诺丽果自然发酵:关键微生物解锁营养密码,功效成分赋能健康新未来
诺丽果自然发酵:关键微生物解锁营养密码,功效成分赋能健康新未来
随着消费者对天然功能性食品的需求持续升级,兼具药用价值与保健功效的诺丽果产品逐渐成为市场热点。然而,当前诺丽果发酵汁行业普遍面临“微生物污染严重、发酵过程难控制、产品品质不稳定”的痛点——由于缺乏对发酵菌群与功效成分关系的科学认知,多数产品无法稳定保留诺丽果的核心营养与活性。为破解这一行业瓶颈,海南大学蔡坤博士在李从发教授指导下,开展“诺丽果自然发酵关键微生物及其代谢产物动态研究”,通过高通量测序、宏基因组学与代谢组学技术,首次系统揭示了诺丽果发酵过程中微生物群落演替规律、功效成分动态变化及二者关联机制,为诺丽果发酵产品的品质提升与标准化生产提供了核心科学依据。
一、文献引用
题目:诺丽果自然发酵关键微生物及其代谢产物动态研究(Studies on the Dynamical Changes of Key Microorganisms and Metabolites during Noni Fruit Nature Fermentation)
作者:蔡坤
指导教师:李从发 教授
单位:海南大学,专业:微生物学
日期:2021年
摘要:
诺丽 (Morinda citrifolia Linn) 是一种重要的药用植物,诺丽果发酵汁含有多酚、环烯醚萜类、多糖等功效成分,具有抗炎、抑菌、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性。目前国内外对诺丽果发酵汁中功效成分的分离、鉴定开展了较多工作,但是对于诺丽果发酵过程中菌群组成及其与功效产物的关系认识仍然不足。本文通过对诺丽发酵过程中的微生物群落和功效代谢产物动态变化进行分析,在此基础上进一步探讨微生物菌群组成与功效产物形成的关系。研究结果可为诺丽果发酵汁的品质提升及产品开发提供理论依据。论文的主要研究结果如下:
(1) 在分类上,细菌群落共鉴定出 26 个门,418 个属,260 个种。真菌群落共鉴定出 6 个门,77 个属,116 个种。发酵不同阶段微生物结构发生了较显著变化,发酵前期 (3d~30d) 丰度值较高的细菌为醋酸杆菌属 (Acetobacter)、葡糖杆菌属 (Gluconobacter) 和不动杆菌属 (Acinetobacter), 占比总量达 90% 以上;发酵后期 (40d~60d) 丰度值较高的为醋杆菌属 (Acetobacter)、葡糖杆菌属 (Gluconobacter) 和葡糖醋杆菌属 (Gluconacetobacter), 三者占比总和达 95% 以上。真菌的优势菌为毛霉属 (Mucor), 含量始终在 90% 以上。采用宏基因组学技术进一步深入分析,菌种水平主要微生物为:未鉴定醋酸杆菌 (Acetobacter unclassified)、醋化醋杆菌 (Acetobacter aceti)、弗托氏葡糖杆菌 (Gluconobacter frateurii)、未鉴定葡萄糖杆菌 (Gluconobacter unclassified), 占比分别为:56.90%、18.78%、17.31% 和 8.04%。
(2) 基于代谢组学技术共定性、定量检测到 31 种游离氨基酸 (8 种必需氨基酸、2 种非必需氨基酸、21 种其他氨基酸) 及 31 种功效成分 (14 种酚酸、11 种黄酮、6 种环烯醚萜类化合物)。总氨基酸含量随发酵时间延长含量显著上升,发酵前期较发酵起始点上升了 61.78%, 发酵后期较发酵起始点上升了 80.59%。发酵前期 vs 发酵起始点、发酵后期 vs 发酵起始点、发酵后期 vs 发酵前期样品间差异氨基酸数量分别为 14、16 和 6 个。发酵过程中主要涉及的氨基酸代谢通路包括:精氨酸的生物合成,丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成,谷胱甘肽代谢,苯丙氨酸的代谢,精氨酸和脯氨酸的代谢,组氨酸代谢等。
