Welches sind die 4 wichtigsten Trends für die Zukunft der Lebensmittelfermenter?

Mit der Entwicklung der modernen Lebensmittelindustrie spielt der Einsatz von Fermentationsmitteln eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Qualität und der Produktionseffizienz von fermentierten Lebensmitteln, was der Schlüssel zur Standardisierung und Skalierung der industriellen Produktion fermentierter Lebensmittel ist. Ein exzellenter Fermenter sollte nicht nur die Grundfunktion eines Fermenters haben, sondern auch die vielfältigen Funktionen zur Verbesserung der Qualität von Lebensmitteln, wie z. B. Geschmack und Textur, sowie der Ernährung.
In diesem Beitrag geben wir einen Ausblick auf die künftige Entwicklung des Fermentationsmittels, um Ideen und Hinweise für die wissenschaftliche Forschung und Innovation in diesem Bereich zu liefern und sie bei der Vertiefung ihrer wissenschaftlichen Forschung und praktischen Anwendung zu unterstützen.
Biologische Charakterisierung von Fermenterstämmen mit hervorragenden Produktions- und probiotischen Eigenschaften
Lebensmittelfermentation ist der Prozess der Herstellung von Lebensmitteln oder Getränken durch das Wachstum gewünschter Mikroorganismen und die enzymatische Umwandlung von Lebensmittelbestandteilen. Die strukturelle Zusammensetzung der Flora im Fermentationssystem, die produzierten Metaboliten und andere Faktoren bestimmen gemeinsam die Eigenschaften des Endprodukts, wie Textur, Geschmack, Nährwert und Sicherheit.
Die Charakterisierung der biologischen Eigenschaften (z. B. physiologische Eigenschaften, Stoffwechseleigenschaften, Resistenz usw.) der Fermenterstämme kann daher genutzt werden, um die besten Stämme für die Fermentationsproduktion auszuwählen, was zur Optimierung des Fermentationsprozesses und der Entwicklung funktioneller Produkte beitragen kann.
(1) Physiologische Charakterisierung: Dazu gehören die Wachstumsrate des Stammes, die geeignete Temperatur, der pH-Bereich, der Sauerstoffbedarf usw. Die Kenntnis der physiologischen Merkmale des Stammes hilft bei der Bestimmung seines Wachstums und seiner Stoffwechselkapazität unter verschiedenen Bedingungen.
(2) Metabolische Charakterisierung: Untersuchung der Stoffwechselwege, Metaboliten, Enzymsysteme usw. Durch die Analyse der Stoffwechselwege und Metaboliten können die wichtigsten Stoffwechselwege der Stämme und ihre Fähigkeit, das Substrat zu verwerten, sowie die erzeugten nützlichen Metaboliten (z. B. organische Säuren, Vitamine usw.) bestimmt werden.
(3) Analyse der Stresstoleranz: Die Untersuchung der Anpassungsfähigkeit des Stammes an ungünstige Umweltfaktoren wie hohe und niedrige Temperaturen, Säure und Alkalinität, Salzkonzentration usw., um die Stresstoleranz des Stammes zu verstehen, wird dazu beitragen, seine Stabilität in praktischen Anwendungen zu bestimmen.
4) Bewertung der probiotischen Eigenschaften: Wenn dem Stamm probiotische Eigenschaften zugeschrieben werden, wie z. B. die Produktion aktiver Metaboliten, die für die menschliche Gesundheit von Nutzen sind, oder die Fähigkeit, die Darmflora zu regulieren.
Die große Vielfalt und Anzahl von Lebensmittel-Mikroorganismen und die großen Unterschiede in den physiologischen Phänotypen zwischen verschiedenen Stämmen/Kolonien stellen eine große Herausforderung für das Screening von Stämmen mit hervorragenden Eigenschaften dar. Herkömmliche Screening-Methoden können zwar Fermenterstämme mit ausgezeichneten Produktions- und probiotischen Eigenschaften identifizieren, sind aber oft mühsam und ineffizient, so dass dringend gezielte Hochdurchsatz-Screening-Methoden entwickelt werden müssen.
