¿Cuáles son las 4 tendencias principales en el futuro de los fermentadores alimentarios?

Con el desarrollo de la industria alimentaria moderna, el uso de agentes de fermentación desempeña un papel importante en la mejora de la calidad y la eficiencia de fabricación de alimentos fermentados, que es la clave para realizar la normalización y la escala de la producción industrial de alimentos fermentados. Un excelente fermentador no sólo debe tener la actividad básica de un fermentador, sino que también debe tener las funciones diversificadas de mejora de la calidad de los alimentos, como el sabor y la textura, así como la nutrición.
En este documento, esperamos con interés la futura tendencia de desarrollo del agente de fermentación, con el fin de proporcionar ideas y referencias para la investigación científica y la innovación de los investigadores relacionados, y ayudarles a profundizar en la innovación de la investigación científica y la aplicación práctica.
Caracterización biológica de cepas fermentadoras con excelente producción y propiedades probióticas
La fermentación alimentaria es el proceso de producción de alimentos o bebidas mediante el crecimiento de los microorganismos deseados y la conversión enzimática de los componentes de los alimentos. La composición estructural de la flora del sistema de fermentación, los metabolitos producidos y otros factores determinan colectivamente las propiedades del producto final, como la textura, el sabor, la nutrición y la seguridad.
Por lo tanto, la caracterización de las propiedades biológicas (como las propiedades fisiológicas, las propiedades metabólicas, la resistencia, etc.) de las cepas fermentadoras puede utilizarse para seleccionar mejor las cepas excelentes para la producción de fermentación, lo que puede ayudar a optimizar el proceso de fermentación y el desarrollo de productos funcionales.
(1) Caracterización fisiológica: incluye la tasa de crecimiento de la cepa, la temperatura adecuada, el intervalo de pH, la demanda de oxígeno, etc. Comprender las características fisiológicas de la cepa ayuda a determinar su crecimiento y capacidad metabólica en diferentes condiciones.
(2) Caracterización metabólica: estudio de las vías metabólicas, metabolitos, sistemas enzimáticos, etc. Mediante el análisis de las rutas metabólicas y los metabolitos, se pueden determinar las principales rutas metabólicas de las cepas y su capacidad para utilizar el sustrato y los metabolitos beneficiosos producidos (por ejemplo, ácidos orgánicos, vitaminas, etc.).
(3) Análisis de las características de tolerancia al estrés: el estudio de la capacidad de la cepa para adaptarse a factores ambientales desfavorables, como alta temperatura, baja temperatura, acidez y alcalinidad, concentración de sal, etc., para comprender las características de tolerancia al estrés de la cepa ayudará a determinar su estabilidad en aplicaciones prácticas.
4) Evaluación de las propiedades probióticas: Si se considera que la cepa tiene propiedades probióticas, como la producción de metabolitos activos beneficiosos para la salud humana, la capacidad de regular la flora intestinal.
La gran variedad y número de microorganismos alimentarios y las grandes diferencias en los fenotipos fisiológicos entre las distintas cepas/colonias plantean un gran reto para el cribado de cepas con excelentes propiedades. Aunque los métodos de cribado tradicionales pueden identificar cepas fermentadoras con excelentes propiedades productivas y probióticas, a menudo son laboriosos e ineficaces, por lo que urge establecer métodos de cribado selectivo de alto rendimiento.
En los últimos años, los resultados de las investigaciones de las mejores revistas como Cell y sus subpublicaciones han demostrado que las propiedades fisiológicas y los efectos beneficiosos de las cepas fermentadoras están estrechamente relacionados con sus genes funcionales específicos (clusters), lo que sugiere que las cepas fermentadoras con una producción excelente y propiedades beneficiosas pueden predecirse y dirigirse desde la perspectiva de los antecedentes genéticos.
Por lo tanto, el análisis en profundidad de los antecedentes genéticos, los fenotipos fisiológicos y las características funcionales de diferentes cepas fermentadoras potenciales, y la aclaración del mecanismo de asociación entre los genomas caracterizados y la producción microbiana excelente y las características de fermentación pueden proporcionar objetivos y direcciones para la selección eficiente de cepas fermentadoras excelentes.
