Gıda fermentörlerinin geleceğindeki 4 ana trend nedir?

Modern gıda endüstrisinin gelişmesiyle birlikte, fermantasyon maddesinin kullanımı, fermente gıda endüstriyel üretiminin standardizasyonunu ve ölçeğini gerçekleştirmenin anahtarı olan fermente gıdanın kalitesini ve üretim verimliliğini artırmada önemli bir rol oynamaktadır. Mükemmel bir fermentör sadece bir fermentörün temel aktivitesine sahip olmamalı, aynı zamanda lezzet ve doku gibi gıda kalitesinin yanı sıra beslenmeyi iyileştirme gibi çeşitlendirilmiş işlevlere de sahip olmalıdır.
Bu makalede, ilgili araştırmacıların bilimsel araştırma ve yeniliklerine fikir ve referans sağlamak ve bilimsel araştırma yeniliklerini ve pratik uygulamalarını derinleştirmelerine yardımcı olmak için fermantasyon ajanının gelecekteki gelişim eğilimini dört gözle bekliyoruz.
Mükemmel üretim ve probiyotik özelliklere sahip fermenter suşlarının biyolojik karakterizasyonu
Gıda fermantasyonu, istenen mikroorganizmaların büyümesi ve gıda bileşenlerinin enzimatik dönüşümü yoluyla gıda veya içecek üretme sürecidir ve fermantasyon sistemindeki floranın yapısal bileşimi, üretilen metabolitler ve diğer faktörler, doku, lezzet, beslenme ve güvenlik gibi nihai ürünün özelliklerini toplu olarak belirler.
Bu nedenle, fermentör suşlarının biyolojik özelliklerinin (fizyolojik özellikler, metabolik özellikler, direnç vb. gibi) karakterizasyonu, fermantasyon üretimi için mükemmel suşları daha iyi taramak için kullanılabilir, bu da fermantasyon sürecini optimize etmeye ve fonksiyonel ürünlerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
(1) Fizyolojik karakterizasyon: suşun büyüme hızı, uygun sıcaklık, pH aralığı, oksijen ihtiyacı vb. Suşun fizyolojik özelliklerinin anlaşılması, farklı koşullar altında büyümesinin ve metabolik kapasitesinin belirlenmesine yardımcı olur.
(2) Metabolik karakterizasyon: metabolik yolların, metabolitlerin, enzim sistemlerinin vb. incelenmesi Metabolik yolların ve metabolitlerin analizi yoluyla, suşların ana metabolik yolları ve substratı kullanma yetenekleri ve üretilen faydalı metabolitler (örneğin organik asitler, vitaminler, vb.) belirlenebilir.
(3) Strese toleranslı özelliklerin analizi: suşun strese toleranslı özelliklerini anlamak için yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık, asitlik ve alkalilik, tuz konsantrasyonu vb. gibi olumsuz çevresel faktörlere uyum sağlama yeteneğinin incelenmesi, pratik uygulamalardaki kararlılığının belirlenmesine yardımcı olacaktır.
4) Probiyotik özelliklerin değerlendirilmesi: Suşun, insan sağlığına faydalı aktif metabolitlerin üretimi, bağırsak florasını düzenleme yeteneği gibi probiyotik özelliklere sahip olduğu düşünülüyorsa.
Gıda mikroorganizmalarının çok çeşitli ve çok sayıda olması ve farklı suşlar/koloniler arasındaki fizyolojik fenotiplerdeki büyük farklılıklar, mükemmel özelliklere sahip suşların taranması için büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Geleneksel tarama yöntemleri mükemmel üretim ve probiyotik özelliklere sahip fermenter suşları belirleyebilse de, bunlar genellikle zahmetli ve verimsizdir ve yüksek verimli hedefli tarama yöntemlerinin oluşturulmasına acil ihtiyaç vardır.
