Evaluation of Sensory Properties and Short-Chain Fatty Acid Production in Fermented Soymilk on Addition of Fructooligosaccharides and Raffinose Family of Oligosaccharides
添加低聚果糖和棉子糖家族寡糖后发酵豆浆中感官特性和短链脂肪酸生成的评估
来源：Fermentation 2025, 11, 194
1.摘要
益生菌与益生元在单一食品中的联合应用（即"合生元"）具有巨大潜力，其中益生元能特异性促进益生菌的生长和活性。本研究系统比较了低聚果糖（FOS）和棉子糖家族寡糖（RFOs）对鼠李糖乳杆菌JCM1136与融合魏斯氏菌30082b共发酵豆浆的益生元效应，评估了细菌活菌数、寡糖水解、短链脂肪酸（SCFA）生物合成及感官属性的变化。结果显示，添加3% RFOs的豆浆中益生菌活菌数最高，达1.21×10⁹ CFU/mL，显著高于以3% RFOs替代葡萄糖的MRS培养基（3.21×10⁸ CFU/mL）和3% FOS组（6.2×10⁷ CFU/mL）。3% RFOs组中棉子糖和水苏糖分别被代谢降解4.75倍和1.28倍，而3% FOS组中葡萄糖、半乳糖和果糖分别增加2.36倍、1.55倍和2.76倍。3% RFOs组的丙酸甲酯含量增加99倍，3% FOS组则以丁酸甲酯升高为主。感官评价显示，添加2% RFOs+2% FOS+2%蔗糖+1%香草醛的发酵豆浆总体接受度最高（7.87±0.52），在口感、稠度、味道和风味方面表现优异。本研究表明，大豆与益生菌、益生元的联合应用能增强三者间的协同作用，显著提升合生元豆浆的营养和感官品质。
2.关键词（中文）
乳酸菌、共培养发酵、合生元豆浆、低聚果糖、棉子糖寡糖、短链脂肪酸、感官分析
3.研究目的
一是系统比较FOS和RFOs两种主流益生元对鼠李糖乳杆菌JCM1136与新兴益生菌融合魏斯氏菌30082b共发酵体系的益生元效应差异；二是明确两种益生元对益生菌生长、寡糖代谢及短链脂肪酸生成的调控作用；三是优化合生元豆浆的配方，在提升营养和功能价值的同时改善感官接受度；四是验证共培养发酵在益生元利用方面的协同优势，为开发高品质植物基合生元食品提供科学依据和技术支撑。
4.研究思路
研究分为六个核心阶段：第一阶段，制备添加不同浓度（2%、3%）FOS和RFOs的豆浆培养基，接种1%（v/v）1:1比例的鼠李糖乳杆菌与融合魏斯氏菌混合菌液，37℃微需氧条件下发酵48小时；第二阶段，动态监测发酵过程中0-48小时的pH和滴定酸度变化，评估发酵进程；第三阶段，测定发酵0小时和24小时的寡糖（棉子糖、水苏糖）、单糖（葡萄糖、半乳糖、果糖）及蔗糖浓度变化，分析糖代谢规律；第四阶段，通过平板计数法测定发酵24小时的活菌数，并使用Bioscreen C生长分析仪测定不同碳源下纯培养和共培养的生长动力学参数；第五阶段，采用气相色谱法（GC）分析发酵24小时后短链脂肪酸甲酯（丙酸甲酯、丁酸甲酯）的生成量；第六阶段，组织25名经过培训的评价员，采用9点喜好标度对18种不同配方的发酵豆浆进行感官评价，结合主成分分析（PCA）确定最优配方。
5.研究亮点
