Каковы 4 основные тенденции, определяющие будущее пищевых ферментеров?

С развитием современной пищевой промышленности использование ферментатора играет важную роль в улучшении качества и эффективности производства ферментированных продуктов, что является ключом к реализации стандартизации и масштабирования промышленного производства ферментированных продуктов. Отличный ферментатор должен не только выполнять основные функции ферментатора, но и обладать разнообразными функциями по улучшению качества продуктов питания, таких как вкус и текстура, а также питание.
В этой статье мы рассматриваем будущую тенденцию развития ферментационного агента, чтобы предоставить идеи и рекомендации для научных исследований и инноваций соответствующих исследователей, и помочь им углубить свои научные исследования инноваций и практического применения.
Биологическая характеристика ферментных штаммов с превосходными производственными и пробиотическими свойствами
Ферментация пищевых продуктов - это процесс производства продуктов питания или напитков путем выращивания нужных микроорганизмов и ферментативного преобразования пищевых компонентов. Структурный состав флоры в ферментационной системе, образующиеся метаболиты и другие факторы в совокупности определяют свойства конечного продукта, такие как текстура, вкус, питательность и безопасность.
Поэтому характеристика биологических свойств (таких как физиологические свойства, метаболические свойства, устойчивость и т.д.) ферментных штаммов может быть использована для лучшего отбора отличных штаммов для производства ферментов, что может помочь оптимизировать процесс ферментации и создать функциональные продукты.
(1) Физиологическая характеристика: включает скорость роста штамма, подходящую температуру, диапазон pH, потребность в кислороде и т.д. Понимание физиологических характеристик штамма помогает определить его рост и метаболическую способность в различных условиях.
(2) Метаболическая характеристика: изучение метаболических путей, метаболитов, ферментных систем и т. д. Анализ метаболических путей и метаболитов позволяет определить основные метаболические пути штаммов, их способность утилизировать субстрат и вырабатывать полезные метаболиты (например, органические кислоты, витамины и т. д.).
(3) Анализ стрессоустойчивых характеристик: изучение способности штамма адаптироваться к неблагоприятным факторам окружающей среды, таким как высокая температура, низкая температура, кислотность и щелочность, концентрация соли и т.д., чтобы понять стрессоустойчивые характеристики штамма, поможет определить его стабильность в практическом применении.
4) Оценка пробиотических свойств: Если считается, что штамм обладает пробиотическими свойствами, такими как производство активных метаболитов, полезных для здоровья человека, способность регулировать кишечную флору.
Широкое разнообразие и количество пищевых микроорганизмов, а также значительные различия в физиологических фенотипах разных штаммов/колоний представляют собой большую проблему для отбора штаммов с превосходными свойствами. Хотя традиционные методы скрининга могут выявить штаммы-ферментеры с отличными производственными и пробиотическими свойствами, они часто трудоемки и неэффективны, поэтому существует острая необходимость в создании высокопроизводительных целевых методов скрининга.
В последние годы результаты исследований, опубликованные в ведущих журналах, таких как Cell и его подизданиях, показали, что физиологические свойства и полезные эффекты ферментных штаммов тесно связаны с их специфическими функциональными генами (кластерами), что позволяет предположить, что ферментные штаммы с превосходными производственными и полезными свойствами могут быть предсказаны и нацелены с точки зрения генетического фона.
Поэтому углубленный анализ генетического фона, физиологических фенотипов и функциональных характеристик различных потенциальных штаммов-ферментаторов, а также выяснение механизма связи между охарактеризованными геномами и отличными характеристиками микробной продукции и ферментации может обеспечить цели и направления для эффективного скрининга отличных штаммов-ферментаторов.
Например, мы можем использовать UHPLC-QE-MS для анализа различий в способности разных штаммов метаболизировать пищевую матрицу (например, сахара, белки, жиры и т.д.) для получения вкусовых веществ (например, альдегидов, кетонов, эфиров и т.д.) и питательных веществ (например, Затем с помощью мультиомического соединения и биоинформатики проанализировать потенциальные гены (кластеры), метаболические пути и функциональные характеристики геномов, которые связаны с производством специфических метаболитов в штаммах. (кластеров), метаболических путей и регуляторных механизмов; дальнейшая валидация с использованием CRISPR, гомологичной рекомбинации и других технологий редактирования генов, а затем нацеливание на ключевые гены (кластеры), связанные с производственными характеристиками штамма.
С помощью моделей in vitro, моделей на животных и клинических испытаний оценить различия в специфической эффективности разных штаммов ферментов, объединив их с методами сравнительной геномики, выявить потенциальные функциональные гены (кластеры), влияющие на эффективность пробиотика, а затем с помощью методов нокаута генов и стерильных моделей мышей подтвердить и выявить функциональные гены (кластеры), влияющие на эффективность штаммов, тем самым обеспечив молекулярную мишень для эффективного отбора и разведения штаммов со специфической пробиотической эффективностью.