Son yıllarda Cell ve alt yayınları gibi üst düzey dergilerde yer alan araştırma sonuçları, fermentör suşlarının fizyolojik özelliklerinin ve faydalı etkilerinin spesifik fonksiyonel genleriyle (kümeleriyle) yakından ilişkili olduğunu göstermiştir; bu da mükemmel üretim ve faydalı özelliklere sahip fermentör suşlarının genetik arka plan perspektifinden tahmin edilebileceğini ve hedeflenebileceğini düşündürmektedir.
Bu nedenle, farklı potansiyel fermentör suşlarının genetik arka planının, fizyolojik fenotiplerinin ve işlevsel özelliklerinin derinlemesine analizi ve karakterize edilen genomlar ile mikrobiyal mükemmel üretim ve fermantasyon özellikleri arasındaki ilişki mekanizmasının açıklığa kavuşturulması, mükemmel fermentör suşlarının verimli bir şekilde taranması için hedefler ve yönler sağlayabilir.
Örneğin, farklı suşların gıda matrisini (örneğin şekerler, proteinler, yağlar, vb.) metabolize ederek aroma maddeleri (örneğin aldehitler, ketonlar, esterler, vb.) ve besinler (örneğin amino asitler, nükleotitler, kısa zincirli peptitler, vb, amino asitler, nükleotidler, kısa zincirli peptidler, vb.) üretmek ve daha sonra çoklu atomik birleştirme ve biyoinformatik kullanarak suşlarda spesifik metabolit üretimi ile ilgili potansiyel genleri (kümeler), metabolik yolları ve genomların fonksiyonel özelliklerini analiz etmek. (kümeler), metabolik yollar ve düzenleyici mekanizmalar; CRISPR, homolog rekombinasyon ve diğer gen düzenleme teknolojileri kullanılarak daha fazla doğrulama ve ardından suşun üretim özellikleriyle ilgili anahtar genlerin (kümelerin) hedeflenmesi.
Farklı fermentör suşlarının spesifik etkinliğindeki farklılıkları değerlendirmek için in vitro modeller, hayvan modelleri ve klinik çalışmalar yoluyla ve probiyotiğin etkinliğini etkileyen potansiyel fonksiyonel genleri (kümeleri) tanımlamak için karşılaştırmalı genomik yöntemlerle birleştirerek ve daha sonra suşların etkinliğini etkileyen fonksiyonel genleri (kümeleri) doğrulamak ve tanımlamak için gen nakavt yöntemleri ve steril fare modelleri kullanarak, böylece spesifik probiyotik etkinliğe sahip suşların verimli seçimi ve ıslahı için moleküler bir hedef sağlar.
Fermentör suşlarında faydalı metabolitlerin fonksiyonel analizi ve moleküler düzenlenmesi
Gıda fermantasyonu sırasında üretilen çok sayıda faydalı metabolit (örneğin, γ-aminobütirik asit, vitaminler, vb.) fermente gıdaların besin değerini artırmak için faydalıdır. Farklı tip veya yapıdaki metabolitlerin faydalı etkileri önemli farklılıklar gösterebilir ve üretimleri suşa özgüdür.
Bu nedenle, fermentör suşlarının karakteristik metabolitlerini ve işlevlerini analiz etmek ve faydalı metabolitlerin, bakterilerin ve substratların düzenleyici mekanizmalarını ve moleküler düzenleme yasalarını araştırmak, yüksek faydalı metabolit üretimine sahip suşların madenciliği için teorik bir temel sağlayabilir.
Fermantasyon suşlarının genomik büyük verilerine dayanarak, AntiSMASH ve BiG-SLiCE gibi biyoinformatik yazılımları, faydalı metabolitlerin biyosentetik gen kümelerini (BGC'ler) ve bunların biyoaktivitelerini MIBiG veritabanı ile birlikte tahmin etmek için kullanılmıştır.
