Hvad er de 4 vigtigste tendenser i fremtiden for fødevarefermentorer?

Med udviklingen af den moderne fødevareindustri spiller brugen af fermenteringsmiddel en vigtig rolle i forbedringen af kvaliteten og fremstillingseffektiviteten af fermenterede fødevarer, hvilket er nøglen til at realisere standardiseringen og omfanget af den industrielle produktion af fermenterede fødevarer. En fremragende fermentor bør ikke kun have den grundlæggende aktivitet af en fermentor, men også have de diversificerede funktioner til at forbedre kvaliteten af fødevarer såsom smag og tekstur samt ernæring.
I denne artikel ser vi frem til den fremtidige udviklingstendens for fermenteringsmiddel for at give ideer og reference til relaterede forskeres videnskabelige forskning og innovation og hjælpe dem med at uddybe deres videnskabelige forskningsinnovation og praktiske anvendelse.
Biologisk karakterisering af fermenterstammer med fremragende produktion og probiotiske egenskaber
Fermentering af fødevarer er processen med at producere fødevarer eller drikkevarer gennem vækst af ønskede mikroorganismer og enzymatisk omdannelse af fødevarekomponenter, og den strukturelle sammensætning af floraen i fermenteringssystemet, de producerede metabolitter og andre faktorer bestemmer tilsammen slutproduktets egenskaber, som f.eks. tekstur, smag, ernæring og sikkerhed.
Derfor kan karakteriseringen af biologiske egenskaber (såsom fysiologiske egenskaber, metaboliske egenskaber, resistens osv.) af fermenterstammerne bruges til bedre at screene de fremragende stammer til fermenteringsproduktion, hvilket kan hjælpe med at optimere fermenteringsprocessen og udviklingen af funktionelle produkter.
(1) Fysiologisk karakterisering: herunder stammens væksthastighed, passende temperatur, pH-område, iltbehov osv. Forståelse af stammens fysiologiske egenskaber hjælper med at bestemme dens vækst og metaboliske kapacitet under forskellige forhold.
(2) Metabolisk karakterisering: Undersøgelse af metaboliske veje, metabolitter, enzymsystemer osv. Gennem analyse af metaboliske veje og metabolitter kan stammernes vigtigste metaboliske veje og deres evne til at udnytte substratet og de gavnlige metabolitter, der produceres (f.eks. organiske syrer, vitaminer osv.), bestemmes.
(3) Analyse af stresstolerante egenskaber: Undersøgelsen af stammens evne til at tilpasse sig ugunstige miljøfaktorer, såsom høj temperatur, lav temperatur, surhed og alkalinitet, saltkoncentration osv. for at forstå stammens stresstolerante egenskaber vil hjælpe med at bestemme dens stabilitet i praktiske anvendelser.
4) Evaluering af probiotiske egenskaber: Hvis stammen anses for at have probiotiske egenskaber, såsom produktion af aktive metabolitter, der er gavnlige for menneskers sundhed, evnen til at regulere tarmfloraen.
Den store variation og antallet af fødevaremikroorganismer og de store forskelle i fysiologiske fænotyper mellem forskellige stammer/kolonier udgør en stor udfordring for screening af stammer med fremragende egenskaber. Selvom traditionelle screeningsmetoder kan identificere fermenterstammer med fremragende produktions- og probiotiske egenskaber, er de ofte besværlige og ineffektive, og der er et presserende behov for at etablere målrettede screeningsmetoder med høj gennemstrømning.
I de senere år har forskningsresultater fra toptidsskrifter som Cell og dets underpublikationer vist, at de fysiologiske egenskaber og gavnlige virkninger af fermenterstammer er tæt forbundet med deres specifikke funktionelle gener (klynger), hvilket tyder på, at fermenterstammer med fremragende produktion og gavnlige egenskaber kan forudsiges og målrettes ud fra den genetiske baggrund.
Derfor kan en dybdegående analyse af den genetiske baggrund, fysiologiske fænotyper og funktionelle egenskaber hos forskellige potentielle fermenteringsstammer og afklaring af forbindelsesmekanismen mellem karakteriserede genomer og mikrobielle fremragende produktions- og fermenteringsegenskaber give mål og retninger for effektiv screening af fremragende fermenteringsstammer.