Por ejemplo, podemos utilizar UHPLC-QE-MS para analizar las diferencias en la capacidad de las distintas cepas para metabolizar la matriz alimentaria (por ejemplo, azúcares, proteínas, grasas, etc.) para producir sustancias aromatizantes (por ejemplo, aldehídos, cetonas, ésteres, etc.) y nutrientes (por ejemplo, aminoácidos, nucleótidos, péptidos de cadena corta, etc.) y, a continuación, analizar los genes potenciales (clusters), las rutas metabólicas y las características funcionales de los genomas que están relacionados con la producción de metabolitos específicos en las cepas mediante el uso del acoplamiento multiómico y la bioinformática. (clusters), vías metabólicas y mecanismos reguladores; validación posterior mediante CRISPR, recombinación homóloga y otras tecnologías de edición de genes, y a continuación selección de genes clave (clusters) relacionados con las características de producción de la cepa.
Mediante modelos in vitro, modelos animales y ensayos clínicos para evaluar las diferencias en la eficacia específica de las distintas cepas fermentadoras, y combinando con métodos de genómica comparativa para identificar posibles genes funcionales (clusters) que afecten a la eficacia del probiótico, y utilizando después métodos de knockout génico y modelos de ratón estéril para validar e identificar genes funcionales (clusters) que afecten a la eficacia de las cepas, proporcionando así una diana molecular para la selección y cría eficientes de cepas con eficacia probiótica específica.
Análisis funcional y regulación molecular de metabolitos beneficiosos en cepas fermentadoras
Un gran número de metabolitos beneficiosos (por ejemplo, ácido γ-aminobutírico, vitaminas, etc.) producidos durante la fermentación de los alimentos son beneficiosos para aumentar el valor nutricional de los alimentos fermentados. Los efectos beneficiosos de metabolitos de distintos tipos o estructuras pueden mostrar diferencias significativas, y su producción es específica de cada cepa.
Por lo tanto, el análisis de los metabolitos característicos y sus funciones de las cepas fermentadoras, y la exploración de los mecanismos reguladores y las leyes de regulación molecular de los metabolitos beneficiosos, las bacterias y los sustratos pueden proporcionar una base teórica para la extracción de cepas con alta producción de metabolitos beneficiosos.
A partir de los big data genómicos de las cepas de fermentación, se utilizaron programas bioinformáticos como AntiSMASH y BiG-SLiCE para predecir los grupos de genes biosintéticos (BGC) de metabolitos beneficiosos y sus bioactividades en combinación con la base de datos MIBiG.
Se utilizaron técnicas integradas como el intercambio iónico y la cromatografía de gel/afinidad para aislar y purificar los metabolitos característicos y caracterizarlos estructuralmente, y la relación cuantitativa-efecto de los metabolitos beneficiosos de las cepas fermentadoras que ejercen su eficacia se dilucidó más a fondo mediante la simulación intestinal in vitro y experimentos con animales como modelo integrado de evaluación funcional.
Además, al explorar la relación dinámica entre las bacterias, los metabolitos beneficiosos y los sustratos durante el proceso de fermentación de las cepas fermentadoras a nivel del genoma y de los metabolitos, se pueden aclarar los genes funcionales y las vías metabólicas relacionadas con la síntesis y la regulación de los metabolitos beneficiosos.
Mediante la construcción de un modelo cinético de crecimiento bacteriano, generación de productos y consumo de sustratos, podemos investigar las leyes de regulación del pH, el sustrato nutriente y las coenzimas en la síntesis de metabolitos por las cepas, a fin de realizar la regulación dirigida de metabolitos beneficiosos.
