Mi a 4 fő trend az élelmiszer-fermentálók jövőjében?

A modern élelmiszeripar fejlődésével az erjesztőszer használata fontos szerepet játszik az erjesztett élelmiszerek minőségének és gyártási hatékonyságának javításában, ami kulcsfontosságú az erjesztett élelmiszerek ipari termelésének szabványosítása és skálája megvalósításához. Egy kiváló erjesztőnek nemcsak az erjesztő alapvető tevékenységével kell rendelkeznie, hanem az élelmiszerek minőségének, például az íznek és a textúrának, valamint a táplálkozásnak a javítására szolgáló változatos funkciókkal is.
Ebben a dokumentumban várakozással tekintünk az erjesztőszer jövőbeli fejlődési trendjére, hogy ötleteket és hivatkozásokat nyújtsunk a kapcsolódó kutatók tudományos kutatásához és innovációjához, és segítsük őket tudományos kutatási innovációjuk és gyakorlati alkalmazásuk elmélyítésében.
Kiváló termelési és probiotikus tulajdonságokkal rendelkező erjesztő törzsek biológiai jellemzése
Az élelmiszer-fermentáció az élelmiszer vagy ital előállításának folyamata a kívánt mikroorganizmusok növekedése és az élelmiszer-összetevők enzimatikus átalakítása révén, és az erjesztési rendszerben lévő flóra szerkezeti összetétele, a keletkező metabolitok és más tényezők együttesen határozzák meg a végtermék tulajdonságait, például a textúrát, az ízt, a táplálkozást és a biztonságot.
Ezért a fermentáló törzsek biológiai tulajdonságainak (mint például fiziológiai tulajdonságok, metabolikus tulajdonságok, rezisztencia stb.) jellemzése felhasználható a fermentációs termeléshez kiváló törzsek jobb szűrésére, ami segíthet a fermentációs folyamat optimalizálásában és a funkcionális termékek kifejlesztésében.
(1) Fiziológiai jellemzés: beleértve a törzs növekedési sebességét, a megfelelő hőmérsékletet, pH-tartományt, oxigénigényt stb. A törzs fiziológiai jellemzőinek megértése segít meghatározni a törzs növekedési és anyagcsere-kapacitását különböző körülmények között.
(2) Metabolikus jellemzés: metabolikus útvonalak, metabolitok, enzimrendszerek stb. tanulmányozása. A metabolikus útvonalak és metabolitok elemzésével meghatározhatók a törzsek fő anyagcsereútjai és a szubsztrát hasznosítására való képességük, valamint a keletkező hasznos metabolitok (pl. szerves savak, vitaminok stb.).
(3) A stressztűrő tulajdonságok elemzése: a törzs kedvezőtlen környezeti tényezőkhöz, például magas hőmérséklethez, alacsony hőmérséklethez, savassághoz és lúgossághoz, sókoncentrációhoz stb. való alkalmazkodási képességének vizsgálata a törzs stressztűrő tulajdonságainak megértése érdekében segít meghatározni a gyakorlati alkalmazásokban való stabilitását.
4) A probiotikus tulajdonságok értékelése: Ha a törzs probiotikus tulajdonságokkal rendelkezik, mint például az emberi egészségre előnyös aktív metabolitok termelése, a bélflóra szabályozására való képesség.
Az élelmiszermikroorganizmusok széles választéka és száma, valamint a különböző törzsek/kolóniák fiziológiai fenotípusai közötti nagy különbségek nagy kihívást jelentenek a kiváló tulajdonságokkal rendelkező törzsek szűrése során. Bár a hagyományos szűrési módszerek alkalmasak a kiváló termelési és probiotikus tulajdonságokkal rendelkező fermentáló törzsek azonosítására, gyakran munkaigényesek és nem hatékonyak, ezért sürgősen szükség van nagy áteresztőképességű célzott szűrési módszerek létrehozására.
