Quelles sont les 4 grandes tendances de l'avenir des fermenteurs alimentaires ?

Avec le développement de l'industrie alimentaire moderne, l'utilisation d'agents de fermentation joue un rôle important dans l'amélioration de la qualité et de l'efficacité de fabrication des aliments fermentés, ce qui est la clé de la standardisation et de l'échelle de la production industrielle d'aliments fermentés. Un excellent fermenteur doit non seulement avoir l'activité de base d'un fermenteur, mais aussi les fonctions diversifiées d'amélioration de la qualité des aliments, telles que la saveur et la texture, ainsi que la nutrition.
Dans cet article, nous nous penchons sur les tendances futures du développement des agents de fermentation, afin de fournir des idées et des références pour la recherche scientifique et l'innovation des chercheurs concernés, et de les aider à approfondir leur recherche scientifique et leur application pratique.
Caractérisation biologique de souches de fermenteurs ayant une excellente production et des propriétés probiotiques
La fermentation alimentaire est le processus de production d'aliments ou de boissons par la croissance des micro-organismes souhaités et la conversion enzymatique des composants alimentaires. La composition structurelle de la flore dans le système de fermentation, les métabolites produits et d'autres facteurs déterminent collectivement les propriétés du produit final, telles que la texture, la saveur, la nutrition et la sécurité.
Par conséquent, la caractérisation des propriétés biologiques (telles que les propriétés physiologiques, les propriétés métaboliques, la résistance, etc.) des souches de fermenteur peut être utilisée pour mieux sélectionner les excellentes souches pour la production de fermentation, ce qui peut contribuer à optimiser le processus de fermentation et le développement de produits fonctionnels.
(1) Caractérisation physiologique : y compris le taux de croissance de la souche, la température appropriée, la gamme de pH, la demande en oxygène, etc. La compréhension des caractéristiques physiologiques de la souche permet de déterminer sa croissance et sa capacité métabolique dans différentes conditions.
(2) Caractérisation métabolique : étude des voies métaboliques, des métabolites, des systèmes enzymatiques, etc. L'analyse des voies métaboliques et des métabolites permet de déterminer les principales voies métaboliques des souches et leur capacité à utiliser le substrat et les métabolites bénéfiques produits (par exemple, acides organiques, vitamines, etc.).
(3) Analyse des caractéristiques de tolérance au stress : l'étude de la capacité de la souche à s'adapter à des facteurs environnementaux défavorables, tels que la température élevée, la température basse, l'acidité et l'alcalinité, la concentration en sel, etc.
4) Évaluation des propriétés probiotiques : Si la souche est considérée comme ayant des propriétés probiotiques, telles que la production de métabolites actifs bénéfiques pour la santé humaine, la capacité à réguler la flore intestinale.
La grande variété et le nombre de micro-organismes alimentaires ainsi que les grandes différences de phénotypes physiologiques entre les différentes souches/colonies posent un grand défi pour le criblage de souches ayant d'excellentes propriétés. Bien que les méthodes de criblage traditionnelles permettent d'identifier des souches de fermenteurs ayant d'excellentes propriétés de production et probiotiques, elles sont souvent laborieuses et inefficaces, et il est urgent de mettre en place des méthodes de criblage ciblées à haut débit.
Ces dernières années, les résultats de recherches menées dans des revues de premier plan telles que Cell et ses sous-publications ont montré que les propriétés physiologiques et les effets bénéfiques des souches de fermenteurs sont étroitement liés à leurs gènes fonctionnels spécifiques (clusters), ce qui suggère que les souches de fermenteurs ayant une excellente production et des propriétés bénéfiques peuvent être prédites et ciblées du point de vue de leur bagage génétique.
Par conséquent, l'analyse approfondie du bagage génétique, des phénotypes physiologiques et des caractéristiques fonctionnelles des différentes souches de fermenteurs potentiels, ainsi que la clarification du mécanisme d'association entre les génomes caractérisés et les caractéristiques microbiennes de production et de fermentation excellentes peuvent fournir des cibles et des orientations pour un criblage efficace des souches d'excellents fermenteurs.
