人体内时刻进行着各种氧化还原反应，其维持着内环境稳态。当机体防御功能减弱时，内环境的各种胁迫容易造成活性氧（ROS）的产生和积累，破坏原有的氧化还原平衡。乳酸菌是一种天然抗氧化剂，能够通过提高抗氧化酶活性，调节和缓解氧化应激，保护细胞免受氧化应激引起的损伤。
昆明理工大学食品科学与工程学院的尹树磊、杜香、王艳菲*等拟对乳酸菌的抗氧化作用机制的研究现状及其在食品领域的应用研究进展进行简要综述，旨在为乳酸菌在食品加工领域的深层次应用提供参考。
1 乳酸菌的抗氧化机制
乳酸菌多为厌氧或兼性厌氧型细菌，由于细胞内缺乏合成活性电子传递链的能力，其在有氧条件下的生存会受到影响。高氧水平会导致ROS的形成和积累，并引起细胞损伤，影响乳酸菌的生理功能。为了抵抗氧化应激，乳酸菌形成了自己独特的氧化还原体系，包括调节抗氧化酶类、调控信号通路、清除自由基系统、抑制脂质过氧化和螯合金属离子等。
1.1 调节抗氧化酶类
抗氧化酶是一种利用氧化还原作用迅速将过氧化物转换为毒害较低或无害物质的蛋白质，能够缓解氧化损伤。乳酸菌的主要抗氧化酶包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）氧化酶/NADH过氧化物酶、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）/谷胱甘肽还原酶（GR）和硫氧还蛋白还原酶（TrxR）等。在受到氧胁迫时，乳酸菌会上调抗氧化酶基因的表达水平，通过自身的酶防御机制来清除ROS，减轻细胞损伤，其调节抗氧化酶类的抗氧化机制如图1所示。
1.1.1 NADH氧化酶/NADH过氧化物酶
NADH氧化酶和NADH过氧化物酶是一些乳酸菌的两种主要抗氧化防御酶，具有高度特异性。在乳酸菌细胞中，NADH氧化酶与NADH过氧化物酶发生偶联反应，形成了NADH氧化酶-NADH过氧化物酶系统，共同抵抗氧化应激。细胞内的氧首先通过NADH氧化酶将NADH氧化成NAD + ，从而释放H 2 O 2 。随后，NADH过氧化物酶将H 2 O 2 还原为H 2 O。Ricciardi等在肠膜明串珠菌乳脂亚种E30（Leuconostoc mesenteroides subsp.cremoris E30）的厌氧和有氧培养基中均发现了NADH氧化酶和NADH过氧化物酶，但有氧培养显著增加了肠膜明串珠菌乳脂亚种E30的NADH氧化酶活性。
1.1.2 SOD
SOD是生物体中重要的抗氧化酶，可以催化O 2- ·歧化为O 2 和H 2 O 2 。它也是维持氧化还原平衡的重要因素，从而反映机体的抗氧化能力。根据金属氧化还原活性中心不同，SOD可以分为4种类型：铁超氧化物歧化酶（Fe-SOD）、铜/锌超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）、锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD）和镍超氧化物歧化酶（Ni-SOD）。相关研究表明，乳酸菌基因组存在Mn-SOD编码基因，并通过Mn-SOD基因的异源表达增强嗜热链球菌S-3（Streptococcus thermophilus S-3）和干酪乳杆菌MCJ Delta1（Lactobacillus casei MCJ Delta1）等菌株的抗氧化活性。在大多数脊椎动物中，SOD的主要表达形式是Mn-SOD和Cu/Zn-SOD。一些体内动物实验结果表明，乳酸菌能够上调疲劳小鼠编码Cu/Zn-SOD和Mn-SOD的基因在肝组织中的表达，具有很强的抗氧化能力。体外实验也证实，副干酪乳杆菌LG0260（Lactobacillus paracasei LG0260）和戊糖片球菌bio-67860（Pediococcus pentosaceus bio-67860）等菌株用于果汁饮料发酵后，样品的SOD活性和抗氧化活性显著增强。
1.1.3 CAT
