《食品科学》：南京农业大学陶阳教授等：植物乳植杆菌发酵卷心菜浆：发酵特性、卷心菜细胞壁组分变化及其吸附特性

在“健康中国”战略推动下，功能性食品市场蓬勃发展，其中功能性饮品因其食用和携带的便利性备受消费者青睐，尤其是添加了水果和蔬菜及其他天然成分的非酒精饮品。乳酸菌发酵果蔬饮品集风味改良、货架期延长、营养富集和抗营养因子消减等诸多优势于一体，能有效提高酚类化合物等活性组分含量，增强抗氧化、降血糖、抗炎等功能，市场潜力巨大；其中植物乳植杆菌是食品工业中最常用的乳酸菌之一。相较于水果，发酵蔬菜饮品虽营养丰富，却因风味和质地特性而限制其直接饮用。卷心菜是一种十字花科蔬菜，富含多种营养成分，利用乳酸菌发酵卷心菜浆作为功能性食品基料，不仅克服了直饮的局限性，还能充分发挥乳酸菌发酵带来的健康益处。

目前，乳酸菌发酵果蔬饮品的研究多聚焦于清汁体系，旨在阐明乳酸菌发酵过程中果蔬汁可溶性组分、功能活性、感官品质的变化。然而，清汁发酵也存在明显局限性。首先，清汁发酵过程中会产生大量果蔬副产物，造成资源浪费。其次，从营养功能角度而言，清汁体系因去除果蔬细胞壁等不溶性组分，导致其失去了不溶性膳食纤维（IDF）及相应的健康益处。据报道，IDF的机械作用和吸附、结合特性被认为是促进心血管和胃肠道健康的重要因素。例如，IDF可结合胆汁酸并通过粪便排泄降低体内胆固醇含量；酚类物质能够通过与植物细胞壁结合减少在小肠中的损失，实现靶向结肠递送。相比之下，带浆（浊汁）发酵不仅保留了这些组分，而且其复杂的多糖组成和结构特征可能直接参与并影响整个发酵过程。研究表明，乳酸菌在浊汁中可能因获得更丰富的营养而加快生长。同时，果蔬细胞壁材料对果蔬浆中可溶性酚类物质的吸附与微生物转化相竞争，从而影响果蔬浆中可溶性酚类物质含量。此外，发酵过程中乳酸菌代谢产生的乳酸和水解酶可导致果蔬渣中细胞壁多糖的降解，进而改变其功能特性。因此，浆液发酵与清汁发酵相比，在发酵动力学、代谢谱及最终产品的功能特性上存在差异。

综上，南京农业大学食品科学技术学院的钟裔、邢泽城、陶阳*等人以卷心菜为原料，分析植物乳植杆菌发酵卷心菜浆的基本特性，并探究发酵过程中卷心菜细胞壁组分变化规律，进一步结合物理仿真揭示发酵不同阶段卷心菜细胞壁材料吸附多酚和胆固醇的传质机制，以期为开发功能性发酵蔬菜浆提供理论依据和技术支撑。

1 乳酸菌发酵卷心菜浆的基本特性

由图1A～D可知，卷心菜浆适宜植物乳植杆菌L13生长。发酵48 h后，活菌数达到（8.65±0.30）（lg（CFU/mL）），pH值降至2.98±0.09，浆液中总糖质量浓度降低了23.8%，乳酸质量浓度增加到（6.80±0.23）g/L。据报道，经植物乳植杆菌发酵后卷心菜清汁的活菌数大于9.0（lg（CFU/mL）），乳酸含量提高，说明卷心菜渣的存在可能会吸附或黏附一些组分，导致菌体对营养物质的利用受影响。此外，环境参数、菌种来源也会导致发酵样品产生差异。

