《Fermentation》：Applications of Limosilactobacillus fermentum in Fruit and Vegetable Fermentations: Biotechnological Mechanisms, Nutritional Outcomes, and Industrial Relevance
Muhammad Salman Farid,
Muhammad Imran Hussain,
Sidra Rashid,
Ramisha Ibtisam,
Aniqa Abbas,
Sania Khalid,
Piotr Salachna and
?ukasz ?opusiewicz
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本文系统综述了发酵粘液乳杆菌(L. fermentum)在果蔬发酵中的生物技术应用。该菌作为专性异型乳酸发酵菌，能通过特定代谢途径(如PK途径)产生乳酸、乙酸等多种代谢物，并合成多种高附加值生物活性产物(如GABA、甘露醇)。综述重点阐述了其通过酶系统(如阿魏酸酯酶、植酸酶)转化酚类化合物、降解抗营养因子、提升产品抗氧化能力和矿物质生物利用度的机制，并系统总结了其在各类果蔬(如浆果、泡菜)发酵中的应用现状、工业优化策略(如发酵参数优化、混合发酵)以及未来挑战与前景。
在当今全球功能性植物基食品需求激增的背景下，发酵粘液乳杆菌(Limosilactobacillus fermentum, L. fermentum)作为一种多才多艺的专性异型发酵乳酸菌，正展现出提升发酵果蔬营养、功能和感官特性的巨大潜力。这篇综述深入探讨了其在果蔬发酵中的生物技术机制和工业应用，特别强调了菌株特异性代谢和工艺性状的重要性。
1. 引言：从传统发酵到精准发酵的转变
全球发酵食品和植物基食品市场持续快速增长，这反映了消费者对具有特定生理益处的功能食品日益增长的需求。然而，传统的自然发酵存在质量不稳定和安全风险。现代工业正转向使用确定的发酵剂进行受控发酵。在众多乳酸菌中，L. fermentum因其出色的应激耐受性和多样的代谢能力脱颖而出。它经历了一次重要的分类学重新划分，其异型发酵代谢(通过磷酸酮醇酶途径)可产生乳酸、乙酸、乙醇和CO2的复杂混合物，这有助于形成复杂的风味特征，并减少通常与同型发酵剂相关的平淡酸味。科学研究重点已从一般性的益生菌筛选，转向其在食品体系中的机制应用。通过文献计量分析可观察到，早期研究(以蓝色/青色表示)多关注“益生菌潜力”、“乳酸菌”和“安全性”等通用术语。而近期趋势(以黄色/绿色表示)则围绕特定功能产出和机制，如“代谢组学”、“抗氧化能力”、“GABA”和“混合发酵”等，表明该领域正从识别有益菌转向优化其菌株特异性代谢贡献。
2. 分类学与特征：一个坚韧的多面手
L. fermentum 属于乳杆菌目(Lactobacillales)乳杆菌科(Lactobacillaceae)，是一种革兰氏阳性、不产孢的杆状细菌。2020年，基于系统基因组学分析，它从原来的乳杆菌属(Lactobacillus)转移至新建立的粘液乳杆菌属(Limosilactobacillus)。许多菌株表现出对多样热和酸性环境的强大适应能力，这是发酵剂的关键特性。例如，从发酵泡菜中分离的菌株664能在pH低至3.0甚至2.5的条件下长时间保持活力。其生态多样性体现在可从人类胃肠道、母乳和多种植物基发酵产品等多种生境中分离得到。值得注意的是，其益生菌和技术特性是菌株特异性的，而非全物种共有。
3. 生物技术机制与代谢途径：复杂风味的引擎
L. fermentum的基础代谢由磷酸酮醇酶途径主导，这导致其产生乳酸、乙醇(或乙酸)和二氧化碳的混合产物。除了基本的碳水化合物发酵，L. fermentum 还表现出显著的代谢灵活性。某些菌株可以利用果糖作为外部电子受体，通过甘露醇脱氢酶将其还原为甘露醇，在维持氧化还原平衡的同时，将普通果糖转化为功能性多元醇。此外，许多菌株在氮限制或酸性环境中会利用精氨酸脱亚胺酶途径，该途径将精氨酸转化为鸟氨酸，同时释放氨和CO2，从而产生ATP并通过碱化细胞内环境来抵抗酸应激。胞外多糖的合成是L. fermentum的一个具有技术相关性但高度依赖菌株的特性。胞外多糖分子在细胞周围形成保护性生物膜，并能在食品基质中改善粘度和持水性。