CAT是一种能够清除体内氧自由基的酶类，也是生物防御系统的关键酶之一。在有氧条件下，乳酸菌可以通过NADH氧化酶、丙酮酸氧化酶和乳酸氧化酶催化O 2 生成H 2 O 2 。H 2 O 2 诱导细胞产生过量的ROS，造成DNA损伤和遗传不稳定，并引发氧化应激诱导的细胞死亡。为抵抗H 2 O 2 胁迫，乳酸菌会产生CAT等清除酶，以控制细胞内的H 2 O 2 浓度处于无毒水平。
根据催化氧化还原反应所需的辅助因子不同，CAT一般分为血红素依赖型和锰依赖型CAT两大类。如果培养基中存在血红素或血红蛋白，许多种类的乳酸菌会合成含血红素的CAT。相关研究报道，植物乳杆菌SDMCC050204（Lactobacillus plantarum SDMCC050204）、清酒乳杆菌1836-1840（Lactobacillus sakei 1836-1840）和唾液乳杆菌GDW1994（Lactobacillus salivarius GDW1994）等乳酸菌能够产生血红素依赖型CAT。锰依赖型CAT只存在于极少数的乳酸菌中，不需要外源补充血红素就能合成。一些研究也证实干酪乳杆菌BL23（Lactobacillus casei BL23）和戊糖片球菌Be1（Pediococcus pentosaceus Be1）等菌株能够产生含锰的CAT。
1.1.4 GSH-Px和GR
GSH-Px和GR能够清除细胞周围的ROS，是乳酸菌抗氧化酶类的重要组成部分。由GSH-Px、GR与GSH共同组成的谷胱甘肽系统是乳酸菌抵抗氧化应激的一大防线。GSH-Px能够催化底物GSH转化成GSSG，将有毒的过氧化物转换成危害较小或无危害的羟基物质，而GR又将GSSG催化形成GSH，有利于机体抗氧化。Surya等研究了发酵乳杆菌CECT5716（Lactobacillus fermentum CECT5716）中有关谷胱甘肽的细胞活性。结果表明，发酵乳杆菌CECT5716从环境中摄取GSH和GSSG，能够通过还原GSSG再生GSH，并向环境中分泌谷胱甘肽。1.1.5 TrxR
TrxR是一种利用NADPH作为辅助因子介导硫氧还蛋白（Trx）氧化的酶。大多数乳酸菌都能产生TrxR，它作为二硫化物氧化还原酶在控制氧化还原平衡方面发挥着重要作用。Trx、TrxR、NADPH以及Trx相互作用蛋白（TXNIP）组成了硫氧还蛋白系统，乳酸菌通过该系统将电子传递给一些基于硫醇的过氧化物酶，以维持氧化还原稳态，使细胞免受ROS损伤。
1.2 调控信号通路
当人和动物体内活性氧与自由基含量增加时，会引起一些抗氧化酶的活性降低。乳酸菌可以通过调节宿主细胞抗氧化信号通路，协助启动宿主的自我防御系统，保护机体免受氧化应激的影响。在生物体内，抗氧化信号通路包括：核转录因子E2相关因子2（Nrf2）、沉默信息调节因子（SIRT）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和蛋白激酶C（PKC）通路等，乳酸菌可以激活这些信号通路，由它们负责对氧化应激做出反应。
在众多抗氧化信号通路中，Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1（Keap1）-Nrf2-抗氧化反应元件（ARE）通路是最重要的内源性信号通路，其调节模型如图2所示。正常情况下，Nrf2是一种对氧化还原状态敏感的转录因子，它主要参与细胞中的抗氧化反应，是体内重要的抗氧化因子。当细胞受到自由基攻击时，Nrf2的组成抑制分子Keap1会解除对Nrf2活性的抑制，并释放Nrf2。随后，Nrf2迅速移位到细胞核，与ARE序列结合，驱动编码抗氧化酶和解毒蛋白的基因的转录。Long Xingyao等研究发现发酵乳杆菌CQPC08（Lactobacillus fermentum CQPC08）可以激活Keap1/Nrf2/ARE信号通路，以促进下游抗氧化剂血红素加氧酶（HO-1），NAD(P)H:醌氧化还原酶1（NQO1）和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-GCS）的高水平表达，保护大鼠免受铅诱导的氧化损伤。
1.3 清除自由基系统