Az elmúlt években a vezető folyóiratok, például a Cell és alkiadásai kutatási eredményei kimutatták, hogy a fermentáló törzsek fiziológiai tulajdonságai és jótékony hatásai szorosan kapcsolódnak a specifikus funkcionális génjeikhez (klaszterekhez), ami arra utal, hogy a kiváló termeléssel és jótékony tulajdonságokkal rendelkező fermentáló törzsek a genetikai háttér szempontjából előre jelezhetők és célzottan megcélozhatók.
Ezért a különböző potenciális fermentáló törzsek genetikai hátterének, fiziológiai fenotípusainak és funkcionális jellemzőinek mélyreható elemzése, valamint a jellemzett genomok és a kiváló mikrobiális termelés és fermentációs jellemzők közötti asszociációs mechanizmus tisztázása célokat és irányokat adhat a kiváló fermentáló törzsek hatékony szűréséhez.
Például az UHPLC-QE-MS segítségével elemezhetjük a különböző törzsek azon képességbeli különbségeit, hogy az élelmiszer-mátrix (pl. cukrok, fehérjék, zsírok stb.) metabolizálására képesek-e ízanyagokat (pl. aldehidek, ketonok, észterek stb.) és tápanyagokat (pl., aminosavak, nukleotidok, rövid szénláncú peptidek stb.), majd a multiomikai összekapcsolás és a bioinformatika segítségével elemezzük a törzsek specifikus metabolittermelésével összefüggő potenciális géneket (klasztereket), metabolikus útvonalakat és a genomok funkcionális jellemzőit. (klaszterek), metabolikus útvonalak és szabályozási mechanizmusok; további validálás a CRISPR, a homológ rekombinációs és egyéb génszerkesztési technológiák segítségével, majd a törzs termelési jellemzőivel kapcsolatos kulcsfontosságú gének (klaszterek) célba vétele.
In vitro modellek, állatmodellek és klinikai kísérletek segítségével a különböző fermentáló törzsek specifikus hatékonyságában mutatkozó különbségek felmérése, majd összehasonlító genomikai módszerekkel kombinálva a probiotikum hatékonyságát befolyásoló potenciális funkcionális gének (klaszterek) azonosítása, majd gén knockout módszerek és steril egérmodellek segítségével a törzsek hatékonyságát befolyásoló funkcionális gének (klaszterek) validálása és azonosítása, ezáltal molekuláris célpontot biztosítva a specifikus probiotikus hatékonysággal rendelkező törzsek hatékony szelekciójához és tenyésztéséhez.
A jótékony anyagcseretermékek funkcionális elemzése és molekuláris szabályozása fermentáló törzsekben
Az élelmiszerek fermentációja során keletkező számos hasznos anyagcseretermék (pl. γ-aminovajsav, vitaminok stb.) jótékony hatással van az erjesztett élelmiszerek tápértékének növelésére. A különböző típusú vagy szerkezetű metabolitok jótékony hatásai jelentős különbségeket mutathatnak, és termelésük törzs-specifikus.
Ezért a fermentáló törzsek jellegzetes metabolitjainak és funkcióinak elemzése, valamint a hasznos metabolitok, baktériumok és szubsztrátok szabályozási mechanizmusainak és molekuláris szabályozási törvényeinek feltárása elméleti alapot nyújthat a jótékony metabolitok magas termelésével rendelkező törzsek bányászatához.
A fermentációs törzsek genomikai nagy adatai alapján bioinformatikai szoftvereket, mint például az AntiSMASH és a BiG-SLiCE, használtak a jótékony metabolitok bioszintetikus géncsoportjainak (BGC) és bioaktivitásuknak a MIBiG-adatbázissal kombinált előrejelzésére.
A jellegzetes metabolitok izolálására és tisztítására, valamint szerkezeti jellemzésére olyan integrált technikákat alkalmaztak, mint az ioncsere és a gél/affinitás kromatográfia, és a hatékonyságukat kifejtő fermentáló törzsek jótékony metabolitjainak mennyiségi-hatási kapcsolatát in vitro bélszimulációval és állatkísérletekkel, mint integrált funkcionális értékelési modellel tovább tisztázták.