For eksempel kan vi bruge UHPLC-QE-MS til at analysere forskellene i forskellige stammers evne til at metabolisere fødevarematrix (f.eks. sukker, proteiner, fedt osv.) for at producere smagsstoffer (f.eks. aldehyder, ketoner, estere osv.) og næringsstoffer (f.eks, aminosyrer, nukleotider, kortkædede peptider osv.), og derefter analysere de potentielle gener (klynger), metaboliske veje og funktionelle egenskaber ved genomerne, der er relateret til specifik metabolitproduktion i stammerne ved hjælp af multi-omics-kobling og bioinformatik. (klynger), metaboliske veje og reguleringsmekanismer; yderligere validering ved hjælp af CRISPR, homolog rekombination og andre genredigeringsteknologier, og derefter målretning mod nøglegener (klynger) relateret til stammens produktionsegenskaber.
Gennem in vitro-modeller, dyremodeller og kliniske forsøg for at vurdere forskellene i specifik effekt af forskellige fermenterstammer og kombinere med komparative genomiske metoder for at identificere potentielle funktionelle gener (klynger), der påvirker effekten af probiotika, og derefter bruge genknockout-metoder og sterile musemodeller til at validere og identificere funktionelle gener (klynger), der påvirker effekten af stammerne, og dermed give et molekylært mål for effektiv udvælgelse og avl af stammer med specifik probiotisk effekt.
Funktionel analyse og molekylær regulering af gavnlige metabolitter i fermenterstammer
Et stort antal gavnlige metabolitter (f.eks. γ-aminosmørsyre, vitaminer osv.), der produceres under fermentering af fødevarer, er gavnlige for at forbedre den ernæringsmæssige værdi af fermenterede fødevarer. De gavnlige virkninger af metabolitter af forskellige typer eller strukturer kan udvise betydelige forskelle, og deres produktion er stammespecifik.
Derfor kan analyse af de karakteristiske metabolitter og deres funktioner i fermenterstammer og udforskning af reguleringsmekanismer og molekylære reguleringslove for gavnlige metabolitter, bakterier og substrater give et teoretisk grundlag for udvinding af stammer med høj produktion af gavnlige metabolitter.
Baseret på de genomiske big data fra fermenteringsstammer blev bioinformatiksoftware som AntiSMASH og BiG-SLiCE brugt til at forudsige de biosyntetiske genklynger (BGC'er) af gavnlige metabolitter og deres bioaktiviteter i kombination med MIBiG-databasen.
Integrerede teknikker som ionbytning og gel/affinitetskromatografi blev brugt til at isolere og oprense de karakteristiske metabolitter og karakterisere dem strukturelt, og forholdet mellem kvantitet og effekt af de gavnlige metabolitter fra fermenterstammerne, der udøvede deres virkning, blev yderligere belyst ved in vitro-tarmsimulering og dyreforsøg som en integreret funktionel evalueringsmodel.
Ved at udforske det dynamiske forhold mellem bakterier, gavnlige metabolitter og substrater under fermenteringsprocessen af fermenterstammerne på genom- og metabolitniveau kan de funktionelle gener og metaboliske veje, der er relateret til syntese og regulering af gavnlige metabolitter, desuden afklares.
Ved at konstruere en kinetisk model for bakterievækst, produktgenerering og substratforbrug kan vi undersøge reguleringslovene for pH, næringssubstrat og coenzymer på stammernes syntese af metabolitter, så vi kan realisere den målrettede regulering af gavnlige metabolitter.
Ved at tage erhvervelsen af høj GABA-producerende stammer som et eksempel, baseret på de genomiske data, blev gad-manipulatorerne relateret til GABA-syntese af stammerne identificeret ved komparativ genomik, herunder gadA og gadB, nøglegenerne for GABA-biosyntese, såvel som genet, der er ansvarlig for funktionen af GABA-transport i cellemembranen, gadC; Det blev bestemt, at Lactobacillus shortus var den eneste stamme af Lactobacillus, der bærer komplette gad-manipulatorer gennem den genomiske analyse. manipulator. In vitro-tests viste, at Lactobacillus casei NCL912 producerede (205,8±8,0) g/L GABA, mens Lactobacillus plantarum KCTC3103, som ikke har manipulatoren, kun producerede 0,67 g/L. Resultaterne af in vitro-analysen viste, at Lactobacillus casei NCL912 var den eneste stamme af Lactobacillus plantarum med en komplet gad-manipulator.