In den letzten Jahren haben Forschungsergebnisse aus renommierten Zeitschriften wie Cell und ihren Unterpublikationen gezeigt, dass die physiologischen Eigenschaften und positiven Wirkungen von Fermenterstämmen eng mit ihren spezifischen funktionellen Genen (Clustern) zusammenhängen, was darauf hindeutet, dass Fermenterstämme mit ausgezeichneten Produktions- und positiven Eigenschaften aus der Perspektive des genetischen Hintergrunds vorhergesagt und gezielt eingesetzt werden können.
Eine eingehende Analyse des genetischen Hintergrunds, der physiologischen Phänotypen und der funktionellen Merkmale verschiedener potenzieller Fermenterstämme sowie die Klärung des Assoziationsmechanismus zwischen charakterisierten Genomen und mikrobiellen hervorragenden Produktions- und Fermentationsmerkmalen können daher Ziele und Wege für ein effizientes Screening hervorragender Fermenterstämme liefern.
So können wir beispielsweise mit UHPLC-QE-MS die Unterschiede in der Fähigkeit verschiedener Stämme analysieren, die Lebensmittelmatrix (z. B. Zucker, Proteine, Fette usw.) zu verstoffwechseln, um Aromastoffe (z. B. Aldehyde, Ketone, Ester usw.) und Nährstoffe (z. B., Aminosäuren, Nukleotide, kurzkettige Peptide usw.) zu produzieren, und analysieren dann die potenziellen Gene (Cluster), Stoffwechselwege und funktionellen Merkmale der Genome, die mit der Produktion spezifischer Metaboliten in den Stämmen zusammenhängen, indem sie die Multi-omics-Kopplung und Bioinformatik nutzen. (Cluster), Stoffwechselwege und Regulierungsmechanismen; weitere Validierung mit CRISPR, homologer Rekombination und anderen Gen-Editing-Technologien, und dann gezielte Suche nach Schlüsselgenen (Clustern), die mit den Produktionsmerkmalen des Stammes zusammenhängen.
Mit Hilfe von In-vitro-Modellen, Tiermodellen und klinischen Versuchen werden die Unterschiede in der spezifischen Wirksamkeit verschiedener Fermenterstämme bewertet und mit Methoden der vergleichenden Genomik kombiniert, um potenzielle funktionelle Gene (Cluster) zu identifizieren, die sich auf die Wirksamkeit des Probiotikums auswirken. Anschließend werden Gen-Knockout-Methoden und sterile Mausmodelle eingesetzt, um funktionelle Gene (Cluster) zu validieren und zu identifizieren, die sich auf die Wirksamkeit der Stämme auswirken, und so ein molekulares Ziel für die effiziente Auswahl und Züchtung von Stämmen mit spezifischer probiotischer Wirksamkeit zu schaffen.
Funktionelle Analyse und molekulare Regulierung von nützlichen Metaboliten in Fermenterstämmen
Eine große Anzahl nützlicher Metaboliten (z. B. γ-Aminobuttersäure, Vitamine usw.), die während der Fermentation von Lebensmitteln entstehen, tragen zur Verbesserung des Nährwerts fermentierter Lebensmittel bei. Die positiven Wirkungen von Metaboliten verschiedener Arten oder Strukturen können erhebliche Unterschiede aufweisen, und ihre Produktion ist stammspezifisch.
Die Analyse der charakteristischen Metaboliten und ihrer Funktionen von Fermenterstämmen sowie die Erforschung der Regulationsmechanismen und molekularen Regulationsgesetze von nützlichen Metaboliten, Bakterien und Substraten können daher eine theoretische Grundlage für die Gewinnung von Stämmen mit hoher Produktion nützlicher Metaboliten bilden.
Auf der Grundlage der genomischen Big Data der Fermentationsstämme wurden Bioinformatiksoftware wie AntiSMASH und BiG-SLiCE verwendet, um die biosynthetischen Gencluster (BGCs) der nützlichen Metaboliten und ihre Bioaktivität in Kombination mit der MIBiG-Datenbank vorherzusagen.