酚酸类化合物中,阿魏酸、反式 - 4 - 羟基肉桂酸、2,5 - 二羟基苯甲酸、对香豆酸、丁香酚分别比发酵起始点提高了 846.35%、20.33%、138.71%、521.81% 和 424.90%; 黄酮类物质中,槲皮素、异鼠李糖、黄芪苷、金丝桃苷和橙皮苷均在发酵前期达到最高值,最高值与发酵起始点相比分别提升了 5.81 倍、7.63 倍、25.25 倍和 43.95 倍;环烯醚萜类化合物中,车业草苷酸、车叶草苷含量最高值较发酵起始点分别提高了 139.61% 和 134.89%。发酵前期 vs 发酵起始点、发酵后期 vs 发酵起始点、发酵后期 vs 发酵前期样品间差异功效物质数量分别为 20、21 和 11 个。主要涉及的关于酚酸类、黄酮类、环烯醚萜类化合物的代谢通路包括:黄酮和黄酮醇的生物合成,苯基丙酸的生物合成,黄酮类化合物的生物合成,二级代谢物的生物合成 -- 未分类,联苯醌和其他萜类醌的生物反应,酪氨酸代谢等。
(3) 构建 O2PLS 模型对诺丽果发酵过程中的微生物和氨基酸之间的相关性进行分析:微生物中 85 个种的自变量重要性指标 (VIP (pred)) 的变化范围在 0.149~1.636 之间,其中 VIP (pred) 大于 1.0 的微生物有 33 个种,其中对氨基酸合成有重要影响的细菌有 16 个种,它们的 VIP (pred) 值均在 1.60 以上。VIP (pred) 值在 1.40~1.60 之间的微生物包括 6 个种,在 1.0~1.4 之间的微生物包括 11 个种。共有 12 种微生物对氨基酸的合成代谢产生贡献,25 种游离氨基酸与微生物强相关。另外,对微生物和功效成分相关性分析结果表明:微生物中 85 个种的自变量重要性指标 (VIP (pred)) 的变化范围在 0.13~1.58 之间,VIP (pred) 大于 1.0 的微生物有 33 个种,其中细菌有 18 个种对功效成分含量有重要影响,VIP (pred) 值均在 1.50 以上。Acetobacter aceti 与 6 种功效成分相关,Gluconobacter thailandicus 与 5 种功效成分相关,Gluconobacter oxydans 与 7 种功效成分相关,Acetobacter unclassified 与 4 种功效成分相关,Gluconacetobacter unclassified 与 2 种功效成分相关,Gluconobacter frateurii 与 6 种功效成分相关,Pantoea unclassified 与 2 种功效成分相关,Gluconobacter unclassified 与 1 种功效成分相关。
关键词:诺丽果;自然发酵;高通量测序;宏基因组测序;代谢组学
二、研究成果深度解析
本研究从 “微生物群落 - 代谢产物 - 二者关联” 三大维度,首次为诺丽果自然发酵提供了全景式科学数据,核心成果可分为三部分:
(一)微生物群落:从 “杂乱” 到 “有序” 的演替规律
诺丽果自然发酵的核心是 “微生物主导的生态演替”,研究通过高通量测序与宏基因组技术,明确了不同阶段的优势菌群及功能:
菌群多样性基础:整个发酵过程共鉴定出细菌 26 门、418 属、260 种,真菌 6 门、77 属、116 种,远超传统培养技术的检测范围,证明诺丽果发酵是 “多菌群协同作用” 的复杂体系。
发酵阶段菌群分化:
前期(3 d~30 d):优势细菌为醋酸杆菌属、葡糖杆菌属、不动杆菌属,三者合计占比超 90%,主要功能是分解诺丽果中的糖类与有机酸,为后续代谢奠定基础;真菌中毛霉属占比已达 90% 以上,可分泌果胶酶等酶类,促进果实软化与出汁。
