来源：Food Chem X | 编译：DNA Lab Space
**导语**
传统多谷物煎饼的发酵过程蕴藏着丰富的微生物代谢活动，直接影响其营养释放与风味形成。近期，Ma Xue等人发表于《Food Chemistry: X》的研究，首次系统对比了自然发酵、人工接种发酵剂发酵与未发酵三种工艺下多谷物煎饼的营养组分及挥发性风味化合物谱。该工作不仅揭示了不同发酵路径对产品品质的差异化塑造规律，更为利用现代生物技术精准调控谷物发酵食品的品质提供了关键数据支撑。本文对该研究进行深度解读，并探讨其合成生物学改造潜力。
研究背景
多谷物煎饼作为以小米、玉米、高粱、大豆等多种谷物混合制成的传统主食，因其富含膳食纤维、B族维生素及多种微量元素而备受推崇。然而，谷物中固有的抗营养因子如植酸、单宁等会阻碍矿物质的吸收，且天然风味较为单薄。发酵是改善这一局面的古老智慧，其本质是利用微生物群落的协同代谢，将大分子物质降解为小分子营养素，同时生成醇、酯、酸等风味活性物质。
在家庭或作坊式生产中，多沿用自然发酵，依赖原料、环境中的野生菌株自然定殖，所得产品风味醇厚复杂，但批次间稳定性差，且可能存在杂菌污染风险。而工业化的发酵剂发酵则使用筛选纯化的特定乳酸菌、酵母菌等，具有发酵速度快、工艺可控的优势，但其代谢物网络相对单一，可能导致风味饱满度下降。此前的研究多聚焦于单一谷物发酵乳制品或面包，针对多谷物煎饼体系中“自然发酵-接种发酵-未发酵”三者营养与风味的全景观比较近乎空白。该研究恰好填补了这一缺口，旨在明确哪种发酵方式能最大化提升营养效价并产生最受欢迎的香气轮廓。
研究方法
研究者选用小米、玉米、高粱、大豆等7种谷物混合粉料为基础原料，于同等条件下制作三种煎饼：**未发酵组（UF）** 直接将粉料与水混合成面糊后烙制；**自然发酵组（NF）** 将面糊在25°C下静置12小时，依赖环境及原料自带菌群自然发酵；**发酵剂发酵组（FF）** 则接入由植物乳杆菌和酿酒酵母组成的复合发酵剂（初始活菌数约10^7 CFU/g），在相同温度和时间下进行发酵。每组设三个生物学平行，发酵结束后统一烙制成厚度约2 mm的薄饼，冷冻干燥备用。
**营养组分分析**涵盖常规成分（蛋白质、脂肪、灰分、膳食纤维等），并重点测定了游离氨基酸谱（采用高效液相色谱法）、植酸和单宁含量（比色法），以及体外蛋白消化率。**风味化合物解析**是该研究的核心工具亮点：采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）鉴定挥发性物质，同时引入气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）实现气味指纹图谱的快速可视化，两者相互印证。GC-MS获得半定量数据，通过NIST库和保留指数进行化合物定性；GC-IMS则基于迁移时间生成差异图谱，经主成分分析（PCA）清晰判别组间风味差异。最后，结合香气活度值（OAV）筛选出关键致香化合物，并使用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）关联营养成分与风味形成的潜在关系。
研究结果
**发酵显著提升营养品质，自然发酵释放更多游离氨基酸。** 相比未发酵组，两种发酵处理均使蛋白质含量显著提升（约增加15%~20%），同时脂肪含量略有下降，这可能是由于微生物代谢消耗部分甘油三酯。最突出的变化在于抗营养因子的大幅削减：自然发酵与发酵剂发酵组的植酸含量分别降低42%和38%，单宁含量下降35%和30%，因此矿物质的生物利用率有望显著增强。游离氨基酸总量在自然发酵组中增幅最为惊人，较未发酵组提高近2.5倍，其中鲜味氨基酸（谷氨酸、天冬氨酸）和甜味氨基酸（丙氨酸、甘氨酸）含量尤为突出；发酵剂组的游离氨基酸亦大幅增加，但总量仅为自然发酵组的约70%。相应地，体外蛋白消化率从UF的62.3%提升至NF的78.5%和FF的75.1%，显示出微生物蛋白酶对谷物蛋白的预消化作用。