2 乳酸菌发酵卷心菜浆的总游离酚含量、β-葡萄糖苷酶活性变化

由图1E可知，植物乳植杆菌L13发酵48 h后，卷心菜浆中总游离酚质量浓度降低了12.8%，这与Jaiswal等报道的结果相似，采用短乳杆菌、植物乳植杆菌和鼠李糖乳杆菌发酵后的卷心菜清汁总酚含量分别损失15.7%、21.7%和23.9%。总游离酚含量变化可归因于植物细胞壁组分、微生物菌体的吸附以及微生物产酚酸脱羧酶、β-葡萄糖苷酶等对酚类物质的转化。其中，植物细胞壁组分和微生物菌体的吸附导致浆液中游离酚含量降低；β-葡萄糖苷酶通过水解糖苷键将糖苷型多酚转化为游离形式，进而提高总游离酚含量。尽管发酵浆液中始终维持着β-葡萄糖苷酶的活性（图1F），但总游离酚含量仍呈下降趋势，说明卷心菜细胞壁组分和菌体的吸附对酚类化合物含量影响更大。

3 不同发酵阶段卷心菜细胞壁组分变化

3.1 C-CWM总糖和单糖含量变化

如图2A所示，经植物乳植杆菌L13发酵48 h后，C-CWM总糖含量未显著降低。然而，主成分分析（PCA）显示，不同发酵阶段C-CWM单糖组分发生明显变化（图3）。由图3A可知，PC1和PC2的累计方差贡献率达96.1%，表明前两个主成分可以较好地解释发酵过程中C-CWM单糖组分的变化。随着发酵的进行，样本沿PC1轴向左移动，且发酵样本与未发酵样本明显分离。结合载荷图分析，发酵后除甘露糖外，其余检测到的单糖（GalA、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖及木糖）含量均呈现下降趋势（图3B），其中发酵48 h后GalA、葡萄糖和阿拉伯糖含量分别从（43.60±0.33）、（65.16±1.22）、（17.87±0.81）mg/g下降到（34.94±2.05）、（56.10±2.25）、（15.03±0.61）mg/g，分别降低了19.9%、13.9%和15.9%。这些结果与Duan Yuqing和Wang Qian等的研究结果相似，即乳酸菌发酵改变了细胞壁的单糖组成，推测发酵过程中来源于乳酸菌和果蔬内源的纤维素酶、果胶酶等降解了细胞壁多糖组分，且发酵产生的乳酸导致环境酸化，促进了细胞壁多糖 释放。因此，本研究进一步分析了卷心菜浆发酵过程中的纤维素酶和果胶酶活性。如图2E、F所示，发酵过程中纤维素酶和果胶酶活性均在发酵12 h时达到最大值，随后酶活性逐渐降低。这证实植物乳植杆菌在发酵过程中合成了纤维素酶和果胶酶，从而促进了卷心菜细胞壁多糖组分的降解。

3.2 C-CWM果胶含量变化

鉴于C-CWM中GalA含量显著降低，作为果胶分子中代表性单糖，其含量降低推测与C-CWM中果胶含量降低有关。进一步分析卷心菜细胞壁组分中WSP、CSP和NSP含量变化。如图2B～D所示，发酵过程中WSP和NSP含量分别从（0.77±0.16）mg/g和（62.08±6.37）mg/g降至（0.24±0.06）mg/g和（53.42±3.26）mg/g，而CSP含量从（59.72±1.30）mg/g增至（73.48±1.56）mg/g。WSP通过范德华力等松散地结合在细胞壁中，因此在制备C-CWM时大量WSP被溶解和去除，导致检测含量偏低，且由于其水溶性，在发酵过程中溶解于卷心菜浆中，进而被分解和利用。CSP通过离子键与细胞壁上的Ca2+结合，NSP通过共价键与细胞壁结合。NSP含量的降低可归因于发酵过程中微生物产生的果胶降解酶和乳酸，其中聚半乳糖醛酸酶可断裂α-1,4-糖苷键，破坏NSP与细胞壁多糖的共价结合；同时乳酸可松动植物细胞壁结构，促进果胶的溶解和释放。CSP含量的增加推测可能是NSP的转化所致，NSP降解产物经过酶解后与Ca2+交联形成CSP暂时保留了GalA。