Derudover blev effekten af forskellige koncentrationer (0, 10, 20, 30, 40, 50 og 100 μmol/L) af pyridoxalfosfat (PLP) på GABA-produktion af Lactobacillus shortum RK03 undersøgt, og det blev konstateret, at den højeste GABA-produktion blev opnået ved PLP-koncentrationer på 10 μmol/L og 20 μmol/L i kulturmediet.
Analyse af det materielle grundlag for symbiosen og den synergistiske effekt af komplekse fermenterstammegrupper
Symbiose og synergi mellem komplekse fermenterstammer kan fremme væksten af bakterier, optimere produktionen af metabolitter og dermed forbedre den samlede fermenteringseffektivitet og fødevarekvalitet og også forbedre produktets stabilitet ved at opretholde stabiliteten i det mikrobielle samfund.
Det materielle grundlag for symbiose og synergi mellem sammensatte fermenterstammer involverer forskellige biokemiske og mikrobiologiske mekanismer, der hovedsageligt omfatter følgende:
(1) Komplementære metaboliske veje: Forskellige stammer kan have forskellige metaboliske veje og enzymsystemer, og disse veje supplerer hinanden i substratomdannelse og metabolitproduktion og øger dermed den samlede metaboliske kapacitet.
2) Gensidig brug af metabolitter: De metabolitter, der genereres ved visse stammers nedbrydning af substrater, kan være de substrater, der er nødvendige for andre stammers vækst, og dette symbiotiske forhold fremmer den fuldstændige udnyttelse af substrater og reducerer ophobningen af metabolitter.
(3) Enzymsynergi: De enzymer, der udskilles af forskellige bakteriestammer, kan have komplementære funktioner og arbejde sammen i nedbrydningen eller omdannelsen af substrater og dermed fremskynde reaktionshastigheden.
(4) Symbiotisk stofudveksling: Forskellige bakteriestammer kan udveksle stoffer, såsom næringsstoffer, signalmolekyler osv. gennem udskillelse af stoffer eller intercellulær forbindelsesstruktur, og denne symbiotiske udveksling fremmer den gensidige koordinering og vækstregulering mellem stammerne.
(5) Regulering af miljøfaktorer: Det symbiotiske forhold kan gøre stammernes tilpasningsevne til miljøfaktorer bedre, f.eks. kan visse stammer producere antioxidanter eller overfladeaktive stoffer for at hjælpe andre stammer med bedre at tilpasse sig miljøstress.
Sammensatte fermenterstammer gruppesymbiose og synergisme afhænger hovedsageligt af positive interaktioner mellem mikroorganismer, såsom krydsfodring, gruppesansning og så videre.
1) Krydsfodring. Cross-feeding henviser til det metaboliske inter-feeding-forhold, hvor bakteriestammer/stammer udnytter metabolitter, der udskilles af andre bakteriestammer/stammer (herunder kulstofkilder, kvælstofkilder, aminosyrer, vitaminer og andre vækstfaktorer) for at fremme deres egen vækst.
Den synergistiske symbiose mellem Lactobacillus bulgaricus og Streptococcus thermophilus kompositfermentor under mælkefermentering er et typisk krydsfodringsmønster. Streptococcus thermophilus har en svag kaseinnedbrydningsevne af protease (prtS), og den kan ikke få nok aminosyrer til vækst direkte fra mælkesystemet, mens Lactobacillus bulgaricus udviser stærk proteinhydrolyseevne, som kan give Streptococcus thermophilus de aminosyrer, der kræves til vækst (såsom histidin, methionin og prolin), små molekylepeptider osv, mens det meste af Lactobacillus bulgaricus mangler pyruvat-format-spaltende enzym samt enzymer relateret til folatsyntese og derfor ikke er i stand til at syntetisere folat, formiat og pyridin etc., som er nødvendige for stammens vækst.
