通过乳植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）的发酵对日本海带（Laminaria japonica）加工废弃物进行生物技术升级处理：抗氧化化合物和酪氨酸酶抑制剂化合物的释放与生成

《Food Chemistry》：Biotechnological upcycling of Laminaria japonica processing waste via Lactiplantibacillus plantarum fermentation: release and formation of antioxidant and tyrosinase-inhibitory compounds

海带加工废料经乳酸菌发酵后产生显著酪氨酸酶抑制活性（IC50=8.84±0.04 mg/mL），其机制涉及铜离子螯合和荧光淬灭，同时代谢组学分析发现氨基酸、有机酸及苯甲酸衍生物（3-HPA、BIC、PTSA）含量显著提升，并证实发酵产物可有效延缓对虾冷藏期黑色素沉积。

　　

吴静|林浩杰|林荣|金日天|梁铎|任中原|翁文银|沈阳

中国福建省厦门市集美大学海洋食品与生物工程学院，邮编361021

摘要

日本海带（L. japonica）是一种宝贵的海洋资源，对其加工废物的高效利用具有重要意义。在本研究中，我们使用Lactiplantibacillus plantarum对海带废物进行发酵，以探讨其生物活性和代谢变化，旨在为天然抗氧化剂或功能性食品成分的开发提供理论基础和应用潜力。发酵提取物（LJF）表现出较强的抗氧化活性和酪氨酸酶抑制活性。具体而言，LJF在可逆混合型动力学条件下对酪氨酸酶的IC₅₀值为8.84?±?0.04?mg/mL，其主要抑制机制为铜离子螯合和荧光淬灭。同时，非靶向代谢组学分析显示发酵后氨基酸、有机酸和苯类衍生物的含量增加。进一步筛选发现3-HPA、BIC和PTSA具有潜在的抑制作用。此外，LJF能有效延缓虾在冷藏储存过程中的黑色素沉着。这些发现为将日本海带废物作为天然抗氧化剂和功能性食品成分的来源提供了理论依据。

引言

日本海带（L. japonica）是一种典型的褐藻，富含藻多糖、多酚、岩藻黄质和矿物质等生物活性化合物。它具有多种生理功能，包括显著的抗氧化、抗炎作用以及调节葡萄糖和脂质代谢的作用（Reboleira等，2021）。作为一种兼具生态和经济价值的海藻物种，日本海带广泛分布于东亚沿海地区，并被大规模养殖。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的全球水产养殖生产数据库，2023年中国日本海带的年产量达到了1203万吨。尽管产量可观，但每年约有40%的日本海带在加工过程中被作为废物丢弃，主要包括修剪残余物、茎部和叶片碎片（Huang等，2025）。虽然这些废物富含粗纤维、蛋白质和藻酸，但通常通过填埋处理，导致严重的资源浪费和土地占用（Zheng等，2016）。这不仅阻碍了海藻产业的可持续发展，也凸显了加强对海藻加工废物进行增值利用的迫切需求。

为了最大限度地利用日本海带资源，人们探索了化学处理、酶水解和微生物发酵等多种技术。然而，化学方法由于使用强酸或强碱可能会降解有价值的营养成分，并留下对食品安全和环境可持续性构成威胁的有机化学残留物（Rodríguez-Bernaldo de Quirós & López-Hernández，2021）。相比之下，酶水解因其高效性和特异性而受到广泛关注；但酶的高成本限制了其大规模工业应用（Dhayalan & Phanumartwiwath，2025）。相比之下，微生物发酵作为一种环保、经济且具有高效生物转化能力的策略，为日本海带加工废物的增值利用提供了新途径（Jin等，2024）。它可以将不可消化的细胞壁成分转化为可利用的营养物质（Wang等，2022），同时促进生物活性化合物的释放，从而提高日本海带的营养价值和功能性（Tonini等，2024）。在各种微生物中，Lactiplantibacillus plantarum（L. plantarum）因其公认的安全性（GRAS）和多样的代谢能力而受到广泛关注。该菌株能分泌多种酶，如糖苷酶（Iliev等，2020）和蛋白酶（Kieliszek等，2021），这些酶能有效降解植物细胞壁中的复杂多糖和蛋白质。此外，发酵过程中产生的有机酸（Zhou等，2025）、氨基酸及其衍生物（Tao, Li, Aweya等，2025；Tao, Li, Jin等，2025）和酚酸（Li, Xu等，2024）可显著延长产品的保质期并提高安全性，从而增强发酵材料的生物活性。