Par exemple, nous pouvons utiliser l'UHPLC-QE-MS pour analyser les différences dans la capacité des différentes souches à métaboliser la matrice alimentaire (par exemple, les sucres, les protéines, les graisses, etc.) pour produire des substances aromatiques (par exemple, des aldéhydes, des cétones, des esters, etc.) et des nutriments (par exemple, des acides aminés, des nucléotides, des peptides à chaîne courte, etc, ), puis analyser les gènes potentiels (clusters), les voies métaboliques et les caractéristiques fonctionnelles des génomes qui sont liés à la production de métabolites spécifiques dans les souches en utilisant le couplage multi-omique et la bio-informatique. L'analyse des gènes potentiels (clusters), des voies métaboliques et des mécanismes de régulation ; la validation ultérieure à l'aide de CRISPR, de la recombinaison homologue et d'autres technologies d'édition de gènes, puis le ciblage des gènes clés (clusters) liés aux caractéristiques de production de la souche.
En utilisant des modèles in vitro, des modèles animaux et des essais cliniques pour évaluer les différences d'efficacité spécifique de différentes souches de fermenteurs, et en les combinant avec des méthodes de génomique comparative pour identifier les gènes fonctionnels potentiels (groupes) affectant l'efficacité du probiotique, puis en utilisant des méthodes de knock-out de gènes et des modèles de souris stériles pour valider et identifier les gènes fonctionnels (groupes) affectant l'efficacité des souches, fournissant ainsi une cible moléculaire pour la sélection et l'élevage efficaces de souches ayant une efficacité probiotique spécifique.
Analyse fonctionnelle et régulation moléculaire des métabolites bénéfiques dans les souches de fermenteurs
Un grand nombre de métabolites bénéfiques (par exemple, l'acide γ-aminobutyrique, les vitamines, etc.) produits pendant la fermentation des aliments sont utiles pour améliorer la valeur nutritionnelle des aliments fermentés. Les effets bénéfiques des métabolites de différents types ou structures peuvent présenter des différences significatives, et leur production est spécifique à chaque souche.
Par conséquent, l'analyse des métabolites caractéristiques et de leurs fonctions des souches de fermenteurs, ainsi que l'exploration des mécanismes de régulation et des lois de régulation moléculaire des métabolites bénéfiques, des bactéries et des substrats peuvent fournir une base théorique pour l'extraction de souches produisant de grandes quantités de métabolites bénéfiques.
Sur la base des données génomiques des souches de fermentation, des logiciels bioinformatiques tels que AntiSMASH et BiG-SLiCE ont été utilisés pour prédire les groupes de gènes biosynthétiques (BGC) des métabolites bénéfiques et leurs bioactivités en combinaison avec la base de données MIBiG.
Des techniques intégrées telles que l'échange d'ions et la chromatographie sur gel/affinité ont été utilisées pour isoler et purifier les métabolites caractéristiques et les caractériser structurellement. La relation quantité-effet des métabolites bénéfiques des souches de fermenteurs exerçant leur efficacité a été davantage élucidée par la simulation intestinale in vitro et les expériences sur les animaux en tant que modèle d'évaluation fonctionnelle intégrée.
En outre, en explorant la relation dynamique entre les bactéries, les métabolites bénéfiques et les substrats au cours du processus de fermentation des souches de fermenteur au niveau du génome et des métabolites, les gènes fonctionnels et les voies métaboliques liés à la synthèse et à la régulation des métabolites bénéfiques peuvent être clarifiés.
En construisant un modèle cinétique de la croissance bactérienne, de la génération de produits et de la consommation de substrat, nous pouvons étudier les lois de régulation du pH, du substrat nutritif et des coenzymes sur la synthèse des métabolites par les souches, afin de réaliser la régulation ciblée des métabolites bénéfiques.
En prenant comme exemple l'acquisition de souches produisant beaucoup de GABA, sur la base des données génomiques, les manipulateurs de gad liés à la synthèse du GABA des souches ont été identifiés par génomique comparative, y compris gadA et gadB, les gènes clés de la biosynthèse du GABA, ainsi que le gène responsable de la fonction de transport du GABA dans la membrane cellulaire, gadC ; l'analyse génomique a permis de déterminer que Lactobacillus shortus était la seule souche de Lactobacillus porteuse de manipulateurs de gad complets. manipulateur de gad. Les tests in vitro ont révélé que Lactobacillus casei NCL912 produisait (205,8±8,0) g/L de GABA, alors que Lactobacillus plantarum KCTC3103, qui ne possède pas le manipulateur, n'en produisait que 0,67 g/L. Les résultats de l'essai in vitro ont montré que Lactobacillus casei NCL912 était la seule souche de Lactobacillus plantarum avec un manipulateur gad complet.