Ezenkívül a baktériumok, a hasznos metabolitok és a szubsztrátok közötti dinamikus kapcsolat feltárásával a fermentáló törzsek fermentációs folyamata során a genom és a metabolitok szintjén tisztázhatók a hasznos metabolitok szintézisével és szabályozásával kapcsolatos funkcionális gének és metabolikus útvonalak.
A baktériumok növekedésének, terméktermelésének és szubsztrátfogyasztásának kinetikai modelljének megalkotásával megvizsgálhatjuk a pH, a tápanyag-szubsztrát és a koenzimek törzsek által a metabolitok szintézisére gyakorolt szabályozási törvényszerűségeket, így megvalósíthatjuk a hasznos metabolitok célzott szabályozását.
A nagy GABA-termelő képességű törzsek megszerzését példaként véve, a genomikai adatok alapján a törzsek GABA-szintézisével kapcsolatos gad-manipulátorokat azonosítottuk összehasonlító genomikai módszerekkel, beleértve a gadA és gadB géneket, a GABA bioszintézis kulcsgénjeit, valamint a GABA sejtmembránban történő szállításáért felelős gént, a gadC-et; a genomikai elemzéssel megállapították, hogy a Lactobacillus shortus az egyetlen olyan Lactobacillus-törzs, amely teljes gad-manipulátort hordoz. manipulátor. Az in vitro vizsgálatok kimutatták, hogy a Lactobacillus casei NCL912 (205,8±8,0) g/L GABA-t termelt, míg a manipulátort nem birtokló Lactobacillus plantarum KCTC3103 csak 0,67 g/L gad-ot. Az in vitro vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy a Lactobacillus casei NCL912 volt az egyetlen olyan Lactobacillus plantarum törzs, amely teljes gad manipulátorral rendelkezett.
Ezen kívül megvizsgálták a különböző koncentrációk (0, 10, 20, 30, 40, 50 és 100 μmol/l) piridoxál-foszfát (PLP) hatását a Lactobacillus shortum RK03 GABA-termelésére, és megállapították, hogy a legnagyobb GABA-termelés 10 μmol/l és 20 μmol/l PLP-koncentráció esetén volt tapasztalható a táptalajban.
Komplex fermentáló törzscsoportok szimbiózisa és szinergikus hatása anyagi alapjainak elemzése
A komplex fermentáló törzsek szimbiózisa és szinergizmusa elősegítheti a baktériumok növekedését, optimalizálhatja a metabolitok termelését, ezáltal javíthatja az általános fermentációs hatékonyságot és az élelmiszer minőségét, valamint a mikrobiális közösség stabilitásának fenntartásával fokozhatja a termék stabilitását.
Az összetett fermentáló törzsek szimbiózisának és szinergiájának anyagi alapja különböző biokémiai és mikrobiológiai mechanizmusokat foglal magában, amelyek elsősorban a következőket foglalják magukban:
(1) Kiegészítő metabolikus útvonalak: a különböző törzsek különböző metabolikus útvonalakkal és enzimrendszerekkel rendelkezhetnek, és ezek az útvonalak kiegészítik egymást a szubsztrátátalakításban és az anyagcseretermelésben, így növelve a teljes metabolikus kapacitást.
2) A metabolitok kölcsönös felhasználása: az egyes törzsek által a szubsztrátok lebontása során keletkező metabolitok más törzsek növekedéséhez szükséges szubsztrátok lehetnek, és ez a szimbiózis elősegíti a szubsztrátok teljes felhasználását és csökkenti a metabolitok felhalmozódását.
(3) Enzim-szinergia: a különböző baktériumtörzsek által szekretált enzimek egymást kiegészítő funkcióval rendelkezhetnek, és együttműködhetnek a szubsztrátok lebontásában vagy átalakításában, ezáltal felgyorsítva a reakciósebességet.