Функциональный анализ и молекулярная регуляция полезных метаболитов в ферментных штаммах
Большое количество полезных метаболитов (например, γ-аминомасляная кислота, витамины и т.д.), образующихся в процессе ферментации пищевых продуктов, способствует повышению их питательной ценности. Полезные эффекты метаболитов разных типов или структур могут существенно различаться, а их производство зависит от штамма.
Поэтому анализ характерных метаболитов и их функций ферментных штаммов, а также изучение регуляторных механизмов и законов молекулярной регуляции полезных метаболитов, бактерий и субстратов может послужить теоретической основой для поиска штаммов с высокой продукцией полезных метаболитов.
На основе геномных данных штаммов для ферментации были использованы такие биоинформационные программы, как AntiSMASH и BiG-SLiCE, для предсказания кластеров биосинтетических генов (BGCs) полезных метаболитов и их биоактивности в сочетании с базой данных MIBiG.
Комплексные методы, такие как ионный обмен и гель/аффинная хроматография, были использованы для выделения и очистки характерных метаболитов и их структурной характеристики, а количественно-эффективные отношения полезных метаболитов ферментных штаммов, обеспечивающих их эффективность, были далее выяснены с помощью моделирования кишечника in vitro и экспериментов на животных в качестве комплексной модели функциональной оценки.
Кроме того, изучив динамические взаимоотношения между бактериями, полезными метаболитами и субстратами в процессе ферментации штаммов-ферментаторов на уровне генома и метаболитов, можно выяснить функциональные гены и метаболические пути, связанные с синтезом и регуляцией полезных метаболитов.
Построив кинетическую модель роста бактерий, образования продуктов и потребления субстратов, мы можем исследовать законы регулирования pH, питательного субстрата и коферментов на синтез метаболитов штаммами, чтобы реализовать целенаправленное регулирование полезных метаболитов.
В качестве примера можно привести получение штаммов с высокой продуктивностью ГАМК. На основе геномных данных с помощью сравнительной геномики были идентифицированы gad-манипуляторы, связанные с синтезом ГАМК в штаммах, включая gadA и gadB, ключевые гены для биосинтеза ГАМК, а также ген, отвечающий за функцию транспорта ГАМК в клеточной мембране, gadC; В результате геномного анализа было установлено, что Lactobacillus shortus является единственным штаммом Lactobacillus, который несет полные gad-манипуляторы. манипулятора. Тесты in vitro показали, что Lactobacillus casei NCL912 продуцирует (205,8±8,0) г/л ГАМК, тогда как Lactobacillus plantarum KCTC3103, не обладающий манипулятором, продуцирует только 0,67 г/л. Результаты анализа in vitro показали, что Lactobacillus casei NCL912 был единственным штаммом Lactobacillus plantarum с полным гамма-манипулятором.
Кроме того, было исследовано влияние различных концентраций (0, 10, 20, 30, 40, 50 и 100 мкмоль/л) пиридоксальфосфата (PLP) на выработку ГАМК Lactobacillus shortum RK03, и было установлено, что наибольшая выработка ГАМК была достигнута при концентрациях PLP 10 мкмоль/л и 20 мкмоль/л в культуральной среде.
Анализ материальной основы симбиоза и синергетического эффекта групп штаммов комплексного брожения
Симбиоз и синергизм штаммов комплексного ферментера может способствовать росту бактерий, оптимизировать производство метаболитов, тем самым повышая общую эффективность ферментации и качество продуктов питания, а также повышать стабильность продукта за счет поддержания стабильности микробного сообщества.
В материальной основе симбиоза и синергизма штаммов комбинированных ферментов лежат различные биохимические и микробиологические механизмы, в основном включающие следующие:
(1) Взаимодополняющие метаболические пути: разные штаммы могут иметь различные метаболические пути и ферментные системы, и эти пути дополняют друг друга в преобразовании субстратов и производстве метаболитов, тем самым увеличивая общую метаболическую мощность.
2) Взаимное использование метаболитов: метаболиты, образующиеся при разложении субстратов одними штаммами, могут быть субстратами, необходимыми для роста других штаммов, и такие симбиотические отношения способствуют полному использованию субстратов и снижают накопление метаболитов.
(3) Синергия ферментов: ферменты, выделяемые разными штаммами бактерий, могут иметь взаимодополняющие функции и работать вместе при деградации или трансформации субстратов, тем самым ускоряя скорость реакции.
