Lactiplantibacillus plantarum-mediated bioconversion of blue honeysuckle juice amplifies phenolics to inhibit xanthine oxidase and reshapes volatile metabolome
植物乳杆菌介导的蓝金银花汁生物转化通过富集酚类物质抑制黄嘌呤氧化酶并重塑挥发性代谢组
来源：Food Chemistry 495 (2025) 146350
1.摘要
本研究针对蓝金银花（Lonicera caerulea L.）易腐烂、风味酸涩且天然黄嘌呤氧化酶（XO）抑制活性有待提升的问题，系统评估了8株植物乳杆菌发酵对蓝金银花汁功能性和感官品质的影响。结果表明，发酵显著增强了蓝金银花汁的XO抑制活性和抗氧化能力。通过LC-MS分析发现，发酵后6种具有XO抑制活性的关键酚类化合物含量大幅提升，包括矢车菊素-3-葡萄糖苷（C3G，IC₅₀=115.28 μmol/L）、矢车菊素-3,5-二葡萄糖苷（IC₅₀=116.34 μmol/L）、芍药素-3-葡萄糖苷（IC₅₀=105.34 μmol/L）、3-咖啡酰奎宁酸（IC₅₀=250.35 μmol/L）、槲皮素（IC₅₀=88.75 μmol/L）和儿茶素（IC₅₀=110 μmol/L）。分子对接和100 ns分子动力学模拟进一步阐明，这些酚类化合物通过氢键、范德华力和π-σ相互作用与XO活性位点稳定结合，其中范德华力是主要结合驱动力。此外，发酵显著降低了果汁中醛类物质的含量，重塑了挥发性代谢组，改善了感官品质。本研究证实植物乳杆菌发酵是提升蓝金银花汁降尿酸潜力和感官特性的有效策略，为开发功能性发酵果汁提供了理论依据和实践指导。
2.关键词（中文）
蓝金银花（蓝靛果）、乳酸菌发酵、降尿酸潜力、分子动力学模拟、花青素
3.研究目的
筛选能够高效提升蓝金银花汁中酚类物质含量和黄嘌呤氧化酶抑制活性的植物乳杆菌菌株；阐明发酵过程中酚类物质的生物转化规律及其增强XO抑制作用的分子机制；评估发酵对蓝金银花汁挥发性代谢组和感官品质的影响；为开发具有天然降尿酸功能的发酵蓝金银花汁产品提供优良菌株、科学工艺和理论基础。
4.研究思路
首先进行菌株生长特性测定：利用芬兰Bioscreen C全自动生长曲线分析仪测定8株植物乳杆菌在MRS培养基中的生长动力学，确定各菌株的最佳接种时间（对数生长期末期）。
其次制备发酵基质并进行发酵实验：选取BeiLei、LanJingLing和Wulan三个蓝金银花品种，分别制备全汁和澄清汁，调整pH和糖度后灭菌；将处于对数生长期末期的8株植物乳杆菌分别接种到果汁中，37℃发酵24 h，每4 h取样分析。
然后进行功能性评价：测定发酵过程中活菌数、pH、总酚含量（TPC）、XO抑制活性以及DPPH、ABTS、FRAP三种抗氧化能力；通过相关性分析明确总酚含量与功能性指标的关系。
接着解析物质基础和作用机制：采用HPLC-ESI-QTOF-MS²对发酵前后的酚类化合物进行定性和定量分析；测定6种关键酚类化合物的XO抑制活性（IC₅₀）；通过分子对接和100 ns分子动力学模拟，从原子水平揭示酚类化合物与XO的结合模式、稳定性及相互作用机制。
最后进行风味分析：利用GC-MS分析发酵前后挥发性代谢组的变化；结合30人专业感官评价小组，评估发酵对果汁香气特性的影响。
5.研究亮点
首次系统比较了8株植物乳杆菌对蓝金银花汁XO抑制活性的提升效果，筛选出KLDS1.0391、KLDS1.0320和KLDS1.0368三株高效菌株，其中KLDS1.0368发酵BeiLei全汁16 h后，总酚含量提升20.9%，XO抑制率从31.21%提高至48.93%。