一是首次系统比较了FOS和RFOs对鼠李糖乳杆菌与融合魏斯氏菌共发酵体系的益生元效应，明确了RFOs在促进益生菌生长方面的显著优势，填补了两种益生元在该共培养体系中应用的研究空白；二是揭示了不同益生元诱导的差异化短链脂肪酸代谢谱，发现RFOs主要促进丙酸甲酯生成（增加99.8倍），而FOS更有利于丁酸甲酯生成（增加3.6倍），为针对性设计具有特定健康功能的合生元产品提供了依据；三是验证了共培养发酵的协同优势，共培养的倍增时间（39.3-63分钟）显著短于纯培养（52-125分钟），证明两种菌通过代谢互补提高了对寡糖的利用效率；四是优化出了感官接受度极高的合生元豆浆配方，通过益生元组合、蔗糖和香草醛的协同作用，有效掩盖了豆浆的豆腥味，总体喜好得分达7.87，解决了传统发酵豆浆感官不佳的问题；五是建立了从生长动力学、代谢产物到感官评价的多维度综合评估体系，全面揭示了益生元-益生菌-豆浆基质间的相互作用机制。
6.可延伸方向
一是进一步优化益生元组合，探索FOS、RFOs与菊粉、低聚半乳糖、低聚木糖等其他益生元的复配效应，筛选出协同作用更强的益生元组合；二是扩大益生菌菌株范围，测试植物乳杆菌、双歧杆菌等其他常用益生菌与益生元的协同作用，开发更多样化的合生元豆浆产品；三是研究发酵过程中其他功能代谢产物的变化，如维生素、氨基酸、异黄酮苷元等，全面评估合生元豆浆的营养价值；四是评估产品在不同储存条件（4℃、25℃）下的稳定性，包括活菌数、pH、酸度和感官品质的变化，确定保质期；五是开展动物实验和人体临床试验，验证合生元豆浆对肠道菌群调节、免疫增强及代谢健康的实际功效；六是开发工业化生产工艺，优化发酵参数、灭菌条件和包装方式，解决大规模生产中的技术难题；七是探索低聚糖的绿色制备技术，如利用微生物酶法从大豆副产物中提取RFOs，降低生产成本。
7.测量的数据及研究意义
测定了发酵0、12、24、36、48小时不同配方豆浆的pH和滴定酸度数据，数据来自图1A、1B。意义：直观反映了发酵进程和产酸规律，3% RFOs组pH下降最快、酸度最高，表明该组益生菌代谢最活跃，同时pH降至4.2-4.5的安全范围，有效抑制了致病菌生长。
测定了发酵0小时和24小时豆浆中棉子糖和水苏糖的浓度变化数据，数据来自图2A、2B。意义：证明两种益生菌能有效水解大豆中的胀气因子，3% RFOs组棉子糖减少4.75倍、水苏糖减少1.28倍，显著提高了豆浆的消化安全性。
测定了发酵0小时和24小时豆浆中葡萄糖、半乳糖、果糖和蔗糖的浓度变化数据，数据来自图3A、3B、3C、3D。意义：明确了寡糖水解的产物组成，3% FOS组果糖增加2.76倍，3% RFOs组葡萄糖增加2.78倍，这些单糖不仅为益生菌生长提供了能量，还改善了豆浆的天然甜度。
测定了发酵24小时后合生元豆浆和对应MRS培养基中的益生菌活菌数数据，数据来自图4。意义：定量比较了两种益生元的益生元效应，3% RFOs组活菌数达1.21×10⁹ CFU/mL，是3% FOS组的5.8倍，且显著高于MRS培养基，证明豆浆基质与RFOs具有协同促生长作用。
测定了纯培养和共培养在不同碳源下的生长曲线及倍增时间数据，数据来自图S2、S3和表S1。意义：验证了共培养的协同生长优势，2% RFOs组共培养倍增时间仅39.3分钟，显著短于纯培养，为发酵工艺参数优化提供了动力学依据。
测定了发酵24小时后豆浆中丙酸甲酯和丁酸甲酯的浓度数据，数据来自图5。意义：揭示了不同益生元对短链脂肪酸代谢的调控作用，RFOs偏向丙酸生成、FOS偏向丁酸生成，而丙酸和丁酸分别具有调节血脂、提供结肠细胞能量等不同健康功效。
测定了18种配方发酵豆浆的感官评价得分数据，数据来自表1和图6。意义：通过主成分分析明确了影响感官接受度的关键因素是口感、味道和风味，确定了最优配方为2% RFOs+2% FOS+2%蔗糖+1%香草醛，为产品商业化开发提供了直接依据。