Streptococcus thermophilus har en høj pyruvat-format-lyaseaktivitet samt en intakt folatsyntesevej, som kan forsyne Lactobacillus bulgaricus med disse vigtige stoffer.
2) Gruppeinduktion. Gruppesensing er et fænomen med kommunikation mellem stammer og grupper af stammer, som medieres af selvinducerende stoffer. Visse mikroorganismer producerer signalmolekyler og frigiver dem i miljøet, som, når deres koncentration når en vis tærskel, vil få celler til at reagere på signalmolekylerne, som til gengæld specifikt aktiverer downstream-genekspression. Denne form for interaktion påvirker forholdet mellem mikrobielle samfund.
Sådanne signalmolekyler varierer i forskellige stammer, såsom N-acyl-homoserinlakton (AHL), der findes i gramnegative bakterier, selvinducerende peptider (Streptococcus lactis-peptid, phytolactobacillusin osv.) og furoseborylboronat i gram-positive bakterier, og signalmolekyler, der opdages i gær, er hovedsageligt aromatiske alkoholer såsom farnesol, tryptophanol og tyrosol, blandt andre stoffer.
Disse signalmolekyler med gruppesensing spiller en vigtig rolle i fermentorinteraktioner ved at fremme cellulær autolyse, øge stammens miljømæssige stresstolerance osv. F.eks. viste AI-2 sig at forbedre interaktionen med Lactobacillus bulgaricus ved at øge syretolerancen og den metaboliske hastighed for Streptococcus thermophilus.
Da hver stamme har et unikt metabolisk potentiale med forskelle i typen, mængden og timingen af metabolitproduktionen, afhænger tilstedeværelsen og styrken af interaktioner mellem sammensatte fermenterstammer af den specifikke kombination af stammer.
Fremtidig forskning vil bruge kunstig intelligens-teknologi til at opbygge et metabolisk symbiosenetværk med flere stammer, kombineret med transkriptomik, metabolomik og andre midler til at analysere reguleringen af genekspression, karakteristiske metabolitter, signalmolekyler og andre materielle ændringsregler i processen med samfermentering af forskellige arter af stammer og til at udforske det materielle grundlag for gruppesymbiose og synergistisk effekt af sammensatte fødevarefermentorer baseret på gruppesensorik, krydsfodring og andre interaktioner for at give et teoretisk grundlag for forskning og skabelse af fremragende sammensatte fermentorer. At tilvejebringe et teoretisk grundlag for forskning i og skabelse af fremragende kompositfermentorer.
Kvalitetsdannelsesmekanisme og retningsbestemt regulering af specialfermenterede fødevarer
Kvalitetsdannelsesprocessen for specialfermenterede fødevarer er en proces, hvor mikroorganismer metaboliserer proteiner, lipider og kulhydrater i fødevarematrixen for at producere unikke smagsstoffer og næringsstoffer, og mangfoldigheden af mikroorganismer og deres metabolitter er den centrale faktor, der påvirker denne proces.
For at realisere den målrettede regulering af kvaliteten af specialfermenterede fødevarer er det for det første nødvendigt at afklare kvalitetsdannelsesmekanismen for specialfermenterede fødevarer under naturlige podningsforhold, dvs. hvordan de fermenterende mikroorganismer danner unikke mikrobielle samfund og metaboliserer dem præcist.
Da det oprindelige mikrobielle samfund i fermenterede fødevarer har manglerne høj kompleksitet, dårlig stabilitet og funktionel redundans, som let forårsager udsving i fermenteret produktkvalitet, er det vigtigt at konstruere en sammensat fermentor gennem udvælgelse og rekombination af karakteristiske mikrobielle stammer til fermentering for at forbedre den målrettede regulering af fermenteret fødevarekvalitet.
Kvalitetsdannelsesmekanismen og den retningsbestemte regulering af fermenterede fødevarer involverer en række faktorer, herunder valg af råvarer, fermenteringsstammer, fermenteringsbetingelser og produktionsprocesser.