(4) Szimbiózis anyagcsere: a különböző baktériumtörzsek anyagokat, például tápanyagokat, jelzőmolekulákat stb. cserélhetnek az anyagok kiválasztásán vagy a sejtek közötti kapcsolati struktúrán keresztül, és ez a szimbiózis elősegíti a törzsek közötti kölcsönös koordinációt és növekedési szabályozást.
(5) Környezeti tényezők szabályozása: a szimbiotikus kapcsolat fokozhatja a törzsek környezeti tényezőkhöz való alkalmazkodóképességét, például bizonyos törzsek képesek antioxidáns anyagokat vagy felületaktív anyagokat termelni, hogy segítsenek más törzseknek jobban alkalmazkodni a környezeti stresszhez.
Az összetett fermentáló törzsek csoportos szimbiózisa és szinergizmusa elsősorban a mikroorganizmusok közötti pozitív kölcsönhatásoktól függ, mint például a kereszttáplálkozás, a csoportérzékelés és így tovább.
1) Kereszttáplálás. A kereszttáplálkozás olyan metabolikus kölcsönös táplálkozási kapcsolatra utal, amelyben a baktériumtörzsek/törzsek más baktériumtörzsek/törzsek által szekretált metabolitokat (beleértve a szénforrásokat, nitrogénforrásokat, aminosavakat, vitaminokat és egyéb növekedési tényezőket) használnak fel saját növekedésük elősegítésére.
A Lactobacillus bulgaricus és a Streptococcus thermophilus kompozit fermentor közötti szinergikus szimbiózis a tejerjesztés során tipikus kereszttáplálási mintázat. A Streptococcus thermophilus gyenge proteáz (prtS) kazeinlebontó képességgel rendelkezik, és nem tud közvetlenül a tejrendszerből elegendő aminosavat szerezni a növekedéshez, míg a Lactobacillus bulgaricus erős fehérjehidrolízis képességgel rendelkezik, amely a Streptococcus thermophilus számára biztosítani tudja a növekedéshez szükséges aminosavakat (pl. hisztidin, metionin és prolin), kis molekulájú peptideket stb, míg a legtöbb Lactobacillus bulgaricusból hiányzik a piruvát-formát hasító enzim, valamint a folsavszintézishez kapcsolódó enzimek, és ezért nem képes folsavat, formátot és piridint stb. szintetizálni, amelyek a törzs növekedéséhez szükségesek.
A Streptococcus thermophilus magas piruvát-formát-liáz aktivitással, valamint ép folsavszintézis útvonallal rendelkezik, amely képes ellátni a Lactobacillus bulgaricus-t ezekkel az alapvető anyagokkal.
2) Csoportos indukció. A csoportindukció az öninduktorok által közvetített törzs/tömegcsoport kommunikáció jelensége. Bizonyos mikroorganizmusok jelzőmolekulákat termelnek és bocsátanak ki a környezetbe, amelyek, ha koncentrációjuk elér egy bizonyos küszöbértéket, a jelzőmolekulákra reagáló sejteket indítanak el, amelyek viszont specifikusan aktiválják a downstream génexpressziót. Ez a kölcsönhatási mód befolyásolja a mikrobiális közösségek közötti kapcsolatot.
Az ilyen jelzőmolekulák a különböző törzsekben eltérőek, mint például a Gram-negatív baktériumokban jelen lévő N-acil-homozerin-lakton (AHL), az önindukáló peptidek (Streptococcus lactis peptid, fitolaktobacillusin stb.) és a furoszboronát a Gram-pozitív baktériumokban, az élesztőben kimutatott jelzőmolekulák pedig elsősorban aromás alkoholok, mint például a farnesol, triptofanol és tirozol.
Ezek a jelzőmolekulák által közvetített csoportérzékelés fontos szerepet játszik a fermentorok közötti kölcsönhatásokban a sejtek autolízisének elősegítésével, a törzs környezeti stressztűrésének növelésével stb. pl. az AI-2 a Streptococcus thermophilus savtűrésének és metabolikus sebességének növelésével fokozza a Lactobacillus bulgaricusszal való kölcsönhatást.