自由基是在线粒体中产生的具有不成对电子的原子或基团。各种环境胁迫均可能诱发自由基链式反应，从而产生过量的自由基，对自身细胞产生不利影响。大多数乳酸菌都具备氧自由基清除系统，通过这种系统，可以减少食物在发酵过程中自由基的积累并降低自由基对宿主生物的损伤。Quan Qi等研究了6 株乳酸菌对发酵橙汁抗氧化活性的影响。结果表明，经植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）和副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）发酵橙汁样品的DPPH自由基清除率分别达到80.25%和77.83%。
1.4 抑制脂质过氧化作用
脂质过氧化过程即ROS与脂质膜中的多不饱和脂肪酸反应，能够导致细胞死亡。脂质氢过氧化物是游离脂肪酸的主要过氧化产物，也是氧化应激的诱因之一。研究表明，乳酸菌能直接消除环境中的脂质氢过氧化物，抑制脂质过氧化。Lin Xiangna等测定了从中国传统泡菜中分离出的乳酸菌的益生特性，发现植物乳杆菌AR113（Lactiplantibacillus plantarum AR113）、AR501和戊糖片球菌AR243（Pediococcus pentosaceus AR243）具有很强的脂质过氧化抑制作用。
1.5 金属离子螯合作用
乳酸菌可依赖金属离子螯合的非酶抗氧化防御机制抵抗机体的氧化应激。金属离子是机体内多种氧化反应不可或缺的成分之一，但过量的金属离子也会促进氧化应激的发生。细胞内过量的Fe 2+ 可以通过芬顿反应催化ROS的产生；过量的Cu 2+ 可以通过O 2 还原产生超氧自由基。研究发现，乳酸菌对Fe 2+ 和Cu 2+ 具有很强的螯合能力。Wu等研究了18 株乳酸菌在发酵豆浆中的性能，发现鼠李糖乳杆菌AC1（Lactobacillus rhamnosus AC1）发酵豆浆具有最强的Fe 2+ 螯合能力。
表1总结了部分不同来源的乳酸菌菌株的抗氧化作用及其在食品相关领域的应用，乳酸菌的抗氧化特性在改善食品风味、提高营养价值和延长保质期等方面发挥了重要的作用。下文从乳酸菌抗氧化特性在乳制品、肉制品、水产品、果蔬制品等领域的应用具体展开论述。
2 乳酸菌抗氧化特性在食品领域的应用
目前，关于乳酸菌抗氧化活性在发酵食品和饮料中应用的报道较多，其在食品加工和保鲜方面仍潜藏巨大潜力。近年来，使用较低成本生产具有一定健康功效的产品已成为食品加工领域的发展趋势。乳酸菌作为一种公认安全（GRAS）的天然抗氧化剂，获取成本较低，对其抗氧化活性的应用已从传统的乳制品发酵拓展到肉制品、水产品、果蔬制品等各个食品领域。由于食品原料性质不同，乳酸菌发挥的作用具有一定的差异，其在不同食品加工领域的应用如图3所示。
2.1 抗氧化乳酸菌在乳制品中的应用
在乳制品行业，通过乳酸菌发酵能够实现乳制品的快速酸化并产生风味和香气，还能赋予乳制品特定的健康功效。因此，高品质乳酸菌的应用受到乳制品行业的高度青睐。干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）、副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）、植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）、短乳杆菌（Lactobacillus brevis）和戊糖乳杆菌（Lactobacillus pentosus）等乳酸菌已被广泛应用于各种乳制品中。
乳酸菌具有抗氧化的益生特性，在乳制品加工中能够起到降低有害物质含量和延长保质期等有益作用。根据相关研究报道，抗氧化活性与蛋白质水解程度之间存在线性关系，DPPH自由基、ABTS阳离子自由基等自由基清除活性和铁离子还原抗氧化能力（FRAP）均随着乳蛋白水解程度的增加而增强。通过编码蛋白水解相关基因，如细胞包膜蛋白酶基因、X-脯氨酸二肽氨基肽酶基因、氨基肽酶基因和支链氨基转移酶基因等，乳酸菌产生相应的酶类，将乳制品中的酪蛋白分解、转化，生成了芳香族化合物的前体物质α-酮酸，有利于乳制品风味的形成和抗氧化活性的提高。Li Jie等利用从哈萨克干酪中分离得到4 株乳酸菌进行奶酪发酵，发现融合魏斯氏菌B14（Weissella confusa B14）有利于氨基酸的产生，而嗜酸乳杆菌B8（Streptococcus thermophilus B8）促进了有机酸的生成并有助于形成理想的质地特性。