(4) Симбиотический обмен веществами: различные штаммы бактерий могут обмениваться веществами, такими как питательные вещества, сигнальные молекулы и т.д., посредством секреции веществ или межклеточных связей, и этот симбиотический обмен способствует взаимной координации и регуляции роста между штаммами.
(5) Регулирование факторов окружающей среды: симбиотические отношения могут способствовать повышению адаптивности штаммов к факторам окружающей среды, например, некоторые штаммы могут вырабатывать антиоксиданты или поверхностно-активные вещества, помогающие другим штаммам лучше адаптироваться к экологическому стрессу.
Групповой симбиоз и синергизм штаммов сложного брожения в основном зависят от положительных взаимодействий между микроорганизмами, таких как перекрестное питание, групповое восприятие и так далее.
1) Перекрестное питание. Перекрестное питание относится к метаболическим взаимоотношениям, при которых штаммы бактерий/штаммов используют метаболиты, выделяемые другими штаммами бактерий/штаммов (включая источники углерода, азота, аминокислоты, витамины и другие факторы роста), для стимулирования собственного роста.
Синергетический симбиоз композитного фермента Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus во время ферментации молока представляет собой типичную схему перекрестного питания. Streptococcus thermophilus обладает слабой способностью к расщеплению казеина протеазой (prtS) и не может получить достаточное количество аминокислот для роста непосредственно из молочной системы, в то время как Lactobacillus bulgaricus проявляет сильную способность к гидролизу белка, что может обеспечить Streptococcus thermophilus необходимыми для роста аминокислотами (такими как гистидин, метионин и пролин), небольшими молекулами пептидов и т.д., В то время как у большинства Lactobacillus bulgaricus отсутствует фермент расщепления пирувата-формата, а также ферменты, связанные с синтезом фолата, и поэтому они не способны синтезировать фолат, формиат, пиридин и т.д., которые необходимы для роста штамма.
Streptococcus thermophilus обладает высокой активностью пируват-формиат-лиазы, а также интактным путем синтеза фолатов, что может обеспечить Lactobacillus bulgaricus этими необходимыми веществами.
2) Групповая индукция. Групповая индукция - это явление коммуникации между штаммами и группами штаммов, опосредованное самоиндукторами. Определенные микроорганизмы производят сигнальные молекулы и выделяют их в окружающую среду, которые, когда их концентрация достигает определенного порога, запускают клетки в ответ на сигнальные молекулы, которые, в свою очередь, специфически активируют экспрессию нижележащих генов. Такой способ взаимодействия влияет на взаимоотношения между микробными сообществами.
Такие сигнальные молекулы различаются у разных штаммов, например, N-ацил-гомосерин лактон (AHL) присутствует у грамотрицательных бактерий, самоиндуцирующие пептиды (пептид Streptococcus lactis, фитолактобациллузин и др.) и фуросеборил боронат у грамположительных бактерий, а сигнальные молекулы, обнаруженные у дрожжей, представлены в основном ароматическими спиртами, такими как фарнезол, триптофанол, тирозол и другие вещества.
Эти сигнальные молекулы, опосредованные групповым зондированием, играют важную роль во взаимодействии ферментов, способствуя клеточному автолизу, повышая устойчивость штамма к экологическому стрессу и т.д. Например, было показано, что AI-2 усиливает взаимодействие с Lactobacillus bulgaricus за счет повышения кислотоустойчивости и скорости метаболизма Streptococcus thermophilus.
Поскольку каждый штамм обладает уникальным метаболическим потенциалом с различиями в типе, количестве и сроках производства метаболитов, наличие и сила взаимодействия между штаммами композитного ферментера зависит от конкретной комбинации штаммов.
Будущие исследования будут использовать технологию искусственного интеллекта для создания сети метаболического симбиоза совместной ферментации нескольких штаммов, в сочетании с транскриптомикой, метаболомикой и другими средствами для анализа регуляции экспрессии генов, характерных метаболитов, сигнальных молекул и других правил изменения материала в процессе совместной ферментации различных видов штаммов, а также для изучения материальной основы группового симбиоза и синергетического эффекта композитных пищевых ферментеров на основе группового зондирования, перекрестного питания и других взаимодействий для обеспечения теоретической основы для исследования и создания превосходных композитных ферментеров. Обеспечить теоретическую основу для исследования и создания превосходных композитных ферментеров.
Механизм формирования качества и направленное регулирование специализированных ферментированных продуктов питания
Процесс формирования качества специальных ферментированных продуктов - это процесс, в котором микроорганизмы метаболизируют белки, липиды и углеводы в пищевой матрице для получения уникальных вкусов и питательных веществ, а разнообразие микроорганизмов и их метаболитов является основным фактором, влияющим на этот процесс.