Tomando como ejemplo la adquisición de cepas altamente productoras de GABA, a partir de los datos genómicos se identificaron mediante genómica comparativa los manipuladores de gad relacionados con la síntesis de GABA de las cepas, incluyendo gadA y gadB, los genes clave para la biosíntesis de GABA, así como el gen responsable de la función de transporte de GABA en la membrana celular, gadC; mediante el análisis genómico se determinó que el Lactobacillus shortus era la única cepa de Lactobacillus portadora de manipuladores de gad completos. manipulador. Las pruebas in vitro revelaron que Lactobacillus casei NCL912 produjo (205,8±8,0) g/L de GABA, mientras que Lactobacillus plantarum KCTC3103, que no posee el manipulador, produjo sólo 0,67 g/L. Los resultados del ensayo in vitro mostraron que Lactobacillus casei NCL912 era la única cepa de Lactobacillus plantarum con un manipulador de GABA completo.
Además, se investigó el efecto de diferentes concentraciones (0, 10, 20, 30, 40, 50 y 100 μmol/L) de fosfato de piridoxal (PLP) en la producción de GABA por Lactobacillus shortum RK03, y se encontró que la mayor producción de GABA se logró con concentraciones de PLP de 10 μmol/L y 20 μmol/L en el medio de cultivo.
Análisis de la base material de la simbiosis y del efecto sinérgico de grupos complejos de cepas fermentadoras
La simbiosis y la sinergia de cepas fermentadoras complejas pueden favorecer el crecimiento de las bacterias, optimizar la producción de metabolitos, mejorando así la eficacia global de la fermentación y la calidad de los alimentos, y también aumentar la estabilidad del producto al mantener la estabilidad de la comunidad microbiana.
La base material de la simbiosis y la sinergia de las cepas fermentadoras compuestas implica diversos mecanismos bioquímicos y microbiológicos, entre los que destacan los siguientes:
(1) Vías metabólicas complementarias: diferentes cepas pueden tener diferentes vías metabólicas y sistemas enzimáticos, y estas vías se complementan entre sí en la conversión de sustratos y la producción de metabolitos, aumentando así la capacidad metabólica global.
2) Utilización mutua de metabolitos: los metabolitos generados por la descomposición de sustratos por determinadas cepas pueden ser los sustratos necesarios para el crecimiento de otras cepas, y esta relación simbiótica favorece la utilización completa de los sustratos y reduce la acumulación de metabolitos.
(3) Sinergia enzimática: las enzimas secretadas por diferentes cepas de bacterias pueden tener funciones complementarias y trabajar juntas en la degradación o transformación de sustratos, acelerando así la velocidad de reacción.
(4) Intercambio simbiótico de sustancias: diferentes cepas de bacterias pueden intercambiar sustancias, como nutrientes, moléculas de señalización, etc., a través de la secreción de sustancias o de la estructura de conexión intercelular, y este intercambio simbiótico promueve la coordinación mutua y la regulación del crecimiento entre cepas.
(5) Regulación de los factores ambientales: la relación simbiótica puede hacer que aumente la adaptabilidad de las cepas a los factores ambientales, por ejemplo, ciertas cepas pueden producir sustancias antioxidantes o tensioactivas para ayudar a otras cepas a adaptarse mejor al estrés ambiental.
La simbiosis de grupo y el sinergismo de las cepas fermentadoras compuestas dependen principalmente de las interacciones positivas entre los microorganismos, como la alimentación cruzada, la detección de grupo, etc.
1) Alimentación cruzada. La alimentación cruzada se refiere a la relación metabólica de interalimentación en la que cepas de bacterias/cepas utilizan metabolitos secretados por otras cepas de bacterias/cepas (incluidas fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno, aminoácidos, vitaminas y otros factores de crecimiento) para promover su propio crecimiento.
La simbiosis sinérgica entre Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus fermentador compuesto durante la fermentación de la leche es un patrón típico de alimentación cruzada. Streptococcus thermophilus tiene una débil capacidad de degradación de caseína de la proteasa (prtS), y no puede obtener suficientes aminoácidos para el crecimiento directamente del sistema lácteo, mientras que Lactobacillus bulgaricus exhibe una fuerte capacidad de hidrólisis de proteínas, que puede proporcionar a Streptococcus thermophilus los aminoácidos necesarios para el crecimiento (como histidina, metionina y prolina), péptidos de moléculas pequeñas, etc., mientras que la mayor parte del Lactobacillus bulgaricus carece de la enzima de escisión piruvato-formato, así como de enzimas relacionadas con la síntesis de folato, y por lo tanto es incapaz de sintetizar folato, formiato y piridina, etc., que son necesarios para el crecimiento de la cepa.