2.2 抗氧化乳酸菌在肉制品中的应用
在肉制品加工中，乳酸菌可作为一种天然发酵剂。因具有抑菌、减少生物胺积累、抑制亚硝胺积累、改善风味和抗氧化等诸多有利作用，乳酸菌在肉制品生产领域具有不可替代的地位。在发酵及贮藏过程中，受环境中氧气浓度的影响，肉制品的组织结构及内部风味物质极易发生改变。其中，脂质和蛋白质的氧化是影响肉制品风味及质地的关键性因素。乳酸菌可能利用自身螯合金属离子、分泌抗氧化代谢产物和表达抗氧化酶清除ROS的能力缓解发酵肉制品中脂肪和蛋白质氧化。
脂质氧化是肉制品中普遍存在的现象，是一种典型的自由基链式反应。一般来说，脂质氧化影响着肉制品氧化的进展程度。脂质氧化会促进肌纤维蛋白的氧化，从而使肉制品产生褐变现象。此外，脂肪氧化损伤生成的醛类化合物是酸败味或哈喇味等不良气味的主要呈味物质，降低了消费者的可接受度。乳酸菌的添加可以很好地抑制发酵过程中的脂质过氧化，使肉制品风味鲜嫩不被破坏。研究表明，戊糖片球菌37X-9（Pediococcus pentosaceus 37X-9）和植物乳杆菌DY-1（Lactobacillus plantarum DY-1）可以延缓肉制品贮存过程中硫代巴比妥酸反应物的形成，有助于提高肉制品的氧化稳定性。
蛋白质氧化可以由ROS和活性氮等活性物质直接诱导蛋白质共价修饰，也可以由脂质和碳水化合物氧化物等氧化应激的次级产物间接诱导共价修饰。在蛋白酶的作用下，蛋白质适度氧化产生一些小分子肽、游离氨基酸等风味前体物质，有利于形成独特的风味。然而，蛋白质过度氧化会对肉色、嫩度和持水性产生不利影响，导致必需氨基酸等营养物质的损失，甚至产生某些危害人体健康的物质。乳酸菌的加入能有效延缓蛋白氧化过程，最大限度提高肉制品的质量和营养价值。
2.3 抗氧化乳酸菌在水产品中的应用
水产品较高的水分含量为腐败菌的生长繁殖提供了适宜的条件，导致其货架期普遍偏短。此外，水产品中高比例的不饱和脂肪酸容易被氧化，从而使营养价值降低并产生难闻的气味。人们常通过添加天然抗氧化剂的方式抑制水产品中脂肪的氧化和腐败菌的生长，其中应用最广泛的是乳酸菌。乳酸菌通过清除自由基、抑制脂质过氧化、降低丙二醛（MDA）含量和提高抗氧化酶活力等作用于水产品，有益于保持水产品的营养价值和风味，延长货架期。
在国内外的研究中，乳酸菌在水产品中的抗氧化作用主要集中于干制水产品、盐渍水产品、水产调味品和鱼糜制品等方面。筛选出具有抗氧化活性的天然发酵剂应用于发酵水产品，能够更好地控制产品的感官和安全特性。Han Jing等从我国传统发酵鱼茶中分离出2 株植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）和1株乳酸乳球菌（Lactococcus lactis），3 株乳酸菌作为发酵剂均能通过快速定植、快速酸化原料鱼以及抑制有害细菌的生长加快鱼茶发酵过程，且与自然发酵的产品相比生物胺含量更少。研究人员常利用高抗氧化活性乳酸菌菌株的抑菌作用解决发酵水产品保质期短的难题。
2.4 抗氧化乳酸菌在果蔬制品中的应用
蔬菜和水果富含微量营养素、膳食纤维和植物化学物，是重要的植物发酵原料。利用乳酸菌进行果蔬发酵可以缩短发酵时间，减少自由基的积累。将抗氧化乳酸菌用于果蔬制品生产以提高感官品质和营养价值的工艺已受到果蔬加工领域越来越多的关注。
发酵过程中由于乳酸菌参与分解代谢，使得果蔬中酚类物质、维生素等成分含量增加，抗氧化能力增强。Li Jing等研究了嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）发酵对枣泥生物活性的影响。结果表明，发酵48 h后枣泥中总酚含量、DPPH自由基的清除活性和还原能力显著提高。
