《Fermentation》：Antioxidant and Cytoprotective Effects of Fermented Panax ginseng Berry and Root Extracts
Mihye Park and
Sun Mee Lee
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本研究表明，经植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵后，人参根与浆果乙醇提取物的总多酚、总黄酮和粗皂苷含量显著增加，并促进主要人参皂苷（如Rb1, Rg1）向活性更强的稀有皂苷（如Rg3, Rh1）转化。发酵提取物在DPPH、ABTS和FRAP等体外抗氧化实验中展现出更强的自由基清除与还原能力。在t-BHP诱导的氧化应激细胞模型（Chang肝细胞）中，发酵提取物可有效降低细胞内活性氧（ROS）水平、抑制脂质过氧化、恢复GSH/GSSG比值、提升SOD和CAT等内源性抗氧化酶活性，并维持线粒体膜电位（ΔΨm），显示出更强的细胞保护效应。该研究证实，植物乳杆菌发酵是一种增强人参资源抗氧化与细胞保护功能的潜在增值策略，为将其开发为功能性食品原料提供了新见解。
1. 引言
活性氧（ROS）是细胞正常代谢的必然产物，在适度水平下参与抗菌防御和细胞内信号传导，但其过量积累会导致氧化应激，进而引发脂质过氧化、蛋白质修饰、DNA损伤和线粒体功能障碍，并与心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病、癌症和衰老等多种慢性疾病的发病与进展密切相关。人体依靠过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶（SOD）等内源性抗氧化防御系统维持氧化还原稳态。然而，当氧化应激超出这些系统的应对能力时，摄入外源性植物基抗氧化剂变得尤为重要。
发酵作为一种传统食品加工技术，不仅能改善食品的保存和感官品质，近年来更被视为一种增强植物化学物质生物利用度和功能性的有效策略。特别是利用乳酸菌（如植物乳杆菌）进行发酵，可通过酶促去糖基化和释放结合酚类化合物等方式，促进复杂化合物转化为生物利用度更高的低分子量代谢物，从而增强植物原料的抗氧化能力和生理功效。
人参是一种公认的药用植物，含有皂苷、酚类化合物和多糖等多种生物活性成分，具有抗氧化、抗炎和神经保护等作用。虽然人参根的药理特性已被广泛研究，但人参浆果尽管皂苷含量高，却相对较少受到关注。人参浆果富含人参皂苷（特别是人参皂苷Re）、维生素和矿物质，已被报道在调节血糖和抗氧化相关的生理功能（如皮肤健康）方面具有益处。然而，人参浆果呼吸率高，采后品质劣变快，在储存过程中易发生失水、变色和微生物腐败，严重限制了其货架期和工业应用潜力，尽管其具有生物活性潜力。
2. 材料与方法
本研究使用了商品级的人参根和人参浆果。用于发酵的乳酸菌是植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）KCTC 3108。研究制备了四种样品：未发酵人参浆果乙醇提取物、发酵人参浆果乙醇提取物、未发酵人参根乙醇提取物和发酵人参根乙醇提取物。样品经清洗干燥、粉碎、高压蒸汽灭菌后，与蒸馏水混合制成浆液，接种菌悬液后在37°C下无振荡发酵48小时，随后用70%乙醇回流提取，过滤浓缩后冻干待用。
通过多种化学和细胞实验评估发酵效果。总多酚含量采用Folin–Ciocalteu法测定，以没食子酸当量表示。总黄酮含量采用铝盐络合法测定，以槲皮素当量表示。粗皂苷含量采用香草醛-高氯酸比色法测定，以人参皂苷当量表示。人参皂苷组分（Rg1, Re, Rf, Rb1, Rc, Rb2, Rd等）通过高效液相色谱法（HPLC）进行分析。
通过四种体外化学实验评估抗氧化活性：DPPH自由基清除活性、ABTS自由基清除活性、铁离子还原抗氧化能力（FRAP）和亚硝酸盐清除活性。此外，还测定了提取物的超氧化物歧化酶（SOD）样活性和过氧化氢酶（CAT）活性。
在细胞实验中，使用人Chang肝细胞建立了t-BHP诱导的氧化应激模型。通过MTT法评估细胞活力以确定提取物的非细胞毒性浓度范围。随后，在细胞水平评估了提取物对细胞内活性氧（ROS）生成的抑制、对脂质过氧化的抑制、对还原型/氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）比值的影响，并使用JC-1染料法评估了线粒体膜电位（ΔΨm）。
3. 结果
3.1. 总多酚、总黄酮和粗皂苷含量
发酵显著增加了人参浆果和人参根提取物中的总多酚、总黄酮和粗皂苷含量。发酵的增强效果在人参根中比在人参浆果中更为显著。在所有样品中，发酵人参根提取物的总多酚和总黄酮含量最高。粗皂苷含量在人参浆果和人参根发酵后也呈现出明显的增加趋势。
3.2. 人参皂苷谱分析
通过HPLC分析人参皂苷谱发现，与未发酵样品相比，发酵提取物中高分子量人参皂苷（如Rb1和Rb2）的含量减少，而低分子量人参皂苷（包括Rh1和Rg3）的含量增加。发酵促进了主要人参皂苷（如人参皂苷Rg1、人参皂苷Rb1和人参皂苷Rb2）向具有更高生物活性和生物利用度的稀有皂苷（如人参皂苷Rh1、人参皂苷Rg2和人参皂苷Rg3）的转化。
3.3. 抗氧化活性
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DPPH自由基清除活性：所有样品均表现出浓度依赖性的DPPH自由基清除活性增强。与未发酵提取物相比，发酵处理一致性地增强了DPPH清除活性，且在人参根提取物中效果更显著。