Integrierte Techniken wie Ionenaustausch und Gel-/Affinitätschromatographie wurden eingesetzt, um die charakteristischen Metaboliten zu isolieren und zu reinigen und sie strukturell zu charakterisieren. Das Mengen-Wirkungs-Verhältnis der nützlichen Metaboliten der Fermenterstämme, die ihre Wirksamkeit ausüben, wurde durch die In-vitro-Darm-Simulation und Tierversuche als integriertes funktionelles Bewertungsmodell weiter aufgeklärt.
Durch die Untersuchung der dynamischen Beziehungen zwischen den Bakterien, den nützlichen Metaboliten und den Substraten während des Fermentationsprozesses der Fermenterstämme auf Genom- und Metabolitebene können die funktionellen Gene und Stoffwechselwege, die mit der Synthese und Regulierung der nützlichen Metaboliten zusammenhängen, aufgeklärt werden.
Durch die Konstruktion eines kinetischen Modells des Bakterienwachstums, der Produktbildung und des Substratverbrauchs können wir die Gesetzmäßigkeiten der Regulierung des pH-Werts, des Nährstoffsubstrats und der Coenzyme auf die Synthese von Metaboliten durch die Stämme untersuchen, um so die gezielte Regulierung nützlicher Metaboliten zu realisieren.
Am Beispiel der Akquisition von Stämmen mit hoher GABA-Produktion wurden auf der Grundlage der Genomdaten die Gad-Manipulatoren, die mit der GABA-Synthese der Stämme in Zusammenhang stehen, durch vergleichende Genomik identifiziert, darunter gadA und gadB, die Schlüsselgene für die GABA-Biosynthese, sowie das Gen, das für die Funktion des GABA-Transports in der Zellmembran verantwortlich ist, gadC; Es wurde festgestellt, dass Lactobacillus shortus der einzige Lactobacillus-Stamm ist, der durch die Genomanalyse vollständige gad-Manipulatoren trägt. Manipulator trägt. In vitro-Tests zeigten, dass Lactobacillus casei NCL912 (205,8±8,0) g/L GABA produzierte, während Lactobacillus plantarum KCTC3103, der den Manipulator nicht besitzt, nur 0,67 g/L produzierte. Die Ergebnisse des In-vitro-Tests zeigten, dass Lactobacillus casei NCL912 der einzige Stamm von Lactobacillus plantarum mit einem vollständigen Gad-Manipulator war.
Darüber hinaus wurde die Wirkung verschiedener Konzentrationen (0, 10, 20, 30, 40, 50 und 100 μmol/L) von Pyridoxalphosphat (PLP) auf die GABA-Produktion durch Lactobacillus shortum RK03 untersucht, und es wurde festgestellt, dass die höchste GABA-Produktion bei PLP-Konzentrationen von 10 μmol/L und 20 μmol/L im Kulturmedium erreicht wurde.
Analyse der stofflichen Grundlagen für die Symbiose und die synergistische Wirkung komplexer Fermenterstammgruppen
Symbiose und Synergie komplexer Fermenterstämme können das Wachstum von Bakterien fördern, die Produktion von Metaboliten optimieren und so die Gesamteffizienz der Fermentierung und die Lebensmittelqualität verbessern sowie die Stabilität des Produkts durch Aufrechterhaltung der Stabilität der mikrobiellen Gemeinschaft erhöhen.
Die materielle Grundlage der Symbiose und der Synergie zwischen den Stämmen der Verbundfermenter umfasst verschiedene biochemische und mikrobiologische Mechanismen, zu denen vor allem die folgenden gehören:
(1) Komplementäre Stoffwechselwege: Verschiedene Stämme können über unterschiedliche Stoffwechselwege und Enzymsysteme verfügen, die sich bei der Umwandlung von Substraten und der Produktion von Metaboliten gegenseitig ergänzen und so die gesamte Stoffwechselkapazität erhöhen.
2) Gegenseitige Nutzung von Metaboliten: Die Metaboliten, die bei der Zersetzung von Substraten durch bestimmte Stämme entstehen, können die Substrate sein, die für das Wachstum anderer Stämme erforderlich sind, und diese symbiotische Beziehung fördert die vollständige Nutzung von Substraten und reduziert die Anhäufung von Metaboliten.