(1) Valg af stamme: Stammen af fermenteret mad er en af de vigtigste faktorer, der påvirker kvaliteten, og valget af passende fermenteringsstammer kan regulere madens smag, tekstur og ernæringsmæssige sammensætning gennem dens metabolitter, enzymsystem og andre egenskaber; typen og andelen af stammer vil påvirke metabolitterne og deres interaktioner under fermenteringsprocessen, hvilket igen påvirker kvaliteten af det endelige produkt.
(2) Fermenteringsforhold: Kontrol af fermenteringsforhold er nøglen til at regulere kvaliteten af fermenterede fødevarer, herunder temperatur, fugtighed, pH, iltindhold og andre faktorer vil påvirke stammernes vækst og metaboliske aktivitet, hvilket igen påvirker produktets tekstur, smag, næringsstofsammensætning osv.
(3) Typer af råvarer: forskellige råvarer har forskellig sammensætning og egenskaber, hvilket også vil have en vigtig indvirkning på kvaliteten af fermenteret mad, valg af råvarer af høj kvalitet og i henhold til de forskellige krav i fermenteringsprocessen til forarbejdning og behandling, kan forbedre produktets smag, farve, aroma og så videre.
(4) Hjælpefermenteringsmiddel: nogle specielle fermenterede fødevarer skal tilsættes hjælpefermenteringsmiddel, såsom gær, lactobacillus, Aspergillus osv. for at fremme fermenteringsprocessen og regulere produktets kvalitet; et rimeligt valg af type og andel af fermenteringsmidlet kan forbedre produktets egenskaber med hensyn til smag og næringssammensætning.
(5) Kontrol af fermenteringsprocessen: Tæt kontrol af fermenteringsprocessen er nøglen til at sikre produktkvaliteten, herunder fermenteringstid, fermenteringstemperatur, omrøringshastighed og andre parametre i reguleringen, vil påvirke fermenteringsgraden og den endelige kvalitet af produktet.
(6) Dynamisk regulering af det mikrobielle samfund: Den dynamiske ændring af det mikrobielle samfund i fermenterede fødevarer har en vigtig indvirkning på produktkvaliteten, og gennem et fornuftigt design af fermenteringsprocessen kan man kontrollere sammensætningen af det mikrobielle samfund på forskellige stadier for at realisere den retningsbestemte regulering af produktkvaliteten.
For at realisere den målrettede regulering af kvaliteten af specialfermenterede fødevarer baseret på fødevaregæringsmidler er den første opgave at udforske strukturen af mikrobielle samfund og deres funktioner samt successionslovene for disse samfund i specialfermenterede fødevarer inden for rammerne af fælles multi-omics-analyse.
Ved hjælp af en dybdegående analyse af interaktionerne mellem enzym-, bakterie- og stofsystemer vil sammenhængen mellem den centrale funktionelle mikrobiota og fødevarekvaliteten blive afsløret.
På dette grundlag blev de miljømæssige faktorer (f.eks. fugtighed, pH, ilt og temperatur osv.) og biologiske faktorer (f.eks. indledende mikrobiel overflod, latenstid og mikrobielle interaktioner osv.), der påvirker kompositfermenteringsmedieret fødevarefermentering, udforsket, og det optimale sammensætningsforhold mellem rekombinante kompositfermenterstammer og optimale miljøfaktorer blev analyseret ved simuleret fermentering og matematisk modellering.
Wang et al. brugte 16SrRNA-sekventeringsteknologi, non-target metabolomics-teknologi kombineret med statistiske metoder som korrelationsanalyse til at identificere den kernemikrobiota, der producerer specifikke smagsforbindelser under hvidvinsfermentering, og reproducerede smagsforbindelserne i hvidvinsfermentering med de rekombinante sammensatte fermenterstammer, som realiserede den målrettede regulering af fermenterede fødevaresmage. Denne præstation viser ikke kun potentialet i retningsbestemt regulering af fermenteret fødevarekvalitet, men bringer også nye forskningsideer og tekniske veje til fødevarevidenskaben.
En omfattende analyse af de seneste nationale og internationale undersøgelser viser, at mælkesyrebakteriefermentorer er kernen i forskningen inden for fødevarefermentering. Screening af fermenterstammer med fremragende produktions- og probiotiske egenskaber og udvikling af synergistiske kompositfermentorer med flere stammer er udviklingstendenserne i fødevarefermenteringsindustrien.