明确了发酵增强XO抑制活性的物质基础：植物乳杆菌通过分泌β-葡萄糖苷酶等酶系，将结合态酚类物质转化为游离态，显著增加了槲皮素、儿茶素等活性更强的苷元类物质含量，其中槲皮素是蓝金银花汁中最强的XO抑制剂。
结合静态分子对接和动态分子动力学模拟，全面阐明了酚类化合物与XO的相互作用机制，发现范德华力是主要结合驱动力，而极性溶剂化能和构象熵是限制抑制活性的关键因素，为天然XO抑制剂的筛选和优化提供了理论指导。
同步分析了发酵对挥发性代谢组的影响，证实发酵能显著降低己醛、辛醛等具有青草味和刺激性的醛类物质含量，增加醇类和酯类物质，使果汁风味从酸涩青草味转向果香和发酵香，实现了功能性和感官品质的双重提升。
6.可延伸的方向
开展动物实验和人体临床试验，验证发酵蓝金银花汁的体内降尿酸效果、安全性及适宜摄入量，明确其对高尿酸血症和痛风的预防和辅助治疗作用。
优化发酵工艺参数，包括接种量、发酵温度、时间、初始pH和可溶性固形物含量，进一步提高酚类物质的转化效率和XO抑制活性，降低生产成本。
研究植物乳杆菌发酵过程中关键酶（如β-葡萄糖苷酶、糖苷水解酶）的表达和活性变化，阐明酚类物质的生物转化途径和调控机制。
开发复合发酵剂，结合酵母菌、双歧杆菌或其他功能性乳酸菌，发挥协同作用，进一步丰富产品的风味和功能性，如增加益生菌含量、提升肠道调节功能等。
研究发酵蓝金银花汁在不同储存条件（温度、光照、包装）下的稳定性，包括酚类物质的保留率、XO抑制活性的变化和风味劣变规律，延长产品保质期。
探索该发酵工艺在其他富含花青素的浆果（如蓝莓、黑加仑、桑葚）中的应用，开发系列具有降尿酸功能的发酵果汁产品，拓展蓝金银花的高值化利用途径。
结合膜分离、柱层析等技术，对发酵蓝金银花汁中的活性酚类物质进行分离纯化，开发高纯度的天然降尿酸功能食品添加剂或保健品原料。
7.测量的数据及其研究意义
植物乳杆菌生长曲线数据：来自图S1（8株植物乳杆菌在MRS培养基中的生长曲线）。研究意义：准确测定了不同菌株的生长周期，确定KLDS1.0367、KLDS1.0391和KLDS1.0320在培养11 h后进入对数生长期末期，其余菌株在14 h后进入该阶段，为发酵接种时间的选择提供了科学依据，确保接种时菌株处于最高活力状态。
发酵过程中活菌数和pH数据：来自表S1（8株植物乳杆菌在三个品种蓝金银花汁中的活菌数和pH变化）。研究意义：证实了8株植物乳杆菌均能在蓝金银花汁中良好生长，发酵16 h后活菌数均超过9 Log CFU/mL，同时pH从初始的6.5降至4.0左右，表明菌株代谢活跃，产生了大量乳酸，为酚类物质的生物转化提供了适宜的酸性环境。
总酚含量（TPC）数据：来自表S2（发酵过程中三个品种蓝金银花全汁和澄清汁的TPC变化）和图1A（KLDS1.0391、KLDS1.0320和KLDS1.0368发酵BeiLei全汁和澄清汁的TPC动态变化）。研究意义：表明发酵能显著提高蓝金银花汁的总酚含量，且全汁发酵效果显著优于澄清汁（p<0.05），这是因为果渣中的结合态酚类物质在发酵过程中被微生物酶解转化为游离态；同时筛选出三株提升TPC效果最佳的菌株，为后续研究奠定了基础。
XO抑制活性数据：来自表S3（发酵过程中三个品种蓝金银花全汁和澄清汁的XO抑制活性变化）、图1B（三株优势菌株发酵BeiLei全汁和澄清汁的XO抑制活性动态变化）和图1F（三个品种蓝金银花汁和别嘌醇的IC₅₀值）。研究意义：首次证实发酵能显著增强蓝金银花汁的XO抑制活性，其中BeiLei品种的效果最佳（未发酵IC₅₀=150 μg/mL，发酵后最低IC₅₀=95 μg/mL），接近阳性对照别嘌醇（IC₅₀=103 μg/mL）；全汁发酵效果优于澄清汁，为降尿酸功能产品的开发提供了直接实验依据。