El Streptococcus thermophilus tiene una elevada actividad piruvato-formato liasa, así como una vía intacta de síntesis del folato, que puede proporcionar al Lactobacillus bulgaricus estas sustancias esenciales.
2) Inducción de grupo. La inducción de grupo es un fenómeno de comunicación cepa/grupo de cepas mediado por autoinductores. Ciertos microorganismos producen moléculas señalizadoras y las liberan al medio ambiente, las cuales, cuando su concentración alcanza un determinado umbral, desencadenan la respuesta de las células a las moléculas señalizadoras, que a su vez activan específicamente la expresión de genes corriente abajo. Este modo de interacción influye en la relación entre las comunidades microbianas.
Dichas moléculas señalizadoras varían en las distintas cepas, como la N-acil-homoserina lactona (AHL) presente en las bacterias Gram negativas, los péptidos autoinductores (péptido de Streptococcus lactis, fitolactobacillusina, etc.) y el furoseboril boronato en las bacterias Gram positivas, y las moléculas señalizadoras detectadas en las levaduras son principalmente alcoholes aromáticos como el farnesol, el triptófano y el tirosol, entre otras sustancias.
Estas moléculas de señalización mediadas por la detección de grupos desempeñan un papel importante en las interacciones de los fermentadores, ya que promueven la autolisis celular, aumentan la tolerancia de la cepa al estrés ambiental, etc. Por ejemplo, se demostró que AI-2 mejora la interacción con Lactobacillus bulgaricus al aumentar la tolerancia al ácido y la tasa metabólica de Streptococcus thermophilus.
Dado que cada cepa tiene un potencial metabólico único con diferencias en el tipo, la cantidad y el momento de la producción de metabolitos, la presencia y la fuerza de las interacciones entre las cepas del fermentador compuesto dependen de la combinación específica de cepas.
La investigación futura utilizará tecnología de inteligencia artificial para construir una red de simbiosis metabólica de co-fermentación multi-cerebro, combinada con transcriptómica, metabolómica y otros medios para analizar la regulación de la expresión génica, metabolitos característicos, moléculas de señalización y otras reglas de cambio material en el proceso de co-fermentación de diferentes especies de cepas, y para explorar la base material de la simbiosis de grupo y el efecto sinérgico de los fermentadores de alimentos compuestos basados en la detección de grupo, la alimentación cruzada y otras interacciones para proporcionar una base teórica para la investigación y la creación de excelentes fermentadores compuestos. Proporcionar una base teórica para la investigación y creación de excelentes fermentadores compuestos.
Mecanismo de formación de la calidad y regulación direccional de los alimentos fermentados especiales
El proceso de formación de la calidad de los alimentos fermentados especiales es un proceso en el que los microorganismos metabolizan proteínas, lípidos y carbohidratos en la matriz alimentaria para producir sabores y nutrientes únicos, y la diversidad de microorganismos y sus metabolitos es el factor central que afecta a este proceso.
Para lograr una regulación específica de la calidad de los alimentos fermentados especiales, en primer lugar es necesario aclarar el mecanismo de formación de la calidad de los alimentos fermentados especiales en condiciones de inoculación natural, es decir, cómo los microorganismos fermentadores forman comunidades microbianas únicas y las metabolizan con precisión.
En segundo lugar, dado que la comunidad microbiana original de los alimentos fermentados presenta los defectos de alta complejidad, escasa estabilidad y redundancia funcional, que provocan fácilmente la fluctuación de la calidad del producto fermentado, la construcción de un fermentador compuesto mediante la selección y recombinación de cepas microbianas características para la fermentación es esencial para mejorar la regulación específica de la calidad de los alimentos fermentados.
En el mecanismo de formación de la calidad y la regulación direccional de los alimentos fermentados intervienen varios factores, como la selección de las materias primas, las cepas de fermentación, las condiciones de fermentación y los procesos de producción.