En outre, l'effet de différentes concentrations (0, 10, 20, 30, 40, 50 et 100 μmol/L) de phosphate de pyridoxal (PLP) sur la production de GABA par Lactobacillus shortum RK03 a été étudié, et il a été constaté que la production de GABA la plus élevée était obtenue à des concentrations de PLP de 10 μmol/L et 20 μmol/L dans le milieu de culture.
Analyse de la base matérielle de la symbiose et de l'effet synergique des groupes de souches de fermenteurs complexes
La symbiose et la synergie des souches de fermenteurs complexes peuvent favoriser la croissance des bactéries, optimiser la production de métabolites, améliorant ainsi l'efficacité globale de la fermentation et la qualité des aliments, et renforcer la stabilité du produit en maintenant la stabilité de la communauté microbienne.
La base matérielle de la symbiose et de la synergie des souches de fermenteurs composés implique divers mécanismes biochimiques et microbiologiques, dont les principaux sont les suivants :
(1) Voies métaboliques complémentaires : des souches différentes peuvent avoir des voies métaboliques et des systèmes enzymatiques différents, et ces voies se complètent dans la conversion des substrats et la production de métabolites, augmentant ainsi la capacité métabolique globale.
2) Utilisation mutuelle des métabolites : les métabolites générés par la décomposition des substrats par certaines souches peuvent être les substrats nécessaires à la croissance d'autres souches, et cette relation symbiotique favorise l'utilisation complète des substrats et réduit l'accumulation des métabolites.
(3) Synergie enzymatique : les enzymes sécrétées par différentes souches de bactéries peuvent avoir des fonctions complémentaires et travailler ensemble à la dégradation ou à la transformation des substrats, accélérant ainsi la vitesse de réaction.
(4) Échange de substances symbiotiques : différentes souches de bactéries peuvent échanger des substances, telles que des nutriments, des molécules de signalisation, etc., par le biais de la sécrétion de substances ou de la structure de connexion intercellulaire, et cet échange symbiotique favorise la coordination mutuelle et la régulation de la croissance entre les souches.
(5) Régulation des facteurs environnementaux : la relation symbiotique peut renforcer la capacité d'adaptation des souches aux facteurs environnementaux, certaines souches pouvant par exemple produire des substances antioxydantes ou des agents tensioactifs pour aider d'autres souches à mieux s'adapter au stress environnemental.
La symbiose et la synergie de groupe des souches de fermenteurs composés dépendent principalement des interactions positives entre les micro-organismes, telles que l'alimentation croisée, la détection de groupe, etc.
1) Alimentation croisée. L'alimentation croisée fait référence à la relation d'inter-alimentation métabolique dans laquelle les souches de bactéries/souches utilisent les métabolites sécrétés par d'autres souches de bactéries/souches (y compris les sources de carbone, les sources d'azote, les acides aminés, les vitamines et d'autres facteurs de croissance) pour promouvoir leur propre croissance.
La symbiose synergique entre le fermenteur composite Lactobacillus bulgaricus et Streptococcus thermophilus pendant la fermentation du lait est un modèle typique d'alimentation croisée. Streptococcus thermophilus a une faible capacité de dégradation de la caséine par la protéase (prtS), et il ne peut pas obtenir suffisamment d'acides aminés pour sa croissance directement à partir du système laitier, tandis que Lactobacillus bulgaricus présente une forte capacité d'hydrolyse des protéines, qui peut fournir à Streptococcus thermophilus les acides aminés nécessaires à sa croissance (tels que l'histidine, la méthionine et la proline), des peptides à petites molécules, etc, alors que la plupart des Lactobacillus bulgaricus sont dépourvus de l'enzyme de clivage du pyruvate-formate ainsi que des enzymes liées à la synthèse du folate, et sont donc incapables de synthétiser le folate, le formate et la pyridine, etc. qui sont nécessaires à la croissance de la souche.