抗氧化能力数据：来自表S4-S6（发酵过程中三个品种蓝金银花全汁和澄清汁的DPPH、ABTS和FRAP抗氧化能力变化）和图1C-E（三株优势菌株发酵BeiLei全汁的抗氧化能力动态变化）。研究意义：表明发酵能同时显著提升蓝金银花汁的三种抗氧化能力，且抗氧化能力与总酚含量呈显著正相关，进一步验证了发酵对果汁功能性的提升作用，也为产品增加了抗氧化的附加价值。
相关性分析数据：来自图1G（总酚含量、XO抑制活性和三种抗氧化能力之间的Pearson相关性系数）。研究意义：明确了总酚含量是影响蓝金银花汁XO抑制活性和抗氧化能力的核心因素（相关系数分别为0.77、0.79、0.80、0.83），为后续聚焦酚类化合物的研究提供了明确方向。
酚类化合物定性定量数据：来自表1（发酵前后BeiLei全汁中26种酚类化合物的含量）和图S2（酚类化合物的HPLC色谱图）。研究意义：系统鉴定了蓝金银花汁中的26种酚类化合物，包括14种花青素、6种酚酸、4种黄酮醇等；发现发酵后6种具有XO抑制活性的关键酚类物质含量显著增加，其中C3G含量最高且提升幅度最大（KLDS1.0368发酵后增加24.3%），槲皮素含量增加30%-74%，阐明了发酵增强XO抑制活性的物质基础。
关键酚类化合物的XO抑制活性数据：来自表2（6种酚类化合物和别嘌醇的IC₅₀值）。研究意义：定量测定了6种主要酚类化合物的XO抑制活性，确定槲皮素是其中活性最强的（IC₅₀=88.75 μmol/L），其次是芍药素-3-葡萄糖苷和儿茶素，直接解释了发酵后XO抑制活性增强的原因。
分子对接数据：来自表2（分子对接结合能）和图2（6种酚类化合物、别嘌醇和TEI-6720与XO的分子对接结果）。研究意义：揭示了酚类化合物与XO活性位点（Moco通道）的结合模式，主要通过与Gln112、Lys1045、Ser1082、Thr1083等关键氨基酸形成氢键，以及与Phe798形成π-π堆叠作用稳定结合，为理解抑制机制提供了结构基础。
分子动力学模拟数据：来自表2（MM-GBSA结合自由能及各组分贡献）、图3（XO-配体复合物的RMSD、RMSF、Rg、SASA和氢键数随时间的变化）和图4（自由能景观图）。研究意义：证实了所有XO-配体复合物在100 ns模拟过程中均能达到稳定状态（RMSD<0.3 nm）；通过MM-GBSA分析发现范德华力是结合的主要驱动力，而极性溶剂化能和构象熵是限制抑制活性的关键因素；从动态角度揭示了配体与XO的相互作用过程，弥补了静态分子对接的不足。
挥发性化合物数据：来自表3（GC-MS检测到的55种挥发性化合物信息）、图5A（挥发性化合物的热图）、图5B（各类挥发性化合物的比例）和图5C（挥发性化合物的PCA分析）。研究意义：全面分析了发酵前后蓝金银花汁挥发性代谢组的变化，发现发酵后醛类物质含量从47%降至5%-10%，醇类和酯类含量显著增加；PCA分析显示发酵样品与未发酵样品明显分离，不同菌株发酵的样品也存在差异，为风味优化和菌株筛选提供了依据。
感官评价数据：来自图S3（发酵前后BeiLei全汁的感官评价雷达图）。研究意义：结合化学分析结果，证实了发酵能显著提升果汁的果香和发酵香，降低青草味和酸涩味，改善了整体感官品质，提高了产品的市场接受度。
8.结论
