代谢组学解析植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)发酵对燕麦基饮料生物活性增强的作用机制

《Food & Function》：Metabolomic insights reveal bioactive enhancement in fermented oat-based beverages via Lactobacillus plantarum

　　

本研究评估热处理及植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)发酵对燕麦(Avena sativa)基饮料生物活性组分及代谢谱调控的影响。研究人员制备了燕麦基底饮料(OBB)、热处理后样品(OBB-H)及在此基础上经植物乳杆菌发酵制得的饮料(OBB-F)，采用总酚含量(TPC, Total Phenolic Content)及DPPH˙自由基半数抑制浓度(IC50, Half-maximal Inhibitory Concentration)等整体生物活性指标，结合靶向色谱分析及UHPLC–QTOF(超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱)非靶向代谢组学监测加工诱导的变化。热处理显著提高了TPC，这与燕麦酰胺(avenanthramide)及羟基肉桂酸(hydroxycinnamic acid)等糖苷结合酚类化合物的释放有关。发酵后TPC维持在与前一阶段相当的水平，而IC50降低49.6%，该效应与酚类生物转化过程相关——即酚类组分向潜在更高生物活性响应化合物重新分布。靶向分析追踪到发酵过程中羟基肉桂酸(阿魏酸ferulic acid、咖啡酸caffeic acid及对香豆酸p-coumaric acid)被消耗，同时伴随低分子量酚类衍生物特别是原儿茶醛(protocatechualdehyde)的积累。非靶向代谢组学揭示发酵驱动代谢谱发生深刻重构，包括氧脂素(oxylipin, 9-HODE和13-HODE)、含氧脂肪酸及溶血磷脂(lysophospholipid)的生成，以及此前未在发酵燕麦饮料中报道的乳酰化(lactoylated)碳水化合物衍生物和外多糖(exopolysaccharide, EPS)片段的出现。此外，发酵过程使磷酸化核苷酸如5'-单磷酸肌苷(inosine 5′-monophosphate, IMP)显著增加，这与鲜味(umami)增强相关；发酵还促进芳香族氨基酸消耗及色氨酸衍生代谢物如吲哚-3-乳酸(indole-3-lactic acid, ILA)的生成。综上，植物乳杆菌功能性发酵是关键代谢调节因子，可诱导特异性生物转化，在维持总酚含量的同时提升抗氧化应答并丰富植物基燕麦饮料的生物活性谱。

本研究发表于《Food & Function》。

研究背景与意义

当前快节奏生活促使高糖高脂超加工食品消费增加，损害肠道微生态健康，消费者对具益生菌/益生元功能的植物基替代品需求上升。传统发酵乳饮料虽具功能特性，但受乳糖不耐受及纯素饮食限制。燕麦(Avena sativa)营养全面且含独特燕麦酰胺(avenanthramide)等抗氧化酚类，但其生物利用度受基质束缚。热处理可破坏细胞壁释放结合酚类，但可能致热敏成分损失；乳酸菌（尤植物乳杆菌Lactobacillus plantarum）发酵被认为能转化复杂酚类为小分子高生物活性物质，然而食品基质中植物乳杆菌对燕麦饮料酚类及其他代谢物的具体转化路径及全代谢谱变化尚缺乏系统的高分辨代谢组学研究。本研究旨在联合整体生物活性指标与UHPLC–QTOF靶向/非靶向代谢组学，阐明热处理及植物乳杆菌发酵对燕麦基饮料生物活性谱及潜在代谢机制的调控作用。

主要关键技术方法

研究人员以市售有机燕麦片加水加糖制备燕麦基底饮料(Oat-based Beverage, OBB)，65℃加热12 min得热处理样品(OBB-H)；OBB-H冷却至25–30℃接种植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum, Christian Hansen 718316株, 1.0×10¹¹CFU g^?1)于25℃厌氧发酵3 d得发酵饮料(OBB-F)。采用基质固相分散萃取(MSPD)提取燕麦粒、超声辅助萃取(UAE)提取液体样品；Folin–Ciocalteu法测总酚含量(TPC, 以mg GAE/g干重计)，DPPH˙法测半数抑制浓度(IC₅₀)及抗氧化活性(AA, 以g TE/g干重计)；UHPLC–QTOF–MS/MS负离子模式进行靶向酚类定量及非靶向代谢物鉴定(T-Rex 3D?筛选、MetaboScape注释、SmartFormula分子式匹配、MoNA等数据库比对)；多元统计分析含无监督主成分分析(PCA, Principal Component Analysis)及有监督偏最小二乘判别分析(PLS-DA, Partial Least Squares-Discriminant Analysis)与变量投影重要性(VIP, Variable Importance in Projection)评分、热图聚类。

