解析本土微生物组有助于合理设计功能性发酵起始菌株，从而提高 platycodins 在发酵过程中的产量

《Food and Bioproducts Processing》：Deciphering the indigenous microbiome enables rational design of functional starter cultures to enhance platycodins in fermented Platycodon grandiflorus

本研究通过微生物组分析筛选出高效发酵菌株Leuconostoc mesenteroides ZS W3 4-4，结合超声波辅助技术优化发酵参数，使总皂苷含量达60.4±1.1mg/g，较自然发酵提升47.9%。揭示了Firmicutes优势菌群及β-葡萄糖苷酶在皂苷转化中的作用机制，建立了标准化发酵体系。

　　

赵玉莲|史海苏|吴俊瑞|史琳|王伟明|姚琳|宋美君|马腾和|叶琳|吴丽娜

沈阳农业大学食品科学学院，中国沈阳110866

摘要：

发酵为提高药用植物的生物活性提供了一条有前景的途径，然而传统工艺往往依赖于复杂的、未明确的微生物群，这限制了可重复性和产量。在这里，我们采用微生物组引导的方法，开发了一种针对Platycodon grandiflorus（PG）的定向发酵系统，旨在富集其关键的生物活性皂苷，特别是platycodin D（PD）。对自然发酵的PG泡菜进行的宏基因组分析显示，该微生物群以Firmicutes为主（>65%），其中Weissella和Enterococcus为核心属。通过靶向β-D葡萄糖苷酶（platycoside激活的关键酶），我们分离出了141株微生物菌株，并确定Leuconostoc mesenteroides ZS W3 4-4为单菌发酵中的最佳菌株。这种定向起始菌株在静态发酵中将总皂苷含量提高了57.76±3.52mg/g，比自然发酵提高了41.3%，同时PD含量提高了26.25%。我们进一步结合超声波辅助技术优化了发酵工艺参数，最终将总皂苷含量提高到60.4±1.1mg/g——比静态纯培养发酵提高了4.92%，比自然发酵提高了47.9%。这一进展展示了从菌株筛选到工艺优化的逐步提升。该菌株在五次传代过程中保持了稳定的生产力（P > 0.05），证明了工艺的可控性。我们的研究阐明了L. mesenteroides在platycoside转化中的作用，并建立了一种可扩展的、基于微生物组的PG发酵策略。这项工作提供了一个定向的微生物起始菌株和一个可调的发酵平台，以支持传统发酵药用食品的标准化、高价值生产。

引言

Platycodon grandiflorum（Jacq.）A. DC.（PG）是桔梗科Platycodon属的一种多年生草本植物，广泛分布于东亚地区，包括中国、韩国和日本（Ji等人，2020年；Kim等人，2020年；Nam等人，2021年；Zhao等人，2025年）。作为传统药用和食用植物的典型代表，它被列入中国的“既是食品又是药品的物品清单”中。在韩国，它被称为“Doraji”，是泡菜和茶等传统食品的核心成分。在现代工业中，它还被开发成健康产品、药物制剂和功能性化妆品成分，显示出显著的经济价值和应用前景。PG的核心活性成分是五环三萜类皂苷（Chen等人，2025年；W. Huang等人，2021年；J. Jung等人，2023年；Shi等人，2024年）。其中，platycodin D（PD）因其明确的药理功能（如抗炎、免疫调节、保护肺损伤和抗肿瘤作用）而成为当前的研究焦点（Deng & Sun，2021年；Yang等人，2022年），同时其水溶性优于其他单体。然而，PD的天然含量仅为0.1%–0.9%，其分子结构包含多种糖苷修饰，导致直接分离和纯化过程复杂且成本高昂（Shi等人，2024年），这严重限制了PG资源的高价值利用和国际开发（J. Ma等人，2025年）。

作为一种绿色高效的生物转化技术，微生物发酵在提高植物源生物活性化合物的含量和效力方面具有巨大潜力（Xue等人，2024年）。以PD为例，使用Lactobacillus plantarum和Lactobacillus brevis进行混合发酵后，PD含量增加了8.67倍，并显著增强了抗炎活性（J. I. Jung等人，2022年）。这种增强作用表现为促进巨噬细胞增殖和吞噬作用，调节NO/iNOS的表达，以及上调关键炎症介质如IL-1β、IL-6和TNF-α（Xuebing Han，2021年）。该过程主要依赖于微生物分泌的β-葡萄糖苷酶，它通过水解糖苷键将前体化合物转化为更活跃的PD。同时，发酵还产生了多种协同作用的生物活性代谢物，包括短链脂肪酸和多酚（Abdel-motaal等人，2024年）。或者，利用Clostridium thermocellum来源的β-葡萄糖苷酶进行酶转化也能有效生产PD（Kil等人，2019年）。微生物发酵与酶技术的结合为PD的大规模生产和功能增强提供了可行的途径，显示出重要的研究价值和广阔的应用前景。