Karakteristik metabolitleri izole etmek ve saflaştırmak ve yapısal olarak karakterize etmek için iyon değişimi ve jel / afinite kromatografisi gibi entegre teknikler kullanılmış ve fermentör suşlarının etkinliklerini gösteren faydalı metabolitlerin kantitatif-etki ilişkisi, entegre bir fonksiyonel değerlendirme modeli olarak in vitro bağırsak simülasyonu ve hayvan deneyleri ile daha da aydınlatılmıştır.
Ayrıca, fermentör suşların fermantasyon süreci sırasında bakteriler, faydalı metabolitler ve substratlar arasındaki dinamik ilişkinin genom ve metabolit seviyelerinde araştırılmasıyla, faydalı metabolitlerin sentezi ve düzenlenmesi ile ilgili fonksiyonel genler ve metabolik yollar açıklığa kavuşturulabilir.
Bakteriyel büyüme, ürün üretimi ve substrat tüketiminin kinetik bir modelini oluşturarak, yararlı metabolitlerin hedeflenen düzenlemesini gerçekleştirmek için pH, besin substratı ve koenzimlerin suşlar tarafından metabolitlerin sentezi üzerindeki düzenleme yasalarını araştırabiliriz.
Yüksek GABA üreten suşların elde edilmesi örnek olarak alındığında, genomik verilere dayanarak, suşların GABA sentezi ile ilgili gad manipülatörleri, GABA biyosentezi için anahtar genler olan gadA ve gadB'nin yanı sıra hücre zarında GABA taşınması işlevinden sorumlu gen olan gadC de dahil olmak üzere karşılaştırmalı genomik ile tanımlanmıştır; Lactobacillus shortus'un, genomik analiz yoluyla tam gad manipülatörleri taşıyan tek Lactobacillus türü olduğu belirlenmiştir. manipülatörü. İn vitro testler Lactobacillus casei NCL912'nin (205.8±8.0) g/L GABA ürettiğini, manipülatöre sahip olmayan Lactobacillus plantarum KCTC3103'ün ise sadece 0.67 g/L ürettiğini ortaya koymuştur. İn vitro tahlil sonuçları Lactobacillus casei NCL912'nin tam bir manipülatöre sahip tek Lactobacillus plantarum türü olduğunu göstermiştir.
Ayrıca, piridoksal fosfatın (PLP) farklı konsantrasyonlarının (0, 10, 20, 30, 40, 50 ve 100 μmol/L) Lactobacillus shortum RK03 tarafından GABA üretimi üzerindeki etkisi araştırılmış ve en yüksek GABA üretiminin kültür ortamında 10 μmol/L ve 20 μmol/L PLP konsantrasyonlarında elde edildiği bulunmuştur.
Karmaşık fermentör suş gruplarının simbiyozu ve sinerjik etkisi için maddi temelin analizi
Karmaşık fermentör suşlarının simbiyozu ve sinerjizmi, bakterilerin büyümesini teşvik edebilir, metabolitlerin üretimini optimize edebilir, böylece genel fermantasyon verimliliğini ve gıda kalitesini artırabilir ve ayrıca mikrobiyal topluluğun stabilitesini koruyarak ürünün stabilitesini artırabilir.
Bileşik fermentör suşlarının simbiyoz ve sinerjisinin maddi temeli, temel olarak aşağıdakileri içeren çeşitli biyokimyasal ve mikrobiyolojik mekanizmaları içerir:
(1) Tamamlayıcı metabolik yollar: farklı suşlar farklı metabolik yollara ve enzim sistemlerine sahip olabilir ve bu yollar substrat dönüşümü ve metabolit üretiminde birbirini tamamlayarak genel metabolik kapasiteyi artırır.
2) Metabolitlerin karşılıklı kullanımı: Bazı suşlar tarafından substratların ayrıştırılmasıyla üretilen metabolitler, diğer suşların büyümesi için gerekli substratlar olabilir ve bu simbiyotik ilişki, substratların tam kullanımını teşvik eder ve metabolit birikimini azaltır.
(3) Enzim sinerjisi: Farklı bakteri türleri tarafından salgılanan enzimler tamamlayıcı işlevlere sahip olabilir ve substratların parçalanması veya dönüştürülmesinde birlikte çalışarak reaksiyon hızını artırabilir.