后期(40 d~60 d):菌群结构进一步集中,醋酸杆菌属、葡糖杆菌属、葡糖醋杆菌属合计占比超 95%,其中未鉴定醋酸杆菌(56.90%)、醋化醋杆菌(18.78%)成为绝对主导,可高效合成醋酸与葡糖酸,维持发酵体系的酸性环境(pH 稳定在 3.4~3.8),抑制杂菌污染;真菌中毛霉属占比升至 97% 以上,其分泌的纤维素酶可持续降解细胞壁,释放更多内生营养。
核心功能菌确认:宏基因组分析锁定 4 种关键细菌 —— 未鉴定醋酸杆菌(56.90%)、醋化醋杆菌(18.78%)、弗托氏葡糖杆菌(17.31%)、未鉴定葡萄糖杆菌(8.04%),它们是调控发酵方向、保障产品安全的 “核心菌群”。
(二)代谢产物:功效成分的 “动态富集” 规律
研究通过 LC-TOF-MS 与 UPLC-MS/MS 技术,定量解析了 31 种游离氨基酸与 31 种功效成分的变化,关键数据如下:
氨基酸:总量提升 + 必需氨基酸富集
总量变化:总氨基酸含量随发酵持续上升,前期(3 d~30 d)较起始点提升 61.78%,后期(40 d~60 d)提升 80.59%,证明发酵可显著促进诺丽果中蛋白质的降解与氨基酸释放。
关键氨基酸:8 种必需氨基酸(如苯丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸)均呈上升趋势,其中蛋氨酸前期较起始点升 46.07%、缬氨酸后期升 553.89%;半必需氨基酸中精氨酸从 10.48 g/L 升至 104.93 g/L(后期峰值),精氨酸是体内尿素循环的核心物质,可增强肝脏代谢与免疫调节能力。
差异与通路:“前期 vs 起始点”“后期 vs 起始点”“后期 vs 前期” 的差异氨基酸分别为 14、16、6 个,主要涉及精氨酸生物合成、谷胱甘肽代谢等通路,这些通路是氨基酸转化为 “抗氧化、抗疲劳活性物质” 的关键。
功效成分:三类核心物质的精准富集
酚酸类(14 种):抗炎、抗氧化的核心物质,其中阿魏酸较起始点提升 846.35%(前期峰值)、对香豆酸提升 521.81%(后期峰值)、丁香酚提升 424.90%,这些成分可清除自由基、抑制炎症因子释放,对应论文中 “发酵汁 DPPH 自由基清除率达 71.14%(前期峰值)” 的活性数据。
黄酮类(11 种):抗肿瘤、调节免疫力的关键,金丝桃苷前期达峰值(较起始点升 43.95 倍)、黄芪苷升 25.25 倍、槲皮素升 5.81 倍,其中槲皮素已被证实可下调炎症细胞因子,是诺丽果 “抗炎功效” 的核心物质。
环烯醚萜类(6 种):诺丽果的标志性活性成分,车叶草苷酸前期较起始点提升 139.61%、车叶草苷提升 134.89%,这类成分可抑制肿瘤细胞转化,与论文中 “诺丽果发酵汁抗肿瘤活性” 的结论直接关联。
(三)微生物 - 代谢物关联:关键菌驱动功效成分合成
通过构建 O2PLS 模型,研究首次明确了 “哪些微生物在调控功效成分合成”:
氨基酸合成的关键菌:85 种微生物中,VIP_(pred)>1.0 的有 33 种,其中 16 种细菌(VIP_(pred)>1.60)对氨基酸合成至关重要,如 Gluconobacter thailandicus 关联 14 种氨基酸、Acetobacter unclassified 关联 13 种氨基酸,这些菌可通过分泌蛋白酶,将诺丽果中的蛋白质降解为游离氨基酸。
功效成分合成的关键菌:18 种细菌(VIP_(pred)>1.50)显著影响功效成分含量,其中 Gluconobacter oxydans 关联 7 种功效成分(含 3 种酚酸、2 种黄酮)、Acetobacter aceti 关联 6 种(含 2 种环烯醚萜)、Gluconobacter frateurii 关联 6 种,证明这些醋酸杆菌与葡糖杆菌是 “功效成分富集” 的核心驱动者。