Streptococcus thermophilus possède une activité pyruvate-formate lyase élevée ainsi qu'une voie de synthèse du folate intacte, qui peut fournir ces substances essentielles à Lactobacillus bulgaricus.
2) L'induction de groupe. La détection de groupe est un phénomène de communication souche/groupe de souches médié par des auto-inducteurs. Certains micro-organismes produisent des molécules de signalisation et les libèrent dans l'environnement. Lorsque leur concentration atteint un certain seuil, les cellules réagissent aux molécules de signalisation qui, à leur tour, activent spécifiquement l'expression des gènes en aval. Ce mode d'interaction influence les relations entre les communautés microbiennes.
Ces molécules de signalisation varient selon les souches, comme la N-acyl-homosérine lactone (AHL) présente dans les bactéries Gram négatives, les peptides auto-inducteurs (Streptococcus lactis peptide, phytolactobacillusine, etc.) et le furoseboryl boronate dans les bactéries Gram positives, et les molécules de signalisation détectées dans la levure sont principalement des alcools aromatiques tels que le farnésol, le tryptophanol et le tyrosol, parmi d'autres substances.
Ces molécules de signalisation jouent un rôle important dans les interactions entre fermenteurs en favorisant l'autolyse cellulaire, en augmentant la tolérance au stress environnemental de la souche, etc. Par exemple, il a été démontré que l'AI-2 renforce l'interaction avec Lactobacillus bulgaricus en augmentant la tolérance à l'acide et le taux métabolique de Streptococcus thermophilus.
Étant donné que chaque souche possède un potentiel métabolique unique avec des différences dans le type, la quantité et le moment de la production de métabolites, la présence et la force des interactions entre les souches du fermenteur composite dépendent de la combinaison spécifique des souches.
Les recherches futures utiliseront la technologie de l'intelligence artificielle pour construire un réseau de symbiose métabolique de co-fermentation multi-souches, combiné avec la transcriptomique, la métabolomique et d'autres moyens pour analyser la régulation de l'expression des gènes, les métabolites caractéristiques, les molécules de signalisation et d'autres règles de changement matériel dans le processus de co-fermentation de différentes espèces de souches, et pour explorer la base matérielle de la symbiose de groupe et l'effet synergique des ferments alimentaires composites basés sur la détection de groupe, l'alimentation croisée et d'autres interactions pour fournir une base théorique à la recherche et à la création d'excellents fermenteurs composites. Fournir une base théorique pour la recherche et la création d'excellents ferments composites.
Mécanisme de formation de la qualité et régulation directionnelle des aliments fermentés spécialisés
Le processus de formation de la qualité des aliments fermentés spécialisés est un processus au cours duquel les micro-organismes métabolisent les protéines, les lipides et les hydrates de carbone dans la matrice alimentaire pour produire des saveurs et des nutriments uniques, et la diversité des micro-organismes et de leurs métabolites est le facteur central qui affecte ce processus.
Afin de réaliser une régulation ciblée de la qualité des spécialités alimentaires fermentées, il est tout d'abord nécessaire de clarifier le mécanisme de formation de la qualité des spécialités alimentaires fermentées dans des conditions naturelles d'inoculation, c'est-à-dire comment les micro-organismes de fermentation forment des communautés microbiennes uniques et les métabolisent avec précision.
Deuxièmement, comme la communauté microbienne originale des aliments fermentés présente les défauts d'une grande complexité, d'une faible stabilité et d'une redondance fonctionnelle, qui entraînent facilement une fluctuation de la qualité des produits fermentés, la construction d'un fermenteur composite par la sélection et la recombinaison de souches microbiennes caractéristiques pour la fermentation est essentielle pour améliorer la régulation ciblée de la qualité des aliments fermentés.
Le mécanisme de formation de la qualité et la régulation directionnelle des aliments fermentés impliquent un certain nombre de facteurs, notamment la sélection des matières premières, les souches de fermentation, les conditions de fermentation et les processus de production.