研究结果

Effects of thermal processing and fermentation on the target bioactive compounds in oat-based beverages（热处理及发酵对燕麦基饮料目标生物活性化合物的影响）

通过TPC与IC₅₀测定及靶向酚类分析发现：OBB经65℃热处理(OBB-H)后TPC由3.51升至5.63 mg GAE/g(p<0.05)，源于热破壁释放结合酚类（燕麦酰胺、儿茶素、壬二酸azelaic acid及羟基肉桂酸—阿魏酸ferulic、对香豆酸p-coumaric、咖啡酸caffeic acid）。发酵(OBB-F)后TPC保持5.62 mg GAE/g与OBB-H相当，但酚类谱重组——高分子量酚类（燕麦酰胺、羟基肉桂酸）下降，低分子量原儿茶醛(protocatechualdehyde)积累。IC₅₀从OBB的208.8 mg/100 g降至OBB-H的185.4 mg/100 g，再显著降至OBB-F的105.24 mg/100 g（降幅49.6%）。尽管发酵后总酚量未增，DPPH˙清除力升高，归因于小分子酚类（如原儿茶醛）空间位阻小更易接近DPPH˙自由基。植物乳杆菌通过脱羧—羟化—去甲基—氧化途径将羟基肉桂酸转化为原儿茶醛，阿魏酸因需特异性去甲基化而残留，咖啡酸与对香豆酸被完全转化。

Untargeted metabolomic profiling of processing-induced biotransformation in oat-based beverages（非靶向代谢组学解析加工诱导的燕麦基饮料生物转化）

UHPLC–QTOF非靶向分析共鉴定107个代谢物，分13类化合物家族。PCA显示燕麦粒、OBB/OBB-H、OBB-F各自聚为独立簇，PLS-DA结合VIP识别出关键差异代谢物。脂质谱变化显著：热处理及发酵后长链必需脂肪酸（油酸oleic、棕榈酸palmitic）减少；链中位羟基化单羟基脂肪酸FA 18:1;O(mid-OH)热处理后降低，而ω-位羟基化异构体FA 18:1;O(ω-OH)发酵后相对升高，可能与发酵环境或辅因子NAD(H)相关氧化还原态有关。发酵特有生成：二羟基硬脂酸、含氧脂肪酸(FA 18:1+2O, FA 18:2+2O)、溶血磷脂酰胆碱LPC 18:2、氧脂素9-HODE与13-HODE（具抗炎及肠黏膜完整性改善潜力）。乳酸为OBB-F最丰代谢物；新发现乳酰化二糖(lactoyl-disaccharide, m/z 773→683示乳酸残基丢失)及外多糖(EPS)片段、7-(α-D-吡喃葡萄糖基氧基)-2,3,4,5,6-五羟基庚酸（乳酸单元与单糖共轭物），此前未在植物乳杆菌发酵燕麦饮料中报道。5'-单磷酸肌苷(IMP, inosine 5′-monophosphate)在OBB-F积累，暗示鲜味增强。发酵消耗松三糖melezitose、葡萄糖、木糖醇xylitol、山梨醇sorbitol；谷氨酸glutamic acid与蔗糖sucrose略升（可能来自松三糖水解释放），焦谷氨酸pyroglutamate显著升高（乳酸菌催化谷氨酸环化或酸性环境促非酶环化）。色氨酸tryptophan消耗伴吲哚-3-乳酸(ILA, indole-3-lactic acid)生成；3-羟基苯甲醛3-hydroxybenzaldehyde降低，与原儿茶酸protocatechuic acid升高趋势吻合。

讨论与结论总结（翻译浓缩结论部分）

本研究对燕麦基饮料进行热处理及植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)发酵，综合生物活性指数测定、靶向酚类表征及非靶向代谢组学分析得出：热处理促进酚类（尤其阿魏酸、对香豆酸、咖啡酸等羟基肉桂酸）释放及提取效率提升；植物乳杆菌发酵引发代谢重构——消耗上述羟基肉桂酸并将其转化为低分子量衍生物（如原儿茶醛），使总酚含量维持不变的同时令DPPH˙自由基IC₅₀较基底饮料降低49.6%。非靶向代谢组学进一步揭示发酵诱导深层代谢重排，生成含氧脂肪酸、氧脂素(oxylipin, 9-HODE/13-HODE)、溶血磷脂、乳酰化碳水化合物衍生物及外多糖(EPS)片段（为本研究首次在该体系中发现），并上调色氨酸衍生代谢物ILA及磷酸化核苷酸IMP。结果表明植物乳杆菌发酵是燕麦基饮料功能谱调控的有效手段，为其开发功能性植物基饮品提供代谢机制依据。未来需针对性验证所推代谢通路并评价相关生物活性与感官特性。