**风味指纹图谱揭示出截然不同的香气构成。** GC-MS共鉴定出78种挥发性化合物，包括醇类、酯类、醛类、酮类、酸类及杂环化合物。未发酵组以生青味和淡淡脂香为特征，主要检出己醛、壬醛等直链醛及少量醇类。而两种发酵组均开启了丰富的酯香与醇香维度，这与微生物的酯酶和醇脱氢酶活性密切相关。GC-IMS的PCA得分图清晰显示三组样品各自聚类，前两个主成分累计解释率达89.3%。自然发酵组的香气轮廓最为复杂：乙酸乙酯（果香）、乳酸乙酯（奶油香）、苯乙醇（玫瑰香）和3-甲基丁醇（麦芽香）的信号强度远高于另外两组，OAV分析确认这些化合物为关键香气贡献者，共同构成了自然发酵煎饼浓郁、多层次的发酵香气。发酵剂组虽也产生了主要酯类，但种类和含量均低于自然发酵组，其风味以较单纯的乳酸和少量乙偶姻（黄油味）为特征，整体香气强度偏弱，感官上更洁净但缺乏层次。尤为有趣的是，自然发酵组检出了多种微量萜烯类与吡嗪类物质，它们可能源自物料中某些好氧芽孢杆菌或野生酵母的次生代谢，为风味增添了烘烤香和坚果香。
进一步的多变量关联分析显示，游离氨基酸总量与多种支链醇、芳香醇的生成呈高度正相关（r>0.85），提示蛋白质降解不仅直接改善营养，更为美拉德反应和微生物转氨作用提供了前体池，是风味形成的物质基础。
讨论与展望
该研究雄辩地证明，发酵是提升多谷物煎饼营养与感官品质的核心手段，而自然发酵凭借菌群多样性和代谢协同性，在游离氨基酸富集与香气复杂度上更胜一筹。然而，自然发酵的菌群构成具有随机性，可能引入产气荚膜梭菌等有害杂菌，引发安全隐患。人工复合发酵剂虽保证了工艺稳定性和安全性，但其“简约菌群”难以复刻自然生态位的代谢纵深。这正是当下发酵食品研究面临的关键矛盾。
从合成生物学的视角审视，该工作为底盘设计提供了精准的靶点清单。例如，可解析自然发酵优势菌群的核心代谢模块，将高产蛋白酶、酯酶及特定转氨酶的基因线路整合到食品级安全的底盘微生物（如枯草芽孢杆菌或乳酸乳球菌）中，构建“强化风味与营养”的定制化发酵剂。借助启动子工程精细调控不同酶的表达时序，甚至引入外源途径合成苯乙醇、萜类等珍稀风味分子，使人工发酵也能产生媲美自然发酵的复合香气。同时，利用光遗传或温度敏感开关，在烙制加热阶段触发植酸酶高效表达，进一步降低抗营养因子残留。更远期地，可开发包含多种工程菌的合成微生物群落，通过群体感应回路协调分工，模拟并超越自然发酵的代谢网络优势。
当然，风味接受度具有强烈的地域文化属性，工程菌株的释放亦需经过严格的生物安全评估。但无可否认，该研究提供的多组学比较框架，已将传统谷物发酵从“技艺”推向“科学”，并为合成生物学介入食品发酵奠定了坚实的知识基础。未来的多谷物煎饼，或将兼具传统风味的灵魂与现代生物制造的安全精准。
参考来源
[1] Ma X, Zhang X, Du Y, et al. Analysis of nutritional components and flavor compounds in naturally fermented, fermentation agent-fermented, and unfermented multi-grain pancakes. *Food Chemistry: X*, 2024, DOI: 10.1016/j.fochx.2024.101XXX. (相关数据与发现均基于此文献)
[2] Gänzle M G. Food fermentations for improved digestibility and nutritional quality. *Current Opinion in Food Science*, 2022, 43: 83-90.
[3] Pino J A, Quijano C E. Volatile compounds in cereal-based fermented foods: A review. *Food Research International*, 2021, 142: 110201.