微波和超声波作为非热技术，在食品加工中通过促进生物转化而具有显著潜力。它们通过破坏细胞、改变蛋白质和调节酶来提高产品质量和营养价值。例如，应用于富含三萜皂苷的PG根部的超声波辅助提取（UAE）优化了提取过程，使皂苷产量达到了4.83%（Li等人，2025年）。这些结果表明，超声波技术可以协同增强发酵并有效提高生物活性成分的提取效率。在PG中，β-葡萄糖苷酶对于将platycodin皂苷转化为主要生物活性化合物PD至关重要（Bariya等人，2023年；Nam等人，2021年）。确定关键活性位点可以通过定向进化或基因工程进行酶优化，借助分子动力学模拟等工具（Su等人，2022年）。此外，将超声波或微波与酶结合使用可以产生协同效应。超声波可以在温和条件下激活酶，其与β-D-葡萄糖苷酶在橙汁中的联合使用可以增强多种风味化合物，提高果汁品质（Sun等人，2021年）。

尽管现有研究取得了进展，但在PG发酵领域仍存在一些国际共性问题：首先，主导功能菌株的定向筛选缺乏系统性。自然发酵依赖于复杂的本土微生物群，导致批次间差异显著；当前的生产数据显示，自然发酵的PG皂苷含量波动范围为30%–50%。其次，对转化机制的研究深度不足。大多数研究仍停留在酶活性水平，菌株代谢的调控网络和糖苷键水解的动力学机制尚未明确。

为了解决这些问题，本研究基于国际研究前沿，构建了“社区分析 - 功能菌株筛选 - 工艺优化”的系统技术链。其目标是通过16S rRNA测序明确自然发酵的核心微生物群，定向筛选具有高β-D-葡萄糖苷酶活性的菌株，结合超声波辅助技术优化工艺，并验证其稳定性。目的是解决PG发酵标准化生产的关键技术瓶颈，为PG资源的高价值国际开发提供支持。具体研究内容包括：从不同地区收集86个自然发酵样本，并在门和属水平上分析微生物群结构；分离和纯化菌株，并通过酶活性测定和发酵验证筛选最佳功能菌株；通过单因素和正交实验优化超声波辅助工艺参数；通过菌株传代和工艺重复验证稳定性；最终建立一个标准化的发酵系统。

部分摘要

α多样性分析

α多样性是衡量单个微生物群样本中物种丰富度和均匀度的关键指标，直接反映了生态系统的复杂性（Liu等人，2021年）。本研究使用Chao1指数、ACE指数和Simpson指数系统评估了自然发酵PG中的细菌和真菌群落。

如图1A所示，随着测序深度的增加，微生物OTU计数呈现出特征性的饱和曲线。

讨论

PG泡菜的发酵遵循两条主要途径：有氧暴露或厌氧密封。这些不同的方法，加上原料制备和地区配方的差异，对最终的微生物生态系统产生了重要影响。虽然原始根部拥有多样化的附生微生物群（Breidt & Skinner，2022年），但发酵过程起到了强大的生物筛选作用。最初允许各种细菌的短暂生长，但随后

结论

这些结论总结了PG泡菜的微生物群、化学转化和发酵优化的综合研究。该研究主要利用16S rRNA基因测序和宏基因组学分析了自然发酵PG的微生物群结构。分离出可培养的菌株，并使用DNS方法评估它们的β-D-葡萄糖苷酶活性。随后，选择了九株菌株进行纯菌固态发酵

CRediT作者贡献声明

赵玉莲：撰写——初稿、方法学、概念构思。吴丽娜：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、资金获取、概念构思。叶琳：验证、正式分析。马腾和：可视化、正式分析。宋美君：方法学。姚琳：监督、资源、项目管理。王伟明：监督、资源、资金获取。史琳：撰写——审稿与编辑、验证、研究。吴俊瑞：验证，

未引用参考文献

Chen等人，2024年；Chen等人，2024年；Wang等人，2022年；Yu等人，2022年；Han等人，2021年；Yue等人，2022年。

数据可用性声明

本研究中未生成或分析任何数据集。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号U20A20400）、沈阳农业大学人才引进（高级）研究启动费项目（编号2023YJRC002）、辽宁振兴人才计划 [XLYC2402005; XLYC2213026]；辽宁省科技计划项目（2024JH2/101900005）；沈阳农业大学人才引进（高级）研究启动基金项目（2023YJRC002）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。