4 不同发酵阶段卷心菜细胞壁表面结构变化

如图4所示，发酵24 h和48 h后的C-CWM表面褶皱和粗糙度略有增加，但未观察到明显的变化，这与Duan Yuqing等的报道相似，表明48 h内乳酸菌发酵导致的细胞壁表面结构变化是有限的。果胶存在于细胞壁的中间层，对细胞壁结构起关键作用。本研究结果表明，乳酸菌发酵改变了C-CWM中果胶含量，尤其是NSP含量的降低，这可能改变卷心菜细胞壁内部结构。因此，卷心菜细胞壁结构的变化值得进一步探究。值得注意的是，SEM图像中均未发现菌体，这为后续吸附实验排除了菌体吸附的干扰。

5 不同发酵阶段C-CWM吸附特性

上述结果表明，乳酸菌发酵后C-CWM单糖及果胶含量均发生改变，进一步分析发酵前后C-CWM对多酚和膳食胆固醇的吸附能力。

5.1 吸附多酚和胆固醇动力学与等温吸附

如图5A、C所示，3 个发酵阶段提取的C-CWM对酚类物质的吸附均在3 min内达到平衡；C-CWM对胆固醇的吸附相对较慢，在30 min后达到平衡。就对吸附酚类物质而言，发酵24 h和48 h C-CWM比未发酵C-CWM平衡吸附量分别高14.7%和27.1%，这与Duan Yuqing等报道的结果相似。对吸附胆固醇而言，发酵24 h和48 h C-CWM平衡吸附量分别比未发酵C-CWM平衡吸附量高21.6 mg/g和17.1 mg/g，这与Wang Yanqiu等的研究结果相似。先前的研究表明，乳酸菌发酵后C-CWM吸附能力的增强推测与C-CWM部分单糖含量和WSP、NSP含量降低相关，提示细胞壁单糖或果胶组分的减少可能是增强其吸附能力的重要因素。研究表明，不同的多酚选择性地结合于不同细胞壁组分上。本研究中被吸附物为总游离酚，发酵改变了不同酚类物质与细胞壁组分的结合状态，最终可能在宏观层面表现为总酚吸附量的增加。对胆固醇而言，单糖和果胶含量的降低可能导致细胞壁结构改变，如孔隙增加、疏水基团暴露，从而增强其对胆固醇的吸附能力。

等温吸附结果显示，C-CWM的吸附量随着吸附物浓度的增加而增大（图5B、D），且3 种发酵阶段的C-CWM吸附趋势与动力学结果一致。数据与Langmuir模型拟合良好，为后续仿真提供了参数依据。

5.2 吸附前后多酚和蛋黄溶液的Zeta电位变化

如图6所示，吸附后多酚溶液和蛋黄溶液Zeta电位负值增大，表明C-CWM会吸引多酚溶液和蛋黄液中带相反电荷的物质并形成双电层。虽然不能明确具体吸附机理，但物质被吸引到吸附剂表面，是吸附开始的基础和前提。有研究表明，植物细胞壁材料可以通过离子相互作用与酚类物质结合，但考虑到植物细胞壁一般带有负电荷，而酚类物质带电状态不同，推测除了离子相互作用外，还存在其他界面作用力，这种吸附由多种力共同作用驱动。但由于蛋黄液是混合物，电位的变化难以明确是否由胆固醇吸附所致，还需进一步验证。

5.3 不同发酵阶段C-CWM吸附多酚和胆固醇的传质行为仿真

为研究乳酸菌发酵对C-CWM吸附多酚和胆固醇的影响，采用PVSDM仿真C-CWM吸附多酚和胆固醇的传质行为。如表1所示，根据绝对平均偏差（AAD）和决定系数可以判断，吸附多酚的所有模型均拟合良好（R2＞0.90，AAD＜8.0%），吸附胆固醇模型的拟合效果略差，但仍在可接受范围，因为蛋黄液均匀性差，导致较大非人为误差。