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ABTS自由基清除活性：ABTS自由基清除活性也呈浓度依赖性增加。发酵提取物在同等浓度下显示出比未发酵提取物更高的ABTS清除活性。在所有样品中，发酵人参根提取物在测试浓度范围内表现出最高的ABTS清除活性。
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铁离子还原抗氧化能力：所有样品的FRAP值均呈浓度依赖性增加。发酵提取物的还原能力在整个测试浓度范围内均高于其对应的未发酵提取物。其中，发酵人参根提取物在所有浓度下的FRAP值最高。
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亚硝酸盐清除活性：所有样品的亚硝酸盐清除活性随浓度升高而增加。在同等浓度下，发酵提取物的亚硝酸盐清除活性显著高于未发酵提取物，且在较高浓度下差异更为明显。发酵人参根提取物在测试浓度范围内表现出比其他提取物更高的亚硝酸盐清除活性趋势。
3.4. 抗氧化酶活性
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SOD样活性：所有样品的SOD样活性均呈浓度依赖性增加，发酵提取物的活性显著高于未发酵提取物。在测试样品中，发酵人参根提取物的SOD样活性最强。
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CAT活性：所有样品的CAT活性随浓度增加而显著提高。发酵显著增强了所有浓度下提取物的CAT活性。发酵人参根提取物表现出最高的CAT活性，表明发酵对人参根的增强效果更强。
3.5. 细胞水平实验
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细胞活力：在浓度高达300 μg/mL时，经发酵和未发酵人参根、浆果提取物处理的Chang肝细胞活力均保持在80%以上，因此选择≤300 μg/mL的浓度进行后续细胞氧化应激相关实验。
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抑制细胞内ROS生成：在t-BHP诱导的氧化应激模型中，所有提取物均能浓度依赖性地抑制细胞内ROS生成。发酵提取物对ROS生成的抑制效果优于未发酵提取物。在300 μg/mL浓度下，发酵提取物，特别是发酵人参根提取物，对细胞内ROS生成的抑制效果最强。
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抑制脂质过氧化：所有提取物均能浓度依赖性地抑制脂质过氧化。在整个测试浓度范围内，发酵提取物比其未发酵对应物表现出更强的抑制效果。其中，发酵人参根提取物对脂质过氧化的抑制最为显著。
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GSH/GSSG比值：提取物处理组均显示出比对照组更高的GSH/GSSG比值，且比值呈浓度依赖性增加。在未发酵样品中，人参根提取物的GSH/GSSG比值始终高于人参浆果提取物。发酵提取物的效果优于未发酵提取物，其中发酵人参根提取物在300 μg/mL时比值最高。
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线粒体膜电位：在t-BHP诱导的氧化应激条件下，所有提取物预处理均能浓度依赖性地提高JC-1红绿荧光比值，表明其减轻了t-BHP诱导的线粒体去极化。较高浓度的提取物，特别是300 μg/mL，对维持线粒体膜电位的改善作用最大。发酵人参提取物对细胞内ROS生成的抑制，伴随着线粒体膜电位的维持和谷胱甘肽氧化还原平衡的恢复，表明其细胞保护作用与维持线粒体完整性密切相关。
3.6. 抗氧化与功能指标的相关性分析
相关性分析进一步支持了发酵增强的抗氧化成分与改善的细胞保护效果之间的关联。总多酚含量和总黄酮含量与脂质过氧化抑制、谷胱甘肽氧化还原状态等功能性细胞参数呈相对较强的正相关。ABTS自由基清除活性和亚硝酸盐清除活性与线粒体膜电位等功能性细胞参数也表现出较强的相关性，表明发酵诱导的抗氧化能力增强与改善的细胞氧化还原稳态和细胞保护有关。相比之下，DPPH和FRAP与部分功能指标的相关性较弱或不一致。此外，抗氧化酶活性、谷胱甘肽稳态和线粒体功能之间的强相关性表明，酶促和非酶促抗氧化系统协同作用，共同减轻氧化应激并维持细胞功能。
4. 讨论
人参浆果和根经乳酸发酵后抗氧化成分的改变可归因于微生物酶活性促进了生物活性化合物的释放和转化。发酵增加了总多酚和总黄酮含量，这很可能与微生物酶水解复杂的酚类结合物并释放结合酚类有关。皂苷谱的改变也支持了发酵的功能意义，高分子量皂苷减少而低分子量皂苷增加，这种转化通过微生物去糖基化过程实现，而低分子量皂苷具有更高的生物利用度和生物活性。在细胞层面，人参提取物有效抑制了细胞内ROS生成、减少脂质过氧化、改善了GSH/GSSG比值并增强了线粒体膜电位，这表明发酵增强的人参提取物有助于调节细胞内氧化还原稳态和线粒体功能。研究还通过相关性分析证明，发酵增强的抗氧化成分与改善的细胞保护效果相关联。
5. 结论
植物乳杆菌介导的乳酸发酵有效增强了人参浆果和根的抗氧化成分组成，并在细胞水平上增强了它们对抗氧化应激的细胞保护作用。该发酵过程显著提高了人参浆果的功能价值，并进一步扩展了人参根的利用潜力。这些发现表明，乳酸发酵是将人参资源增值利用为功能性食品原料的一种有前景的策略。未来的研究应包括体内评估，以验证发酵衍生的生物活性化合物的生物功效，并进一步研究其生物利用度。