(4) Simbiyotik madde değişimi: farklı bakteri türleri, maddelerin salgılanması veya hücreler arası bağlantı yapısı yoluyla besin maddeleri, sinyal molekülleri vb. gibi maddeleri değiş tokuş edebilir ve bu simbiyotik değişim, türler arasında karşılıklı koordinasyonu ve büyüme düzenlemesini teşvik eder.
(5) Çevresel faktör düzenlemesi: simbiyotik ilişki, suşların çevresel faktörlere uyum yeteneğini artırabilir, örneğin bazı suşlar diğer suşların çevresel strese daha iyi uyum sağlamasına yardımcı olmak için antioksidan maddeler veya yüzey aktif maddeler üretebilir.
Bileşik fermentör suşları grup simbiyozu ve sinerjizmi esas olarak çapraz beslenme, grup algılama ve benzeri gibi mikroorganizmalar arasındaki olumlu etkileşimlere bağlıdır.
1) Çapraz besleme. Çapraz beslenme, bakteri/suş türlerinin kendi büyümelerini desteklemek için diğer bakteri/suş türleri tarafından salgılanan metabolitleri (karbon kaynakları, azot kaynakları, amino asitler, vitaminler ve diğer büyüme faktörleri dahil) kullandığı metabolik karşılıklı beslenme ilişkisini ifade eder.
Süt fermantasyonu sırasında Lactobacillus bulgaricus ve Streptococcus thermophilus kompozit fermentörü arasındaki sinerjik simbiyoz tipik bir çapraz beslenme modelidir. Streptococcus thermophilus, proteazın (prtS) zayıf bir kazein parçalama kabiliyetine sahiptir ve büyüme için yeterli amino asitleri doğrudan süt sisteminden elde edemezken, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus'a büyüme için gerekli amino asitleri (histidin, metiyonin ve prolin gibi), küçük moleküllü peptitleri vb. sağlayabilen güçlü protein hidroliz kabiliyeti sergiler, Lactobacillus bulgaricus'un çoğu piruvat-format parçalama enziminin yanı sıra folat senteziyle ilgili enzimlerden yoksundur ve bu nedenle suşun büyümesi için gerekli olan folat, format ve piridin vb. sentezleyemez.
Streptococcus thermophilus yüksek piruvat-format liyaz aktivitesinin yanı sıra Lactobacillus bulgaricus'a bu temel maddeleri sağlayabilen sağlam bir folat sentez yoluna sahiptir.
2) Grup indüksiyonu. Grup algılama, kendi kendine indükleyicilerin aracılık ettiği bir suş/suş grubu iletişimi olgusudur. Bazı mikroorganizmalar sinyal molekülleri üretir ve bunları çevreye salar; konsantrasyonları belirli bir eşiğe ulaştığında, hücrelerin sinyal moleküllerine yanıt vermesini tetikler ve bu da özellikle aşağı akış gen ifadesini aktive eder. Bu etkileşim şekli mikrobiyal topluluklar arasındaki ilişkiyi etkiler.
Bu tür sinyal molekülleri, Gram-negatif bakterilerde bulunan N-asil-homoserin lakton (AHL), Gram-pozitif bakterilerde kendini indükleyen peptitler (Streptococcus lactis peptidi, fitolaktobasillusin vb.) ve furoseboril boronat gibi farklı suşlarda değişiklik gösterir ve mayada tespit edilen sinyal molekülleri, diğer maddelerin yanı sıra esas olarak farnesol, triptofanol ve tirozol gibi aromatik alkollerdir.
Bu sinyal moleküllerinin aracılık ettiği grup algılama, hücresel otolizi teşvik ederek, suşun çevresel stres toleransını artırarak vb. fermentör etkileşimlerinde önemli bir rol oynar. Örneğin AI-2'nin Streptococcus thermophilus'un asit toleransını ve metabolik hızını artırarak Lactobacillus bulgaricus ile etkileşimi geliştirdiği gösterilmiştir.