(1) Sélection des souches : la souche de l'aliment fermenté est l'un des principaux facteurs influençant la qualité, et la sélection de souches de fermentation appropriées peut réguler la saveur, la texture et la composition nutritionnelle de l'aliment par le biais de ses métabolites, de son système enzymatique et d'autres caractéristiques ; le type et la proportion de souches affecteront les métabolites et leurs interactions au cours du processus de fermentation, ce qui, à son tour, affectera la qualité du produit final.
(2) Conditions de fermentation : le contrôle des conditions de fermentation est essentiel pour réguler la qualité des aliments fermentés. La température, l'humidité, le pH, la teneur en oxygène et d'autres facteurs affectent la croissance et l'activité métabolique des souches, ce qui a une incidence sur la texture, le goût, la composition des nutriments, etc. du produit.
(3) Types de matières premières : les différentes matières premières ont une composition et des caractéristiques différentes, qui auront également un impact important sur la qualité des aliments fermentés ; la sélection de matières premières de haute qualité et, en fonction des différentes exigences du processus de fermentation pour la transformation et le traitement, peut améliorer le goût, la couleur, l'arôme, etc. du produit.
(4) Agent de fermentation auxiliaire : certains aliments fermentés spéciaux nécessitent l'ajout d'un agent de fermentation auxiliaire, tel que la levure, le lactobacille, l'aspergillus, etc., pour promouvoir le processus de fermentation et réguler la qualité du produit ; un choix raisonnable du type et de la proportion de l'agent de fermentation peut améliorer les caractéristiques du produit en termes de saveur et de composition nutritionnelle.
(5) Contrôle du processus de fermentation : un contrôle étroit du processus de fermentation est essentiel pour garantir la qualité du produit. Le temps de fermentation, la température de fermentation, la vitesse d'agitation et d'autres paramètres de régulation affecteront le degré de fermentation et la qualité finale du produit.
(6) Régulation dynamique de la communauté microbienne : le changement dynamique de la communauté microbienne des aliments fermentés a un impact important sur la qualité du produit. Grâce à une conception raisonnable du processus de fermentation, il est possible de contrôler la composition de la communauté microbienne à différents stades, de manière à réaliser la régulation directionnelle de la qualité du produit.
Pour réaliser la régulation ciblée de la qualité des aliments fermentés spéciaux basée sur les agents de fermentation alimentaire, la première tâche consiste à explorer en profondeur la structure des communautés microbiennes et leurs fonctions, ainsi que les lois de succession de ces communautés dans les aliments fermentés spéciaux dans le cadre d'une analyse multi-omique conjointe.
L'analyse approfondie des interactions entre les systèmes enzymatiques, bactériens et de substances permettra de mettre en évidence l'association entre le microbiote fonctionnel central et la qualité des aliments.
Sur cette base, les facteurs environnementaux (humidité, pH, oxygène et température, etc.) et les facteurs biologiques (abondance microbienne initiale, latence et interactions microbiennes, etc.) affectant la fermentation alimentaire médiée par la fermentation composite ont été étudiés, et le rapport de composition optimal des souches recombinantes du fermenteur composite ainsi que les facteurs environnementaux optimaux ont été analysés par fermentation simulée et modélisation mathématique.
Wang et al. ont utilisé la technologie de séquençage de l'ARNr 16, la technologie métabolomique non ciblée combinée à des méthodes statistiques telles que l'analyse de corrélation pour identifier le microbiote central qui produit des composés aromatiques spécifiques pendant la fermentation du vin blanc, et ont reproduit les composés aromatiques dans la fermentation du vin blanc par les souches composites recombinantes du fermenteur, ce qui a permis de réaliser la régulation ciblée des arômes des denrées alimentaires fermentées. Cette réalisation montre non seulement le potentiel de régulation directionnelle de la qualité des aliments fermentés, mais elle apporte également de nouvelles idées de recherche et de nouvelles voies techniques dans le domaine des sciences de l'alimentation.
L'analyse approfondie des dernières études nationales et internationales montre que les ferments lactiques sont au cœur de la recherche dans le domaine de la fermentation alimentaire. Le criblage de souches de fermenteurs ayant d'excellentes propriétés de production et probiotiques et le développement de fermenteurs composites synergiques multi-souches sont les tendances de développement dans l'industrie de la fermentation alimentaire.