4. 酶系统与生物转化活性：营养强化的关键
L. fermentum 的技术应用性很大程度上由其菌株依赖性的水解和酯解酶驱动，这些酶促进复杂食物大分子转化为其生物活性成分。一项关键的酶促能力是通过苯丙烷途径代谢酚类化合物。特定菌株的酶(如阿魏酸酯酶和单宁酶)可水解连接酚酸与细胞壁的酯键，释放出游离的阿魏酸和对香豆酸，这不仅降低了富含单宁植物的涩味，还显著增加了发酵产品的抗氧化生物利用度。此外，特定菌株(如L. fermentum CCMA 0745)展现出显著的植酸酶活性，可降解植酸(肌醇六磷酸)，释放出铁、锌和钙等必需矿物质，提高其在发酵基质中的溶解度和生物利用度。最后，L. fermentum 的氮代谢有助于生物活性肽和神经活性氨基酸的产生。某些菌株(如L. fermentum AGA52)拥有完整的谷氨酸脱羧酶系统，能够将L-谷氨酸不可逆地脱羧为γ-氨基丁酸，这是一种与调节血压和减轻压力相关的功能性化合物。
5. 水果发酵中的应用：多样基质的探索
5.1. 浆果
浆果富含可发酵糖和多酚，非常适合选定的L. fermentum菌株。例如，菌株FUA033在巴氏杀菌草莓汁中能达到约8.3 log CFU/mL的活菌数，同时通过上调酯类和减少醛类来调节挥发性成分。值得注意的是，该菌株具有将鞣花单宁衍生底物生物转化为尿石素A的特殊代谢能力。
5.2. 热带和亚热带水果
在这些基质(如柑橘、木瓜、荔枝、石榴、巴西樱桃、猕猴桃)中，发酵性能受菌株对固有酸度和糖组成的响应以及目标加工策略的影响。在柑橘系统中，选定的L. fermentum分离株可有效管理糖酸比。在木瓜饮料中，菌株J24在24小时内可达约8.3 log CFU/mL的活菌数。在猕猴桃汁中，L. fermentum 显示出极高的细胞密度(约109CFU/mL)。进一步的功能创新包括使用富硒L. fermentum Ln-9生产含有生物可利用有机硒和高维生素C保留量的猕猴桃汁。
5.3. 核果与仁果
在核果基质中，巴氏杀菌桃汁支持L. fermentum PTCC 1744在厌氧培养下的生长，导致明显的产酸。品种依赖性表现是仁果(特别是苹果汁)中的一个关键变量。在七个苹果品种的筛选中，菌株21828的活菌数和感官评分因品种而异，其中‘阿克苏’品种支持最高的性能(约108CFU/mL)。益生元(如GOS)补充可增强L. fermentum CICC21828在澄清苹果汁中的活力和感官结果。
5.4. 其他水果基质
L. fermentum也被应用于非经典水果、混合水果系统和水果加工副产物。在仙人掌果基质中，稀释果汁支持菌株ATCC 9338的强力发酵。在黄火龙果汁中，菌株312实现了高细胞密度和显著的风味重塑。此外，一项“变废为宝”的研究表明，水果副产物(如葡萄渣、可可豆壳、苹果渣)可作为功能性基质或辅料。
6. 蔬菜发酵中的应用：传统与现代的融合
6.1. 传统发酵蔬菜
对泡菜类产品的发酵剂研究表明，当菌株选择和工艺条件与目标酸度水平一致时，选定的L. fermentum菌株可以支持受控发酵。在泡菜发酵中，菌株KACC11441作为发酵剂表现良好，产生的代谢物和挥发性成分在最佳酸度下与商业肠膜明串珠菌发酵剂非常相似。在韩国水泡菜中，使用包含L. fermentum的商业多菌种发酵剂进行益生菌强化，比传统产品产生了更可预测的产酸和更高的消费者偏好。
6.2. 十字花科蔬菜
在十字花科蔬菜基质中，L. fermentum菌株已被用作汁液和盐水发酵中的明确发酵剂。在巴氏杀菌羽衣甘蓝汁中，菌株EFEL6800和MG7011在培养期间活菌数增加，并实现持续的产酸，伴随着游离糖和氨基酸的消耗以及异型发酵代谢物(包括甘露醇积累)的形成。在非洲羽衣甘蓝的深层发酵中，与植物乳杆菌共接种加速了产酸和碳水化合物利用。
6.3. 茄科蔬菜