在食品科学领域，酪氨酸酶（EC 1.14.18.1）的抑制作用已被系统研究。这种酶具有多酚氧化酶（PPO）活性，具有双重作用：它是水果和蔬菜酶促褐变的关键催化剂（Peng等，2022），同时也是黑色素生物合成中的限速酶。其异常表达会加速水产品的黑色素沉着，导致储存过程中出现不良的黑色变化，从而影响其商业价值和消费者接受度（Lama-Mu?oz等，2021）。尽管常用的抑制剂如曲酸、熊果苷和氢醌被广泛应用，但它们的潜在细胞毒性和致敏性引发了安全担忧（Mahalapbutr等，2023）。因此，亟需开发天然、有效且安全的酪氨酸酶抑制剂。近年来，来自日本海带的生物活性化合物因其酪氨酸酶抑制活性而受到关注。例如，藻多糖通过与酪氨酸酶活性中心的竞争性结合发挥抑制作用（Wang, Niu等，2021），而褐藻多酚则通过螯合铜离子来抑制酪氨酸酶活性（Du等，2025）。然而，这些化合物的提取和纯化过程较为复杂（Yuan等，2018），其抑制机制背后的结构-活性关系尚未完全阐明。

尽管在微生物发酵和日本海带生物活性成分的研究方面取得了显著进展，但关于日本海带发酵系统的系统研究仍较为缺乏，尤其是在代谢动态和活性化合物的作用机制方面。因此，本研究旨在利用plantarum发酵日本海带废物，以释放其中嵌入的生物活性物质，重点研究其酪氨酸酶抑制活性。本研究采用非靶向代谢组学和基于分子对接的虚拟筛选方法来鉴定活性成分，并阐明发酵产物增强生物活性的机制，为日本海带废物的增值利用提供科学参考和实际指导。

材料与试剂

日本海带加工废物来自中国宁德市宜源海洋食品有限公司，采集于加工当天，并在进一步使用前置于室温下保存。Lactiplantibacillus plantarum CCTCC M20251550菌株最初从腌制蔬菜中分离获得，由中国典型培养物中心（CCTCC）提供。酪氨酸酶、L-DOPA、3-羟基苯乙酸（3-HPA）、1H-苯并咪唑-2-羧酸（BIC）、对甲苯磺酸（PTSA）等试剂也用于实验。

发酵促进营养转化并增强抗氧化活性

为了提高研究的通用性和可行性，我们通过单因素实验优化了发酵过程。如图S1所示，最佳发酵条件为发酵时间24小时、接种量7%和底物浓度3%。值得注意的是，底物浓度对抑制活性有显著影响（图S1D）；较高的日本海带含量显著提高了抑制率，表明底物浓度起着关键作用

结论

本研究系统阐明了plantarum发酵诱导的日本海带加工废物的生物转化过程。与传统仅关注营养价值的研究不同，本研究结合了酶活性测定、抑制机制分析和非靶向代谢组学，揭示了日本海带多糖和蛋白质的发酵降解如何与多种低分子量物质的释放和富集相关联

CRediT作者贡献声明

吴静：撰写初稿、软件应用、方法设计、数据分析。林浩杰：结果验证、方法改进。林荣：项目监督、行政管理。金日天：项目监督、实验设计。梁铎：项目监督、方法指导。任中原：项目监督、实验设计。翁文银：项目监督。沈阳：撰写修订、项目监督、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2100605）、厦门市科技计划项目（3502Z20256016）和厦门市科技补贴项目（2024CXY0301）的支持。