在PVSDM模型中，Dep由DAB和孔隙率计算得出。在吸附物质相同的情况下，Dep变化可反映吸附剂内部孔隙变化。发酵后C-CWM吸附多酚和胆固醇的Dep高于未发酵C-CWM吸附，结合上述结果，推测是部分果胶和细胞壁单糖降解导致细胞壁材料内部孔隙增加。DS能够反映被吸附物质沿吸附剂固体骨架扩散的难易程度，发酵后C-CWM吸附多酚和胆固醇的DS值降低，这可能与乳酸菌发酵后C-CWM骨架特性改变有关。Duan Yuqing等研究发现，乳酸菌发酵降低了果胶含量，从而增强酚类物质在细胞壁材料中沿骨架扩散能力，并增加了可结合的吸附位点。

5.4 吸附过程可视化及分析

可视化结果显示，在吸附初始阶段，C-CWM内外存在高质量梯度，且最大梯度在接触的瞬间即形成，随后逐渐降低直到吸附平衡（图7）。

为揭示酚类物质和胆固醇在C-CWM内部传质的主导机制，按式（13）计算被吸附相沿吸附剂骨架扩散对整体颗粒内分子扩散贡献率（SDCP）：

式中：NAS为沿吸附剂骨架扩散的传质通量/（mg/（m2·s））；NAP为沿吸附剂孔隙内液体扩散的传质通量/（mg/（m2·s））。

多酚在未发酵、发酵24 h和发酵48 h C-CWM上的吸附过程中SDCP分别为95.8%、91.1%和89.1%，仅随位置细微变化。这表明沿C-CWM骨架扩散是C-CWM吸附多酚的主要传质机制。由图8A可知，随着发酵的进行沿孔隙扩散速率有所增加，孔隙扩散对整体扩散的贡献率也逐渐提升，但仍以沿骨架扩散为主。值得注意的是，虽然发酵后吸附多酚的DS值降低，但由于吸附相质量梯度增大（图7A），沿骨架扩散速率仍然增加，吸附量也随之增加。胆固醇在未发酵、发酵24 h和发酵48 h C-CWM上的吸附过程中，SDCP分别为43.25%、0.36%和0.13%，仅随位置细微变化。这表明胆固醇在C-CWM上的传质主要依赖孔隙扩散。由图8B可知，未发酵C-CWM对胆固醇吸附过程中沿骨架扩散贡献较大，而发酵后C-CWM对胆固醇吸附过程中沿骨架扩散贡献可忽略，孔隙扩散占据主导。

植物乳植杆菌发酵优化了C-CWM对多酚和胆固醇的吸附能力，但二者吸附机制存在差异。吸附多酚涉及氢键和疏水相互作用以及少数情况下存在共价作用；胆固醇吸附被归因于疏水相互作用、吸附剂孔隙的物理截留和黏度的捕获作用。乳酸菌发酵过程中产生的水解酶和有机酸促进了C-CWM组分的降解，尤其是果胶组分，虽部分研究强调果胶对酚类物质吸附的作用，但发酵导致的C-CWM整体组分与结构变化对吸附能力的积极影响可能大于果胶单一组分含量下降带来的负面影响。此外，由于C-CWM与多酚的结合力强于胆固醇，因此C-CWM吸附多酚迅速、沿C-CWM骨架扩散主导，而吸附胆固醇相对缓慢，孔隙扩散贡献更大，但发酵并未改变吸附传质的主导机制。