在番茄酱中，菌株V013-1A表现出强大的醛还原能力，与醇脱氢酶活性一致，但未检测到β-葡萄糖苷酶活性。这表明观察到的感官改善并非由结合态芳香物质的释放驱动，而是由醛向醇的代谢转化驱动。在辣椒酱的引导发酵中，菌株IM 351迅速降低pH值并达到高LAB计数。然而，大多数测定的质量差异主要由辣椒颜色驱动，而非发酵剂本身。
6.4. 其他蔬菜基质
在非十字花科和非茄科蔬菜中，研究表明L. fermentum菌株可作为汁液和盐水发酵中的明确发酵剂。在芦笋汁中，菌株Xd作为单一发酵剂和在确定的共培养物中均表现有效，发酵过程在感官质量上赋予了明显的技术优势，苦味降低了至少77%。甜菜根是L. fermentum研究最广泛的根菜类基质，可作为模型说明发酵如何增强新型食品中生物活性化合物的功能特性。
7. 发酵产品的营养与功能特性
7.1. 生物活性化合物增强
通过选定的L. fermentum菌株发酵，可一致地通过提取、生物转化和从头合成等多种机制增强发酵果蔬中生物活性化合物的含量和生物利用度。酚类化合物是受L. fermentum发酵影响最重要的一类植物生物活性物质。研究记录了发酵后总酚含量增加20%到5倍以上。结合态酚类向游离形式的生物转化是增强生物利用度的特别重要机制。表现出高酯酶活性的菌株可通过酸化介导的水解和特定细菌酶(如β-葡萄糖苷酶)的切割释放结合态酚类，从而增加游离酚含量。此外，L. fermentum发酵过程中的类黄酮生物转化会产生具有潜在增强生物活性的修饰化合物。
7.2. 抗氧化活性
抗氧化活性增强是L. fermentum发酵水果和蔬菜最一致记录的功能改进之一。多项研究报告了抗氧化能力的显著增加。抗氧化增强的机制是多因素的，涉及通过提取和生物转化增加酚类抗氧化剂含量、产生具有抗氧化特性的细菌代谢物、多种抗氧化化合物之间的协同相互作用以及潜在的金属螯合能力增强。在羽衣甘蓝汁发酵的研究中，菌株EFEL6800的发酵显著增强了化学自由基清除能力，并在细胞模型中显示出抑制炎症反应的能力，支持了其作为功能食品的潜力。
7.3. 矿物质生物利用度与生物强化
L. fermentum发酵通过两种协同机制增强矿物质状态：代谢降解螯合矿物质的抗营养素和主动的细胞内生物强化。发酵通过降低pH值和减少植酸盐、单宁和草酸盐等抑制性化合物，将不溶性矿物质复合物转化为生物可利用形式。此外，特定菌株具有主动生物强化的能力，通过从头合成硒蛋白和其他金属有机复合物，将无机矿物质转化为高生物可利用的有机形式。涉及富硒L. fermentum菌株的生物强化策略有潜力提升发酵产品的营养价值。
7.4. 感官属性与风味发展
L. fermentum菌株发酵产生特征性的风味特征，具体取决于基质、发酵条件和菌株特性。其异型发酵代谢产生乳酸和乙酸以及乙醇和二氧化碳，有助于形成以酸味、辛辣味和微妙的果味或发酵风味为特征的复杂风味特征。对芳香L. fermentum菌株的筛选研究已识别出具有理想产香能力的特定菌株。L. fermentum发酵产品的感官评价研究普遍报告了可接受至高度可接受的感官特性，一些产品与其未发酵对照相比表现出增强的感官吸引力。
8. 工业应用与优化策略
8.1. 发酵参数优化
优化发酵参数对于开发稳健且一致的菌株特异性发酵工艺至关重要。需要优化的关键参数包括温度、pH、接种量、发酵时间、底物组成以及氧气可用性等环境条件。最佳参数值因特定L. fermentum菌株、底物特性和期望的产品属性而异，需要对每个应用进行系统优化。温度是生长和代谢效率的主要决定因素，36°C至37°C被证明是多数果蔬基质中L. fermentum菌株的最佳温度。pH调节也严重影响产品特性，自然酸化最终pH通常在3.2–4.8范围内，有助于保存。接种量因应用而异，液体果汁通常为106至108CFU/mL以确保快速占优和产酸，而泡菜和番茄酱等固体基质则较低(105CFU/g)。发酵时长则取决于底物，果汁达到最大抗氧化和挥发性产物产量通常需要24至72小时。
8.2. 发酵剂开发