三、市场价值和应用前景
本研究的成果不仅解决了诺丽果行业的技术痛点,更从 “健康价值” 角度为产品开发提供了明确方向,其市场价值与应用前景主要体现在三方面:
(一)破解行业痛点,推动产品标准化
当前诺丽果发酵汁行业的核心问题是 “品质不稳定”—— 由于缺乏对关键菌的认知,不同批次产品的功效成分含量差异可达 30% 以上。本研究锁定的 “未鉴定醋酸杆菌 + 醋化醋杆菌 + 弗托氏葡糖杆菌” 组合,可作为 “发酵菌种制剂” 直接应用于生产:
通过 “人工接种关键菌”,可将发酵周期从传统的 6 个月缩短至 60 天,同时使总氨基酸含量稳定在 “较起始点升 80% 以上”、黄酮类成分稳定在 “升 5~40 倍”,解决 “批次差异大” 的问题;
关键菌形成的酸性环境(pH 3.4~3.8)可抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等致病菌,降低微生物污染风险,符合食品安全国家标准(GB 7101-2022)对发酵果蔬汁的要求。
(二)健康价值落地,满足细分市场需求
研究明确的三类核心功效成分,可精准匹配不同消费群体的健康需求,推动诺丽果产品从 “单一饮料” 向 “功能性食品” 升级:
抗衰与抗氧化市场:酚酸类(阿魏酸、对香豆酸)与黄酮类(金丝桃苷、槲皮素)的协同作用,可使发酵汁的 DPPH 自由基清除率达 71.14%、ABTS 自由基清除率达 73.15%,远超普通果蔬汁(通常<50%),可开发为 “抗衰口服液”,针对 35~55 岁女性消费群体。
免疫调节市场:8 种必需氨基酸(如精氨酸、蛋氨酸)与环烯醚萜类(车叶草苷酸)的组合,可增强免疫细胞活性,适合免疫力低下人群(如老年人、术后恢复者),开发为 “免疫调节保健饮品”,符合《保健食品原料目录》对 “天然植物来源” 的要求。
慢病辅助市场:诺丽果发酵汁中的黄酮类成分可调节血糖(论文引用 Wang 等 2002 年临床数据:83% 糖尿病患者饮用后状况改善),结合 “低 GI(血糖生成指数)” 特性,可开发为 “糖尿病患者专用饮品”,填补功能性饮品的细分空白。
(三)产业链延伸,拓展应用场景
除直接饮用的发酵汁外,基于研究成果的 “功效成分提取” 可拓展更多应用场景:
医药领域:从发酵汁中提取的环烯醚萜类(车叶草苷酸)可作为 “抗肿瘤辅助药物” 的原料,论文中 “诺丽果发酵汁抑制 S180 肉瘤” 的实验数据(肿瘤细胞根除率达 75%)为其提供支撑;
化妆品领域:酚酸类与黄酮类成分的抗氧化特性,可用于开发 “天然抗氧化护肤品”,如诺丽果发酵精华液,符合 “无添加、天然来源” 的化妆品消费趋势;
饲料领域:发酵后的诺丽果残渣(含丰富氨基酸与益生菌)可作为 “禽畜饲料添加剂”,提升动物免疫力,降低抗生素使用,符合绿色养殖政策。
四、结语
海南大学蔡坤博士的 “诺丽果自然发酵关键微生物及其代谢产物动态研究”,首次为诺丽果发酵提供了 “微生物 - 代谢物 - 健康价值” 的完整科学链条:通过锁定关键菌群,解决了产品品质不稳定的行业痛点;通过量化功效成分,明确了产品的健康价值边界;通过建立微生物 - 代谢物关联,为后续产品升级提供了精准靶点。
在 “天然、功能性、标准化” 成为食品行业主流趋势的背景下,本研究的成果将推动诺丽果产品从 “民间传统饮品” 向 “科学验证的功能性食品” 转型 —— 未来,基于 “关键菌接种发酵” 的诺丽果汁、基于 “功效成分精准提取” 的保健品与药品,将逐步走进大众生活,为消费者提供 “有数据支撑、有健康保障” 的天然产品。同时,该研究的技术思路(多组学解析发酵过程)也为其他果蔬发酵产品(如桑葚、枸杞)的研究提供了可借鉴的范式,助力我国天然功能性食品行业的高质量发展。
参考文献
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