8.结论
本研究系统比较了FOS和RFOs对鼠李糖乳杆菌JCM1136与融合魏斯氏菌30082b共发酵豆浆的影响，证实添加益生元能显著提升发酵豆浆的品质。RFOs的益生元效应优于FOS，能更有效地促进益生菌生长，使活菌数达到1.21×10⁹ CFU/mL，同时显著水解棉子糖和水苏糖等胀气因子。两种益生元诱导产生差异化的短链脂肪酸谱，RFOs主要促进丙酸甲酯生成，FOS则更有利于丁酸甲酯生成，赋予产品不同的健康功能。通过配方优化，结合2% RFOs、2% FOS、2%蔗糖和1%香草醛的发酵豆浆获得了最高的感官接受度，有效掩盖了豆腥味，改善了口感和风味。本研究表明，FOS和RFOs的添加是提升共发酵豆浆营养和感官品质的有效策略，为开发高品质植物基合生元食品提供了科学依据和技术支撑。
9.芬兰Bioscreen仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义
本研究使用芬兰Bioscreen C全自动微生物生长曲线分析仪（型号FP-1100-C），在化学限定培养基中测定了鼠李糖乳杆菌JCM1136、融合魏斯氏菌30082b纯培养及两者共培养在葡萄糖、2% FOS、3% FOS、2% RFOs、3% RFOs作为唯一碳源时的生长动力学，每小时自动测定一次600 nm处的光密度值，连续监测48小时。这些生长曲线数据的研究意义主要体现在以下几个方面：
精准量化不同碳源的益生元效应：Bioscreen的连续监测能力能够完整记录细菌从延迟期、对数期到稳定期的整个生长过程，通过计算比生长速率和倍增时间，精准量化了不同碳源对益生菌生长的支持能力。数据显示，共培养在2% RFOs中的倍增时间最短（39.3分钟），其次是3% RFOs（41.4分钟），而在葡萄糖中的倍增时间为52-63分钟，明确证明RFOs是比葡萄糖和FOS更优的碳源，为益生元的选择提供了定量依据。
直接验证共培养的协同生长机制：通过对比纯培养和共培养的生长曲线，直观展示了两种菌之间的互利共生关系。纯培养的鼠李糖乳杆菌在RFOs中的倍增时间为55-125分钟，融合魏斯氏菌为52-87分钟，而共培养的倍增时间显著缩短，说明两种菌通过代谢互补（如一种菌水解寡糖产生的单糖可供另一种菌利用）提高了对碳源的利用效率，为共培养发酵体系的合理性提供了直接证据。
为发酵工艺优化提供动力学基础：生长曲线明确了益生菌在不同碳源下的生长周期，确定了对数生长期的结束时间约为24小时，此时活菌数达到峰值。这一结果为工业化生产中发酵时间的控制提供了关键参数，避免了发酵不足导致活菌数低或发酵过度导致酸度过高、感官变差的问题。
排除基质干扰，准确评估碳源利用能力：实验采用化学限定培养基，确保碳源是唯一的变量，排除了豆浆中其他营养成分对细菌生长的影响。数据证明两种益生菌都能直接利用FOS和RFOs作为唯一碳源生长，无需依赖其他营养物质，进一步证实了这两种益生元的有效性。
实现高通量、标准化的生长评估：Bioscreen的100孔通量设计，使得本研究能够同时测定多个菌株、多个碳源浓度的生长曲线，每个样品设置多个重复，大幅提高了实验效率。仪器的全自动化操作消除了人工取样带来的误差，保证了所有样品在完全一致的温度、振荡和通气条件下培养，提高了数据的可靠性和可比性。
为后续配方浓度优化提供依据：通过比较2%和3%浓度的FOS和RFOs对生长的影响，发现2% RFOs的促生长效果略优于3% RFOs，而3% FOS优于2% FOS。这一结果为益生元添加浓度的优化提供了参考，在保证益生菌生长的同时，降低了原料成本。