Her suş, metabolit üretiminin türü, miktarı ve zamanlamasındaki farklılıklarla benzersiz bir metabolik potansiyele sahip olduğundan, kompozit fermentör suşları arasındaki etkileşimlerin varlığı ve gücü, suşların spesifik kombinasyonuna bağlıdır.
Gelecekteki araştırmalar, farklı suş türlerinin birlikte fermantasyonu sürecinde gen ifadesinin, karakteristik metabolitlerin, sinyal moleküllerinin ve diğer maddi değişim kurallarının düzenlenmesini analiz etmek için transkriptomik, metabolomik ve diğer araçlarla birlikte çok suşlu bir birlikte fermantasyon metabolik simbiyoz ağı oluşturmak için yapay zeka teknolojisini kullanacak ve mükemmel kompozit fermentörlerin araştırılması ve oluşturulması için teorik bir temel sağlamak üzere grup algılama, çapraz besleme ve diğer etkileşimlere dayalı kompozit gıda fermentörlerinin grup simbiyozunun ve sinerjik etkisinin maddi temelini araştıracaktır. Mükemmel kompozit fermentörlerin araştırılması ve oluşturulması için teorik temel sağlamak.
Özel Fermente Gıdalarda Kalite Oluşum Mekanizması ve Yönsel Düzenleme
Özel fermente gıdaların kalite oluşum süreci, mikroorganizmaların gıda matrisindeki proteinleri, lipidleri ve karbonhidratları metabolize ederek benzersiz tatlar ve besinler ürettiği bir süreçtir ve mikroorganizmaların ve metabolitlerinin çeşitliliği bu süreci etkileyen temel faktördür.
Özel fermente gıdaların kalitesinin hedeflenen düzenlemesini gerçekleştirmek için, öncelikle doğal aşılama koşulları altında özel fermente gıdaların kalite oluşum mekanizmasını, yani fermente mikroorganizmaların benzersiz mikrobiyal toplulukları nasıl oluşturduğunu ve bunları tam olarak nasıl metabolize ettiğini açıklığa kavuşturmak gerekir.
İkinci olarak, fermente gıdalardaki orijinal mikrobiyal topluluk, fermente ürün kalitesinde kolayca dalgalanmaya neden olan yüksek karmaşıklık, zayıf stabilite ve fonksiyonel fazlalık kusurlarına sahip olduğundan, fermantasyon için karakteristik mikrobiyal suşların seçimi ve rekombinasyonu yoluyla kompozit bir fermentör oluşturmak, fermente gıda kalitesinin hedeflenen düzenlemesini iyileştirmek için gereklidir.
Fermente gıdaların kalite oluşum mekanizması ve yön düzenlemesi, hammadde seçimi, fermantasyon suşları, fermantasyon koşulları ve üretim süreçleri dahil olmak üzere bir dizi faktörü içerir.
(1) Suş seçimi: fermente gıdanın suşu, kaliteyi etkileyen temel faktörlerden biridir ve uygun fermantasyon suşlarının seçimi, metabolitler, enzim sistemi ve diğer özellikleri aracılığıyla gıdanın lezzetini, dokusunu ve besin bileşimini düzenleyebilir; suşların türü ve oranı, fermantasyon işlemi sırasında metabolitleri ve bunların etkileşimlerini etkileyecek ve bu da nihai ürünün kalitesini etkileyecektir.
(2) Fermantasyon koşulları: sıcaklık, nem, pH, oksijen içeriği ve diğer faktörler de dahil olmak üzere fermantasyon koşullarının kontrol edilmesi, suşların büyümesini ve metabolik aktivitesini etkileyecek ve bu da ürünün dokusunu, tadını, besin bileşimini vb. etkileyecektir.