Mivel minden egyes törzs egyedi anyagcsere-potenciállal rendelkezik, és eltér az anyagcseretermelés típusában, mennyiségében és időzítésében, az összetett fermentáló törzsek közötti kölcsönhatások jelenléte és erőssége a törzsek konkrét kombinációjától függ.
A jövőbeni kutatások mesterséges intelligencia technológiát fognak használni a több törzsből álló kofermentációs metabolikus szimbiózishálózat létrehozására, kombinálva a transzkriptomikával, metabolomikával és más eszközökkel, hogy elemezzék a génexpresszió szabályozását, a jellegzetes metabolitokat, a jelzőmolekulákat és más anyagi változási szabályokat a különböző törzsfajok kofermentációs folyamatában, és hogy feltárják a csoportos szimbiózis anyagi alapjait és az összetett élelmiszer-fermenterek szinergikus hatását a csoportérzékelés, a kereszttáplálás és más kölcsönhatások alapján, hogy elméleti alapot biztosítsanak a kiváló összetett fermenterek kutatásához és létrehozásához. Elméleti alapot nyújtani a kiváló kompozit fermenterek kutatásához és létrehozásához.
A speciális erjesztett élelmiszerek minőségalakulási mechanizmusa és irányított szabályozása
A különleges erjesztett élelmiszerek minőségalakítási folyamata olyan folyamat, amelynek során a mikroorganizmusok az élelmiszermátrixban lévő fehérjéket, lipideket és szénhidrátokat metabolizálják, hogy egyedi ízeket és tápanyagokat hozzanak létre, és a mikroorganizmusok és metabolitjaik sokfélesége a folyamatot befolyásoló központi tényező.
A különleges erjesztett élelmiszerek minőségének célzott szabályozásának megvalósítása érdekében először is tisztázni kell a különleges erjesztett élelmiszerek minőségképzési mechanizmusát természetes beoltási körülmények között, azaz azt, hogy az erjesztő mikroorganizmusok hogyan alakítanak ki egyedi mikrobiális közösségeket és hogyan metabolizálják azokat pontosan.
Másodszor, mivel az erjesztett élelmiszerek eredeti mikrobiális közössége a nagyfokú komplexitás, a gyenge stabilitás és a funkcionális redundancia hibáival rendelkezik, amelyek könnyen okozzák az erjesztett termék minőségének ingadozását, az erjesztésre jellemző mikrobiális törzsek kiválasztása és rekombinációja révén egy összetett fermentáló berendezés megépítése alapvető fontosságú az erjesztett élelmiszerek minőségének célzott szabályozásának javítása érdekében.
Az erjesztett élelmiszerek minőségképzési mechanizmusa és irányított szabályozása számos tényezőt foglal magában, beleértve a nyersanyag kiválasztását, az erjesztési törzseket, az erjesztési körülményeket és a gyártási folyamatokat.
(1) Törzsválasztás: az erjesztett élelmiszer törzse az egyik legfontosabb, a minőséget befolyásoló tényező, és a megfelelő erjesztési törzsek kiválasztása szabályozhatja az élelmiszer ízét, textúráját és táplálkozási összetételét a metabolitokon, az enzimrendszeren és más jellemzőkön keresztül; a törzsek típusa és aránya befolyásolja a metabolitokat és azok kölcsönhatásait az erjesztési folyamat során, ami viszont befolyásolja a végtermék minőségét.
(2) Erjesztési körülmények: az erjesztési körülmények ellenőrzése a fermentált élelmiszerek minőségének szabályozásának kulcsa, beleértve a hőmérsékletet, a páratartalmat, a pH-t, az oxigéntartalmat és más tényezőket, amelyek befolyásolják a törzsek növekedését és anyagcsere-aktivitását, ami viszont befolyásolja a termék textúráját, ízét, tápanyag-összetételét stb.