本研究从8株植物乳杆菌中筛选出KLDS1.0391、KLDS1.0320和KLDS1.0368三株高效菌株，它们能显著提升蓝金银花汁的总酚含量、黄嘌呤氧化酶抑制活性和抗氧化能力，且全汁发酵效果优于澄清汁。LC-MS分析表明，发酵通过生物转化显著增加了6种关键酚类化合物的含量，其中槲皮素是最强的XO抑制剂。分子对接和分子动力学模拟揭示，这些酚类化合物通过氢键、范德华力和π-π相互作用与XO活性位点稳定结合，范德华力是主要结合驱动力。此外，发酵显著重塑了蓝金银花汁的挥发性代谢组，降低了醛类物质含量，增加了醇类和酯类含量，改善了感官品质。本研究证实植物乳杆菌发酵是提升蓝金银花汁降尿酸潜力和感官特性的有效策略，为开发天然、安全的功能性发酵果汁提供了重要的理论依据和技术支持，也为蓝金银花的高值化利用开辟了新途径。
9.芬兰Bioscreen C仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义
本研究中使用芬兰Bioscreen C全自动生长曲线分析仪（型号FP-1100-C）测定了8株植物乳杆菌在MRS培养基中的生长动力学，其研究意义主要体现在以下几个方面：
高通量自动化监测，提高实验效率和准确性：仪器采用100孔蜂窝板设计，可同时监测96个样品的生长情况，每5分钟自动读取一次600 nm处的光密度值，连续监测24小时。这种高通量自动化的监测方式，避免了人工取样带来的误差和污染风险，保证了实验条件的均一性和数据的连续性。本研究中一次性完成了8株植物乳杆菌的生长曲线测定，每个菌株设置3个生物学重复，总计24个样品的平行检测，实验效率较传统方法提升了数十倍，且数据重复性好，为后续实验提供了可靠的基础数据。
精准确定菌株的生长阶段，优化发酵接种时间：通过生长曲线可以清晰地观察到菌株从延迟期、对数生长期到稳定期的整个生长过程。本研究中发现，不同菌株的生长速率存在显著差异，KLDS1.0367、KLDS1.0391和KLDS1.0320在培养11小时后进入对数生长期末期，而其余5株菌株则在14小时后进入该阶段。对数生长期末期的菌株活力最高，代谢最旺盛，此时接种可以缩短发酵延迟期，提高发酵效率，保证发酵过程的稳定性。因此，Bioscreen测定的生长曲线为不同菌株的最佳接种时间提供了精准的依据，避免了因接种时间不当导致的发酵效果不佳。
比较不同菌株的生长性能，筛选优良发酵菌株：生长曲线可以定量计算菌株的延迟期时长、最大比生长速率和稳定期生物量等关键动力学参数。通过比较这些参数，可以评估不同菌株的生长性能和发酵潜力。本研究中，8株植物乳杆菌均表现出良好的生长性能，延迟期短，对数生长期生长迅速，稳定期生物量高，说明它们都适合作为食品发酵剂使用。这为后续筛选具有优良发酵性能的菌株提供了重要的参考依据。
为发酵工艺参数优化提供基础数据：生长曲线反映了菌株在特定培养条件下的生长特性，为发酵工艺参数（如接种量、发酵温度、培养基组成）的优化提供了基础数据。例如，根据菌株的最大比生长速率，可以确定最佳的接种量，以保证菌株在发酵基质中快速建立优势菌群，抑制杂菌生长；根据菌株的生长温度范围，可以优化发酵温度，提高菌株的代谢活性和产物合成能力。
保证发酵过程的可重复性和稳定性：在工业化生产中，发酵过程的可重复性和稳定性至关重要。Bioscreen测定的生长曲线可以作为菌株质量控制的标准，确保每批次用于发酵的菌株都处于相同的生长阶段和活力水平。这有助于减少批次间的差异，保证产品质量的一致性，为工业化放大生产提供了可靠的技术保障。
为后续底物适应性研究提供对照：Bioscreen测定的是菌株在标准MRS培养基中的基础生长特性，这为后续评估其在蓝金银花汁等复杂天然底物中的生长能力提供了对照。通过比较菌株在MRS培养基和蓝金银花汁中的生长曲线，可以分析果汁中的营养成分、pH值、渗透压等因素对菌株生长的影响，为进一步优化果汁发酵培养基和工艺参数提供指导。