(3) Hammadde türleri: farklı hammaddeler farklı bileşim ve özelliklere sahiptir, bu da fermente gıdanın kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olacak, yüksek kaliteli hammaddelerin seçilmesi ve işleme ve arıtma için fermantasyon sürecinin farklı gereksinimlerine göre, ürünün tadını, rengini, aromasını vb. iyileştirebilir.
(4) Yardımcı fermantasyon maddesi: bazı özel fermente gıdaların, fermantasyon sürecini teşvik etmek ve ürünün kalitesini düzenlemek için maya, laktobasil, Aspergillus vb. gibi yardımcı fermantasyon maddesi eklemesi gerekir; fermantasyon maddesinin türü ve oranının makul bir şekilde seçilmesi, ürünün lezzet ve besin bileşimi özelliklerini artırabilir.
(5) Fermantasyon süreci kontrolü: Fermantasyon sürecinin yakından kontrolü, fermantasyon süresi, fermantasyon sıcaklığı, karıştırma hızı ve düzenlemenin diğer parametreleri dahil olmak üzere ürün kalitesini sağlamanın anahtarıdır, fermantasyon derecesini ve ürünün nihai kalitesini etkileyecektir.
(6) Mikrobiyal topluluğun dinamik düzenlenmesi: Fermente gıdaların mikrobiyal topluluğunun dinamik değişimi, ürün kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, fermantasyon sürecinin makul tasarımı yoluyla, ürün kalitesinin yönlü düzenlemesini gerçekleştirmek için farklı aşamalarda mikrobiyal topluluğun bileşimini kontrol edebilir.
Gıda fermantasyon ajanlarına dayalı özel fermente gıdaların kalitesinin hedeflenen düzenlemesini gerçekleştirirken, ilk görev mikrobiyal toplulukların yapısını ve işlevlerini ve ayrıca ortak çoklu-omik analiz çerçevesinde özel fermente gıdalarda bu toplulukların ardıllık yasalarını derinlemesine araştırmaktır.
Enzim, bakteri ve madde sistemleri arasındaki etkileşimlerin derinlemesine analizi sayesinde, çekirdek fonksiyonel mikrobiyota ile gıda kalitesi arasındaki ilişki ortaya çıkarılacaktır.
Bu temelde, kompozit fermantasyon aracılı gıda fermantasyonunu etkileyen çevresel faktörler (örn. nem, pH, oksijen ve sıcaklık, vb.) ve biyolojik faktörler (örn. başlangıç mikrobiyal bolluğu, gecikme süresi ve mikrobiyal etkileşimler, vb.) araştırılmış ve rekombinant kompozit fermentör suşlarının optimal bileşim oranı ve optimal çevresel faktörler simüle fermantasyon ve matematiksel modelleme ile analiz edilmiştir.
Wang ve arkadaşları, beyaz şarap fermantasyonu sırasında spesifik aroma bileşikleri üreten çekirdek mikrobiyotayı belirlemek için korelasyon analizi gibi istatistiksel yöntemlerle birlikte 16SrRNA dizileme teknolojisini, hedef dışı metabolomik teknolojisini kullanmış ve fermente gıda aromalarının hedeflenen düzenlemesini gerçekleştiren rekombinant kompozit fermentör suşları ile beyaz şarap fermantasyonundaki aroma bileşiklerini yeniden üretmiştir. Bu başarı sadece fermente gıda kalitesinin yönlü düzenleme potansiyelini göstermekle kalmıyor, aynı zamanda gıda bilimi alanına yeni araştırma fikirleri ve teknik yollar getiriyor.
En son yerel ve uluslararası çalışmalar kapsamlı bir şekilde analiz edildiğinde, laktik asit bakteri fermentörlerinin gıda fermantasyonu alanındaki araştırmaların çekirdeğini oluşturduğu görülmektedir. Mükemmel üretim ve probiyotik özelliklere sahip fermentör suşlarının taranması ve çok suşlu sinerjik kompozit fermentörlerin geliştirilmesi, gıda fermantasyon endüstrisindeki gelişme eğilimleridir.