开发稳健的发酵剂是工业规模化的基础，需要严格的菌株选择和保存策略。从使用新鲜菌种的实验室规模发酵过渡到使用保存菌种的工业生产面临多重挑战。这一过程的基础是对具有特定功能和代谢特性的候选菌株进行系统性筛选。研究显示关键工业特性存在显著的菌株间差异。除了基本生长，选择标准必须针对应用特异性代谢物。一旦选定，在加工过程中保持活力是主要挑战。成功的工业应用需要能够承受加工压力、同时保持高纯度和代谢活性的菌株，以确保从发酵罐到最终产品性能的一致。
8.3. 共培养与混合发酵策略
涉及选定L. fermentum菌株的共培养策略可通过协同代谢相互作用增强发酵结果。多项研究表明，将L. fermentum菌株与植物乳杆菌或干酪乳杆菌等同型发酵物种结合，与单菌株发酵相比，可改善抗氧化能力和风味特征。操作策略强烈影响这些益处。顺序发酵(即在特定阶段引入L. fermentum)通常产生优于同时接种的结果。然而，菌株相容性至关重要；虽然协同效应常见，但未经优化的配对可能导致拮抗竞争而无功能增益。
8.4. 规模化与工业实施
选定L. fermentum菌株的成功工业实施已从简单的批量发酵转向精密的功能应用，例如活性包装和生物解毒。一个主要的实施策略是开发生物活性可食用涂层以延长保质期。例如，将菌株BAL-21-ITTG掺入海藻酸钠涂层用于渗透脱水的木瓜，成功保持了储存期间的理化稳定性和感官品质。同样，将菌株MQ10应用于甜樱桃，通过调节表面微生物组和增强苯丙烷代谢，显著减少了采后腐烂。除了保鲜，工业规模化还受到功能安全需求的驱动。菌株L19已被验证可用于重金属修复，在果蔬汁中实现了51%的镉去除率，且不影响感官属性。此外，规模化潜力存在于治疗性饮料生产中，使用菌株ISB2发酵的石榴汁对HT-29结肠癌细胞显示出显著的抗增殖活性。这些发现表明，当前的工业实施主要针对高价值功能性配方和生物控制系统，而非传统的单纯生物质生产。
9. 结论与未来展望
本综述确立了L. fermentum在植物基发酵发展中的关键作用，其独特的异型发酵代谢和强大的酶机制使其区别于同型发酵剂。在多种基质中，最一致报道的技术成果包括在酸性富糖环境中的强大存活和生长能力，以及可增强感官复杂性的异型发酵终产物形成。该菌种是一种有效的生物催化剂，能够降解植酸盐和单宁等抗营养因子，同时将多酚生物转化为高生物利用度的代谢物。这些代谢特性是菌株特异性而非物种特异性的。特别是GABA的产生、甘露醇积累和活性硒生物强化与并非所有分离株都具备的特定基因簇相关。因此，将L. fermentum从传统用途转化到工业应用，应围绕精准发酵剂选择来构建，其中菌株特性、性能验证和过程控制决定了可重复的功能和感官结果。
L. fermentum在果蔬发酵中的应用在过去二十年取得了显著进展，但未来研究仍面临多重挑战和机遇。一个主要挑战是需要更全面地理解其在多样化底物发酵过程中的代谢调控。虽然近期转录组学研究提供了基因表达模式和代谢途径调控的见解，但需要整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的多组学研究来完全阐明其调控网络。基于这些见解，开发菌株改良策略是另一个重要方向。成功应用硒富集以增强L. fermentum发酵性能的例子展示了通过菌株修饰改善功能特性的潜力。然而，食品微生物的基因工程面临监管和消费者接受度的挑战。除了单菌株优化，开发复杂的共培养和混合发酵策略代表了一个有前景的方向。虽然初步研究探索了共培养组合，但通过互补代谢活动设计用于特定功能结果的复杂微生物群落仍有待探索。开发增强L. fermentum发酵结果的新型加工技术为创新提供了机会。成功应用闪蒸真空膨胀技术增强木瓜发酵证明了将L. fermentum发酵与创新技术结合的潜力。未来研究可探索高压处理、脉冲电场、超声波或微波处理等技术与发酵的结合，以增强底物制备、加速发酵并改善产品特性。然而，必须评估这些技术的经济可行性和实施难度。扩大底物多样性为发现L. fermentum的新应用提供了机会。虽然研究集中在常见果蔬上，但许多未充分利用的植物材料仍有待探索作为潜在的发酵底物。开发L. fermentum发酵的可持续和循环经济方法是未来应用的重要考量。通过发酵实现食品加工副产物的增值、通过基于发酵的保鲜减少食物浪费的潜力，以及开发减少能源和水消耗的环保工艺，均与可持续目标和循环经济原则相一致。