Для того чтобы осуществить целенаправленное регулирование качества специальных ферментированных продуктов, необходимо, во-первых, выяснить механизм формирования качества специальных ферментированных продуктов в условиях естественной инокуляции, то есть как ферментирующие микроорганизмы формируют уникальные микробные сообщества и точно метаболизируют их.
Во-вторых, поскольку исходное микробное сообщество в ферментированных продуктах имеет такие недостатки, как высокая сложность, низкая стабильность и функциональная избыточность, которые легко вызывают колебания качества ферментированных продуктов, создание композитного ферментера путем отбора и рекомбинации характерных штаммов микроорганизмов для ферментации необходимо для улучшения целенаправленного регулирования качества ферментированных продуктов.
Механизм формирования качества и направленное регулирование ферментированных продуктов питания зависит от ряда факторов, включая выбор сырья, штаммов для ферментации, условий ферментации и производственных процессов.
(1) Выбор штамма: штамм ферментированного продукта является одним из ключевых факторов, влияющих на качество, и выбор подходящих штаммов для ферментации может регулировать вкус, текстуру и питательный состав продукта через его метаболиты, ферментную систему и другие характеристики; тип и соотношение штаммов влияет на метаболиты и их взаимодействие в процессе ферментации, что в свою очередь влияет на качество конечного продукта.
(2) Условия ферментации: контроль условий ферментации является ключом к регулированию качества ферментированных продуктов, включая температуру, влажность, pH, содержание кислорода и другие факторы, которые влияют на рост и метаболическую активность штаммов, что в свою очередь влияет на текстуру продукта, вкус, состав питательных веществ и так далее.
(3) Виды сырья: различное сырье имеет разный состав и характеристики, что также будет иметь важное влияние на качество ферментированных продуктов, выбор высококачественного сырья, и в соответствии с различными требованиями процесса ферментации для обработки и лечения, может улучшить вкус продукта, цвет, аромат и так далее.
(4) Вспомогательный ферментирующий агент: в некоторые специальные ферментированные продукты необходимо добавлять вспомогательный ферментирующий агент, такой как дрожжи, лактобактерии, аспергиллы и т.д., чтобы способствовать процессу ферментации и регулировать качество продукта; разумный выбор типа и пропорции ферментирующего агента может улучшить характеристики продукта по вкусу и составу питательных веществ.
(5) Контроль процесса ферментации: тщательный контроль процесса ферментации является ключом к обеспечению качества продукта, включая время ферментации, температуру ферментации, скорость перемешивания и другие параметры регулирования, влияющие на степень ферментации и конечное качество продукта.
(6) Динамическое регулирование микробного сообщества: динамическое изменение микробного сообщества ферментированных продуктов питания имеет важное влияние на качество продукта, благодаря разумному проектированию процесса ферментации, можно контролировать состав микробного сообщества на разных этапах, чтобы реализовать направленное регулирование качества продукта.
Для реализации целенаправленного регулирования качества специализированных ферментированных продуктов питания на основе пищевых ферментаторов, прежде всего, необходимо глубоко изучить структуру микробных сообществ и их функции, а также законы сукцессии этих сообществ в специализированных ферментированных продуктах питания в рамках совместного мультиомического анализа.
С помощью глубокого анализа взаимодействий между ферментами, бактериями и веществами будет выявлена связь между основной функциональной микробиотой и качеством продуктов питания.
На этой основе были изучены факторы окружающей среды (например, влажность, pH, кислород, температура и т.д.) и биологические факторы (например, начальная численность микроорганизмов, латентность и взаимодействие микроорганизмов и т.д.), влияющие на опосредованную композитной ферментацией пищевую ферментацию, а оптимальное соотношение состава рекомбинантных композитных ферментных штаммов и оптимальные факторы окружающей среды были проанализированы с помощью имитации ферментации и математического моделирования.
Ванг и др. использовали технологию секвенирования 16SrRNA, технологию нецелевой метаболомики в сочетании со статистическими методами, такими как корреляционный анализ, для идентификации основной микробиоты, продуцирующей специфические ароматические соединения во время ферментации белого вина, и воспроизвели ароматические соединения при ферментации белого вина с помощью рекомбинантных композитных штаммов-ферментаторов, что позволило реализовать направленное регулирование вкуса ферментированных продуктов. Это достижение не только демонстрирует потенциал направленного регулирования качества ферментированных продуктов, но и привносит новые исследовательские идеи и технические пути в область науки о пище.
Всесторонний анализ последних отечественных и международных исследований показал, что закваски молочнокислых бактерий являются ядром исследований в области пищевой ферментации. Скрининг штаммов ферментаторов с отличными производственными и пробиотическими свойствами и разработка многоштаммовых синергетических композитных ферментаторов являются тенденциями развития пищевой ферментационной промышленности.