(3) Enzymsynergie: Die von verschiedenen Bakterienstämmen abgesonderten Enzyme können komplementäre Funktionen haben und beim Abbau oder der Umwandlung von Substraten zusammenarbeiten, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
(4) Symbiotischer Stoffaustausch: Verschiedene Bakterienstämme können über die Sekretion von Stoffen oder interzelluläre Verbindungsstrukturen Stoffe wie Nährstoffe, Signalmoleküle usw. austauschen, und dieser symbiotische Austausch fördert die gegenseitige Koordination und Wachstumsregulierung zwischen den Stämmen.
(5) Regulierung von Umweltfaktoren: Die symbiotische Beziehung kann die Anpassungsfähigkeit der Stämme an Umweltfaktoren verbessern, z. B. können bestimmte Stämme antioxidative Substanzen oder Tenside produzieren, die anderen Stämmen helfen, sich besser an Umweltstress anzupassen.
Die Gruppensymbiose und der Synergismus der zusammengesetzten Fermenterstämme hängen hauptsächlich von den positiven Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen ab, wie z. B. Kreuzfütterung, Gruppensensibilität und so weiter.
1) Kreuzfütterung. Cross-feeding bezieht sich auf die metabolische Wechselbeziehung, bei der Bakterienstämme Metaboliten, die von anderen Bakterienstämmen abgesondert werden (einschließlich Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, Aminosäuren, Vitamine und andere Wachstumsfaktoren), zur Förderung ihres eigenen Wachstums nutzen.
Die synergistische Symbiose zwischen Lactobacillus bulgaricus und Streptococcus thermophilus während der Milchfermentation ist ein typisches Kreuzfütterungsmuster. Streptococcus thermophilus hat eine schwache Fähigkeit zum Kaseinabbau durch Protease (prtS) und kann nicht genügend Aminosäuren für das Wachstum direkt aus dem Milchsystem gewinnen, während Lactobacillus bulgaricus eine starke Fähigkeit zur Proteinhydrolyse aufweist, die Streptococcus thermophilus mit den für das Wachstum erforderlichen Aminosäuren (wie Histidin, Methionin und Prolin), kleinen Molekülpeptiden usw. versorgen kann, wohingegen der Großteil von Lactobacillus bulgaricus kein Pyruvat-Formiat spaltendes Enzym sowie keine Enzyme besitzt, die mit der Folatsynthese zusammenhängen, und daher nicht in der Lage ist, Folat, Formiat und Pyridin usw. zu synthetisieren, die für das Wachstum des Stammes erforderlich sind.
Streptococcus thermophilus besitzt eine hohe Pyruvat-Formiat-Lyase-Aktivität sowie einen intakten Folatsyntheseweg, der Lactobacillus bulgaricus mit diesen essenziellen Stoffen versorgen kann.
2) Gruppeninduktion. Group Sensing ist ein Phänomen der Stamm/Stammgruppen-Kommunikation, das durch Selbstinduktoren vermittelt wird. Bestimmte Mikroorganismen produzieren Signalmoleküle und geben sie in die Umwelt ab, die, wenn ihre Konzentration einen bestimmten Schwellenwert erreicht, Zellen dazu veranlassen, auf die Signalmoleküle zu reagieren, die wiederum gezielt die nachgeschaltete Genexpression aktivieren. Diese Art der Interaktion beeinflusst die Beziehungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften.
Solche Signalmoleküle variieren in verschiedenen Stämmen, wie z. B. N-Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) in Gram-negativen Bakterien, selbstinduzierende Peptide (Streptococcus lactis Peptid, Phytolactobacillusin usw.) und Furoseborylboronat in Gram-positiven Bakterien, und bei den in Hefe nachgewiesenen Signalmolekülen handelt es sich hauptsächlich um aromatische Alkohole wie Farnesol, Tryptophanol und Tyrosol.
Diese Signalmoleküle, die durch Gruppensensitivität vermittelt werden, spielen eine wichtige Rolle bei der Interaktion zwischen den Fermentern, indem sie die zelluläre Autolyse fördern, die Belastungstoleranz des Stammes durch Umweltstress erhöhen usw. So wurde z. B. gezeigt, dass AI-2 die Interaktion mit Lactobacillus bulgaricus verbessert, indem es die Säuretoleranz und die metabolische Rate von Streptococcus thermophilus erhöht.