6 不同发酵阶段C-CWM组成与吸附多酚和胆固醇量的相关性分析

为分析植物乳植杆菌发酵过程中细胞壁组分变化对其吸附特性的影响，计算了选定参数的Pearson相关系数，结果如图9所示。多酚和胆固醇的平衡吸附量都与WSP含量呈显著负相关，与CSP含量呈显著正相关，表明果胶含量是影响卷心菜细胞壁吸附能力的重要因素。此外，酚类物质的平衡吸附量与GalA和葡萄糖含量呈显著负相关，而胆固醇的平衡吸附量虽与二者呈负相关但并不显著，推测这一差异可能由于C-CWM对两种物质相互作用机制的不同：酚类物质依赖氢键、疏水相互作用等，因此对果胶及单糖的变化敏感，而胆固醇更多依靠疏水相互作用和孔隙截留，对单一糖组分的变化响应较弱，但总体上卷心菜细胞壁组分的吸附特性与糖组分的变化相关。

结 论

本研究结果表明，卷心菜浆是适合植物乳植杆菌发酵的基质，发酵48 h后活菌数达到（8.65±0.30）（lg（CFU/mL）），乳酸质量浓度达到（6.80±0.23）g/L。与清汁发酵相比，卷心菜渣的存在一定程度上影响了乳酸菌的生长代谢以及浆液中总游离酚含量。此外，乳酸菌发酵显著改变了C-CWM的单糖含量，其中GalA和葡萄糖含量分别降低了19.9%和13.9%，同时WSP和NSP含量降低，CSP含量增加。发酵后C-CWM对酚类物质和胆固醇的吸附能力均得到显著提高，与未发酵C-CWM相比，发酵24 h和48 h的C-CWM对多酚的吸附量提高了14.7%和27.1%，对胆固醇的吸附量分别增加了21.6 mg/g和17.1 mg/g。通过PVSDM仿真和SDCP分析，揭示了两种物质在C-CWM上传质特性的差异：多酚的吸附以沿C-CWM骨架扩散为主导，胆固醇的吸附由孔隙扩散主导，但发酵并未改变吸附传质的主导机制，这种差异本质上是细胞壁组分与被吸附物质之间相互作用的差异，而乳酸菌发酵对细胞壁组分的修饰也会改变相互作用格局，并体现在吸附差异上。相关性分析表明，吸附能力的提升与果胶组分及细胞壁单糖存在显著关联。这种吸附机制上的差异以及发酵对细胞壁材料吸附能力的优化，为功能性发酵蔬菜浆的开发提供了理论依据。

作者简介

通信作者

陶阳，南京农业大学食品科技学院教授，博士生导师。2010.9-2014.12就读于爱尔兰都柏林大学，获生物系统工程博士学位。主要研究食品加工仿真优化、果蔬加工，以第一/通信作者在Chemical Engineering Journal、Journal of Advanced Research、Food Hydrocolloids等期刊发表SCI论文40余篇，ESI前1%高被引论文3 篇，参编英文专著4 部，授权国家发明专利4 项，主持江苏省自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等，担任Ultrasonics Sonochemistry、Food Physics等期刊编委，兼任中国食品科学技术学会果蔬加工技术分会副秘书长和委员。相关研究获神农中华农业科技奖三等奖，入选江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师、江苏省“双创博士”。

第一作者

钟裔，南京农业大学食品科技学院硕士研究生。在校期间曾获南京农业大学研究生一等学业奖学金，研究方向为果蔬加工。

引文格式：

钟裔, 邢泽城, 吴越, 等. 植物乳植杆菌发酵卷心菜浆: 发酵特性、卷心菜细胞壁组分变化及其吸附特性[J]. 食品科学, 2026, 47(12): 130-140. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251124-190.

ZHONG Yi, XING Zecheng, WU Yue, et al. Fermentation of cabbage slurry by Lactiplantibacillus plantarum: fermentation characteristics, changes in cabbage cell wall components and their adsorption properties[J]. Food Science, 2026, 47(12): 130-140. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251124-190.

实习编辑：杨琼；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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