(3) Nyersanyagtípusok: a különböző nyersanyagok különböző összetételűek és jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek szintén fontos hatással vannak az erjesztett élelmiszerek minőségére, a kiváló minőségű nyersanyagok kiválasztására, valamint a feldolgozás és a kezelés erjesztési folyamatának különböző követelményei szerint javíthatja a termék ízét, színét, aromáját és így tovább.
(4) Segéderjesztő anyag: néhány speciális erjesztett élelmiszerhez segéderjesztő anyagot kell hozzáadni, például élesztőt, laktobacillust, Aspergillust stb., az erjedési folyamat elősegítése és a termék minőségének szabályozása érdekében; az erjesztő anyag típusának és arányának ésszerű megválasztása javíthatja a termék íz- és tápanyag-összetételének jellemzőit.
(5) Az erjesztési folyamat ellenőrzése: az erjesztési folyamat szoros ellenőrzése a termékminőség biztosításának kulcsa, beleértve az erjesztési időt, az erjesztési hőmérsékletet, a keverési sebességet és a szabályozás egyéb paramétereit, befolyásolja az erjedés mértékét és a termék végső minőségét.
(6) A mikrobiális közösség dinamikus szabályozása: az erjesztett élelmiszer mikrobiális közösségének dinamikus változása fontos hatással van a termék minőségére, a fermentációs folyamat ésszerű tervezésén keresztül szabályozhatja a mikrobiális közösség összetételét a különböző szakaszokban, hogy megvalósítsa a termékminőség irányított szabályozását.
A különleges erjesztett élelmiszerek minőségének az élelmiszer-erjesztő anyagokon alapuló célzott szabályozásának megvalósítása során az első feladat a mikrobiális közösségek szerkezetének és funkcióinak, valamint e közösségek szukcessziós törvényeinek mélyreható feltárása a különleges erjesztett élelmiszerekben a közös multi-omikai elemzés keretében.
Az enzim-, baktérium- és anyagrendszerek közötti kölcsönhatások mélyreható elemzésével feltárják a funkcionális mikrobióta és az élelmiszerek minősége közötti kapcsolatot.
Ennek alapján a kompozit fermentációval közvetített élelmiszer-fermentációt befolyásoló környezeti tényezőket (pl. páratartalom, pH, oxigén és hőmérséklet stb.) és biológiai tényezőket (pl. kezdeti mikrobiális bőség, latencia és mikrobiális kölcsönhatások stb.) vizsgálták, és szimulált fermentációval és matematikai modellezéssel elemezték a rekombináns kompozit fermentáló törzsek optimális összetételi arányát és az optimális környezeti tényezőket.
Wang és munkatársai 16SrRNS szekvenálási technológiát, nem célzott metabolomikai technológiát használtak statisztikai módszerekkel, például korrelációs elemzéssel kombinálva, hogy azonosítsák a fehérbor erjesztése során specifikus ízvegyületeket termelő központi mikrobiótát, és reprodukálták az ízvegyületeket a fehérbor erjesztése során a rekombináns kompozit fermentáló törzsek segítségével, ami megvalósította az erjesztett élelmiszerek ízének célzott szabályozását. Ez az eredmény nemcsak az erjesztett élelmiszerek minőségének irányított szabályozásában rejlő lehetőségeket mutatja, hanem új kutatási ötleteket és technikai utakat is hoz az élelmiszer-tudomány területére.
A legújabb hazai és nemzetközi tanulmányok átfogó elemzése során megállapítást nyert, hogy a tejsavbaktérium-fermentátorok az élelmiszer-fermentáció területén végzett kutatások középpontjában állnak. A kiváló termelési és probiotikus tulajdonságokkal rendelkező erjesztőtörzsek szűrése és a több törzsből álló szinergikus kompozit fermentorok kifejlesztése az élelmiszer-fermentációs ipar fejlődési trendjei.