(1) Selección de cepas: la cepa del alimento fermentado es uno de los factores clave que afectan a la calidad, y la selección de cepas de fermentación adecuadas puede regular el sabor, la textura y la composición nutricional del alimento a través de sus metabolitos, su sistema enzimático y otras características; el tipo y la proporción de cepas afectarán a los metabolitos y a sus interacciones durante el proceso de fermentación, lo que a su vez afecta a la calidad del producto final.
(2) Condiciones de fermentación: el control de las condiciones de fermentación es la clave para regular la calidad de los alimentos fermentados. La temperatura, la humedad, el pH, el contenido de oxígeno y otros factores afectan al crecimiento y la actividad metabólica de las cepas, lo que a su vez influye en la textura, el sabor y la composición nutricional del producto.
(3) Tipos de materias primas: diferentes materias primas tienen diferente composición y características, que también tendrá un impacto importante en la calidad de los alimentos fermentados, la selección de materias primas de alta calidad, y de acuerdo con los diferentes requisitos del proceso de fermentación para el procesamiento y tratamiento, puede mejorar el sabor del producto, color, aroma y así sucesivamente.
(4) Agente auxiliar de fermentación: algunos alimentos fermentados especiales necesitan añadir un agente auxiliar de fermentación, como levadura, lactobacillus, Aspergillus, etc., para promover el proceso de fermentación y regular la calidad del producto; una elección razonable del tipo y la proporción del agente de fermentación puede mejorar las características del producto en cuanto a sabor y composición de nutrientes.
(5) Control del proceso de fermentación: un estrecho control del proceso de fermentación es la clave para garantizar la calidad del producto, incluyendo el tiempo de fermentación, la temperatura de fermentación, la velocidad de agitación y otros parámetros de la regulación, afectará el grado de fermentación y la calidad final del producto.
(6) Regulación dinámica de la comunidad microbiana: el cambio dinámico de la comunidad microbiana de los alimentos fermentados tiene un impacto importante en la calidad del producto, a través del diseño razonable del proceso de fermentación, puede controlar la composición de la comunidad microbiana en diferentes etapas, a fin de realizar la regulación direccional de la calidad del producto.
Para lograr una regulación específica de la calidad de los alimentos fermentados especiales basada en agentes de fermentación alimentaria, la primera tarea consiste en explorar en profundidad la estructura de las comunidades microbianas y sus funciones, así como las leyes de sucesión de estas comunidades en los alimentos fermentados especiales en el marco del análisis multiómico conjunto.
Con la ayuda de un análisis en profundidad de las interacciones entre los sistemas enzimáticos, bacterianos y de sustancias, se revelará la asociación entre el núcleo de la microbiota funcional y la calidad de los alimentos.
Sobre esta base, se exploraron los factores ambientales (p. ej., humedad, pH, oxígeno y temperatura, etc.) y biológicos (p. ej., abundancia microbiana inicial, latencia e interacciones microbianas, etc.) que afectan a la fermentación de alimentos mediada por fermentación compuesta, y se analizaron la proporción óptima de composición de las cepas fermentadoras compuestas recombinantes y los factores ambientales óptimos mediante fermentación simulada y modelización matemática.
Wang et al. utilizaron la tecnología de secuenciación 16SrRNA, la tecnología metabolómica no dirigida combinada con métodos estadísticos como el análisis de correlación para identificar la microbiota central que produce compuestos de sabor específicos durante la fermentación del vino blanco, y reprodujeron los compuestos de sabor en la fermentación del vino blanco mediante las cepas fermentadoras compuestas recombinantes, lo que permitió la regulación dirigida de los sabores de los alimentos fermentados. Este logro no sólo demuestra el potencial de la regulación dirigida de la calidad de los alimentos fermentados, sino que también aporta nuevas ideas de investigación y vías técnicas al campo de la ciencia de los alimentos.
Analizando exhaustivamente los últimos estudios nacionales e internacionales, se constata que los fermentadores de bacterias lácticas son el núcleo de la investigación en el campo de la fermentación alimentaria. La selección de cepas fermentadoras con excelentes propiedades productivas y probióticas y el desarrollo de fermentadores compuestos sinérgicos multicepas son las tendencias de desarrollo en la industria de la fermentación alimentaria.