Da jeder Stamm über ein einzigartiges Stoffwechselpotenzial verfügt, das sich in Art, Menge und Zeitpunkt der Metabolitenproduktion unterscheidet, hängen das Vorhandensein und die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Stämmen des Verbundfermenters von der spezifischen Kombination der Stämme ab.
Zukünftige Forschungen werden die Technologie der künstlichen Intelligenz nutzen, um ein Multi-Stamm-Co-Fermentations-Symbiose-Netzwerk aufzubauen, kombiniert mit Transkriptomik, Metabolomik und anderen Mitteln, um die Regulierung der Genexpression, charakteristische Metaboliten, Signalmoleküle und andere Regeln der Materialveränderung im Prozess der Co-Fermentation verschiedener Arten von Stämmen zu analysieren und die materielle Basis der Gruppensymbiose und des synergistischen Effekts von zusammengesetzten Lebensmittelfermentern auf der Grundlage von Gruppensensibilität, Kreuzfütterung und anderen Interaktionen zu erforschen, um eine theoretische Grundlage für die Forschung und die Schaffung ausgezeichneter zusammengesetzter Fermenter zu schaffen. Schaffung einer theoretischen Grundlage für die Erforschung und Entwicklung hervorragender Verbundfermenter.
Mechanismus der Qualitätsbildung und richtungsweisende Regulierung von fermentierten Speziallebensmitteln
Der Prozess der Qualitätsbildung bei fermentierten Spezialitäten ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen Proteine, Lipide und Kohlenhydrate in der Lebensmittelmatrix verstoffwechseln, um einzigartige Aromen und Nährstoffe zu erzeugen, und die Vielfalt der Mikroorganismen und ihrer Stoffwechselprodukte ist der Hauptfaktor, der diesen Prozess beeinflusst.
Um die Qualität von fermentierten Spezialitäten gezielt steuern zu können, muss zunächst der Mechanismus der Qualitätsbildung von fermentierten Spezialitäten unter natürlichen Beimpfungsbedingungen geklärt werden, d.h. wie die fermentierenden Mikroorganismen einzigartige mikrobielle Gemeinschaften bilden und diese gezielt verstoffwechseln.
Zweitens: Da die ursprüngliche mikrobielle Gemeinschaft in fermentierten Lebensmitteln durch hohe Komplexität, geringe Stabilität und funktionelle Redundanz gekennzeichnet ist, was leicht zu Qualitätsschwankungen bei fermentierten Produkten führen kann, ist die Konstruktion eines zusammengesetzten Fermenters durch die Auswahl und Rekombination charakteristischer mikrobieller Stämme für die Fermentation unerlässlich, um die gezielte Regulierung der Qualität fermentierter Lebensmittel zu verbessern.
Der Mechanismus der Qualitätsbildung und die Richtungsbestimmung bei fermentierten Lebensmitteln hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Auswahl der Rohstoffe, der Fermentationsstämme, der Fermentationsbedingungen und der Produktionsprozesse.
(1) Auswahl der Stämme: Der Stamm von fermentierten Lebensmitteln ist einer der Schlüsselfaktoren, die die Qualität beeinflussen, und die Auswahl geeigneter Fermentationsstämme kann den Geschmack, die Textur und die Nährstoffzusammensetzung des Lebensmittels durch seine Metaboliten, sein Enzymsystem und andere Eigenschaften regulieren; die Art und der Anteil der Stämme beeinflussen die Metaboliten und ihre Wechselwirkungen während des Fermentationsprozesses, was wiederum die Qualität des Endprodukts beeinflusst.
(2) Fermentationsbedingungen: Die Kontrolle der Fermentationsbedingungen ist der Schlüssel zur Regulierung der Qualität fermentierter Lebensmittel. Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert, Sauerstoffgehalt und andere Faktoren beeinflussen das Wachstum und die Stoffwechselaktivität der Stämme, was sich wiederum auf die Textur, den Geschmack, die Nährstoffzusammensetzung usw. des Produkts auswirkt.
