影响
通过GC-MS分析，研究人员在发酵过程中共鉴定出60种挥发性化合物。偏最小二乘判别分析得分图显示，不同发酵时间点的样品其挥发性图谱沿着主成分1方向呈现明显的动态演变，且组间区分显著。聚类分析将样品分为三组：未发酵对照、发酵前期和发酵中后期，反映了发酵程度不同带来的化合物差异。
3.5. 挥发性物质的动态变化与关键化合物筛选
热图分析直观展示了化合物含量的变化趋势。随着发酵时间延长，49种化合物（尤其是酸类）的含量逐渐增加，而另外11种化合物则呈现相反趋势。按类别统计，发酵后酸类、醇类和酯类的总含量分别增加了69.21%、220.06%和13.00%，而酚类、醛类、烯烃和芳香族化合物的含量则显著下降。通过VIP值筛选出22种关键挥发性化合物，包括4种酸、6种醇、5种醛、3种酯等。这些化合物在发酵组中的含量均显著高于未发酵对照，其含量的系统性变化极大地影响了发酵黄精的风味轮廓。这些关键化合物的分布与组间相关性进一步通过复合散点-密度图展示，揭示了它们在不同处理组间的丰度差异和强相关性。
3.6. 风味-香气变化的双重感官评价
研究结合客观仪器分析与主观感官评价，对风味变化进行了全面评估。气相色谱-电子鼻分析具有高区分度，共鉴定出24种香气化合物，并将其归类为9种气味类型。相关分析表明，草药味、木香、酸味、甜味、果香和蜡味等属性在发酵过程中呈现出显著的风味-香气相关性。具体而言，发酵终点样品与未发酵对照相比，在感官评价中显示出显著的草药味降低，发酵酸味显著增加，而由加工诱导的焦糖风味则未发生明显变化。这证实了发酵成功地将风味从令人不悦的草药味转向了以发酵酸为核心，果香、木香为补充的复合型香气。
3.7. 发酵驱动的风味-香气增强机制
研究最后深入揭示了风味转化的代谢机制。通过关键香气代谢通路富集分析，发现植物乳杆菌FN107驱动的、以乙酰辅酶A为关键节点的代谢途径主要涉及苯丙氨酸代谢、脂肪酸生物合成和甲基赤藓糖醇磷酸途径。发酵促进了脂肪酸氧化，产生了贡献发酵酸味的丁酸等短链脂肪酸，并进一步酯化形成具有浓郁花果香的酯类物质。同时，通过MEP途径，微生物合成了具有果香的α-松油醇、木香的雪松醇等萜类化合物，并促进了草药味典型贡献者麝香草酚的降解。此外，苯丙氨酸代谢途径也产生了具有温辛香气的化合物。这些通路的协同作用，共同塑造了发酵后多花黄精独特而宜人的新风味。
结论与讨论
该研究系统阐明了植物乳杆菌FN107驱动的快速液态发酵对多花黄精饮料所产生的生化与感官双重变革。其核心结论在于，通过优化设计的快速液态发酵体系，该特定菌株的代谢活动能够同步提升产品的生物活性和风味轮廓。
在生物活性方面，微生物酶系统有效转化了底物成分：消耗糖分和皂苷，同时促进了多酚、黄酮等活性物质的释放与转化，从而显著提高了饮料的体外抗氧化和降血糖活性。这为开发具有明确健康宣称的功能性食品提供了物质基础。
在风味重塑方面，该菌株通过调控代谢通路扮演了决定性角色：一方面，通过脂肪酸代谢通路生成丁酸等酸类及其衍生的酯类，构成了主导的发酵酸味和花果香韵；另一方面，通过萜类及芳香族化合物代谢通路，合成了α-松油醇等花木香物质，并降解了麝香草酚等草药味成分。这种双重作用成功地将整体风味导向以发酵酸为核心、兼具鲜明果香和花香的复合型香气，成功掩盖了原料的不良风味。
这项研究的重要意义在于，它不仅仅记录了一项发酵工艺的优化结果，更重要的是厘清了微生物代谢功能与产品品质提升之间的因果关系。它首次全面表征了植物乳杆菌在黄精快速液态发酵中驱动的风味-香气动态变化及其代谢通路机制，将传统的经验性发酵提升到了针对性的、机制明确的现代化加工水平。该研究成果为利用定向发酵技术，深度开发和高效利用“药食同源”资源，将其转化为高附加值、风味宜人且生物活性强的功能性食品，提供了坚实的理论依据和可行的技术路径，具有重要的科学价值和应用前景。