(3) Arten von Rohstoffen: verschiedene Rohstoffe haben unterschiedliche Zusammensetzung und Eigenschaften, die auch einen wichtigen Einfluss auf die Qualität der fermentierten Lebensmitteln, die Auswahl von hochwertigen Rohstoffen, und nach den unterschiedlichen Anforderungen der Gärung für die Verarbeitung und Behandlung, kann das Produkt verbessern Geschmack, Farbe, Aroma und so weiter.
(4) Fermentationshilfsmittel: einigen speziellen fermentierten Lebensmitteln müssen Fermentationshilfsmittel wie Hefe, Laktobazillus, Aspergillus usw. zugesetzt werden, um den Fermentationsprozess zu fördern und die Qualität des Produkts zu regulieren; eine vernünftige Wahl der Art und des Anteils des Fermentationsmittels kann die geschmacklichen Eigenschaften und die Nährstoffzusammensetzung des Produkts verbessern.
(5) Gärung Prozesskontrolle: enge Kontrolle der Gärung ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Produktqualität, einschließlich der Gärung Zeit, Gärung Temperatur, Rührgeschwindigkeit und andere Parameter der Regulierung, wirkt sich auf den Grad der Gärung und die endgültige Qualität des Produkts.
(6) Dynamische Regulierung der mikrobiellen Gemeinschaft: die dynamische Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft von fermentierten Lebensmitteln hat einen wichtigen Einfluss auf die Produktqualität, durch die vernünftige Gestaltung des Fermentationsprozesses kann die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in verschiedenen Phasen kontrolliert werden, um so die gerichtete Regulierung der Produktqualität zu realisieren.
Bei der gezielten Regulierung der Qualität von fermentierten Lebensmitteln auf der Grundlage von Lebensmittelfermentationsmitteln besteht die erste Aufgabe darin, die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften und ihre Funktionen sowie die Sukzessionsgesetze dieser Gemeinschaften in fermentierten Lebensmitteln im Rahmen einer gemeinsamen Multi-omics-Analyse eingehend zu untersuchen.
Mit Hilfe einer eingehenden Analyse der Wechselwirkungen zwischen Enzym-, Bakterien- und Stoffsystemen soll der Zusammenhang zwischen der zentralen funktionellen Mikrobiota und der Lebensmittelqualität aufgezeigt werden.
Auf dieser Grundlage wurden die Umweltfaktoren (z. B. Feuchtigkeit, pH-Wert, Sauerstoff und Temperatur usw.) und die biologischen Faktoren (z. B. anfängliche mikrobielle Häufigkeit, Latenzzeit und mikrobielle Interaktionen usw.), die die durch Kompositfermentation vermittelte Lebensmittelfermentation beeinflussen, untersucht, und das optimale Zusammensetzungsverhältnis der rekombinanten Kompositfermenterstämme und die optimalen Umweltfaktoren wurden durch simulierte Fermentation und mathematische Modellierung analysiert.
Wang et al. nutzten die 16SrRNA-Sequenzierungstechnologie und die Non-Target-Metabolomics-Technologie in Kombination mit statistischen Methoden wie der Korrelationsanalyse, um die Kernmikrobiota zu identifizieren, die während der Weißweinfermentation bestimmte Geschmacksstoffe produzieren, und reproduzierten die Geschmacksstoffe bei der Weißweinfermentation durch rekombinante zusammengesetzte Fermenterstämme, wodurch die gezielte Regulierung der Aromen fermentierter Lebensmittel möglich wurde. Diese Errungenschaft zeigt nicht nur das Potenzial einer gezielten Regulierung der Qualität fermentierter Lebensmittel, sondern bringt auch neue Forschungsideen und technische Wege in den Bereich der Lebensmittelwissenschaft.
Eine umfassende Analyse der neuesten nationalen und internationalen Studien zeigt, dass Milchsäurebakterien-Fermenter im Mittelpunkt der Forschung im Bereich der Lebensmittelfermentation stehen. Das Screening von Fermenterstämmen mit ausgezeichneten Produktions- und probiotischen Eigenschaften und die Entwicklung von synergistischen Multi-Stamm-Verbundfermentern sind die Entwicklungstrends in der Lebensmittelfermentationsindustrie.