3 乳酸菌抗氧化活性评估方法
3.1 体外抗氧化活性评估方法
在乳酸菌抗氧化活性研究中，常通过体外化学方法检测ROS的变化以评估样品的抗氧化能力。乳酸菌抗氧化活性的体外评估机制一般分为氢原子转移反应和单电子转移反应两种，氧化自由基吸收能力（ORAC）测定实验和抑制脂质过氧化实验是分析氢原子转移机制的典型方法，而DPPH自由基、羟自由基、ABTS阳离子自由基等自由基清除实验和FRAP实验则是基于单电子转移的测定方法。体外评估具备简单、快速、高通量和低成本等特点，广泛应用于高抗氧化活性菌株的筛选及检测乳酸菌发酵食品抗氧化活性的变化。
然而，体外化学方法受外界因素的影响较大，且缺乏统一的检测标准，使得不同研究之间缺乏可比性。相关研究证实，DPPH自由基清除实验受到溶剂性质、pH值等因素的影响。此外，该评估方法不适合体内环境，无法真实反映乳酸菌在生物体内应对氧化应激的生理条件，例如ABTS阳离子自由基、DPPH自由基等反应物自由基不能真正代表生物学相关自由基以及不能准确反映乳酸菌提高生物体内源性抗氧化系统清除自由基的效果。因此，有必要进一步研究和验证乳酸菌在生物体内的抗氧化活性。
由于传统体外化学方法的众多局限性，近年来，通过建立人源或动物源细胞氧化损伤模型的方式测定抗氧化能力的细胞抗氧化活性（CAA）引起了科研工作者的密切关注。CAA法能够模拟乳酸菌在细胞内的反应，具有较好的生物相关性，而且细胞快速增殖的特点大幅降低了时间成本。人结肠癌（Caco-2）细胞和人肝癌（HepG2）细胞是基于细胞的乳酸菌抗氧化研究中的常见模型。Lee等研究发现，乳酸乳球菌MG5125（Lactococcus lactis MG5125）、两歧双歧杆菌MG731（Bifidobacterium bifidum MG731）和动物双歧杆菌乳亚种MG741（Bifidobacterium animalis subsp. lactis MG741）通过介导脂质过氧化和谷胱甘肽水平以及上调CAT、SOD和GSH-Px等抗氧化酶从而缓解H2O2诱导的HepG2细胞氧化应激损伤。
3.2 体内抗氧化活性评估方法
体内抗氧化活性评估，即利用动物模型测定抗氧化剂在体内的能力和功效。乳酸菌作为一种天然抗氧化剂，其抗氧化活性可以通过对体内ROS、MDA和抗氧化酶等氧化应激生物标志物水平的影响进行评估，也可以通过分析乳酸菌提取物在保护细胞和组织免受诱导氧化方面的有效性进行评估。Li Chong等研究了植物乳杆菌HFY01（Lactobacillus plantarum HFY01）发酵豆浆对衰老小鼠模型的抗氧化作用，发现植物乳杆菌HFY01发酵豆浆能有效提高肝脏、大脑和血清中GSH、CAT、SOD和GSH-Px等抗氧化酶的水平，并降低MDA含量。Dong Jiahuan等利用多糖诱导的急性肝损伤小鼠模型评估植物乳杆菌KLDS1.0386（Lactobacillus plantarum KLDS1.0386）的抗氧化能力。结果表明，植物乳杆菌KLDS1.0386能显著减轻肝组织损伤，降低促炎细胞因子、髓过氧化物酶活性和肝毒性等相关生化指标水平。
与体外评估相比，利用动物模型的体内评估更加清晰地反映了乳酸菌的抗氧化活性，但由于实验耗时长、成本高和操作复杂，该方法不适合高抗氧化活性菌株的筛选。另外，人体与动物的生理代谢活动不同，生命系统更加复杂。乳酸菌抗氧化活性的临床试验存在一定的安全风险及临床观察难度大等问题，导致目前临床研究案例较少。
4 结语
乳酸菌作为一种天然发酵剂和抗氧化剂，在食品加工领域得到了广泛应用。合理利用乳酸菌，不仅能够有效缩短发酵周期、改善食品风味、延长食品保质期，还能降低食品中的有害物质含量、减少自由基的累积。这些有益作用的发挥离不开乳酸菌的抗氧化活性。目前，乳酸菌抗氧化机制未得到详细阐述，现有的乳酸菌抗氧化活性评估方法无法满足高抗氧化活性菌株的工业化需求，探索一种便捷可靠的抗氧化活性评估方法仍是国内外研究中亟待解决的问题。乳酸菌抗氧化体系如何改变底物发酵过程中产生的生物活性成分以及混合乳酸菌发酵交互作用的安全性问题，可能成为乳酸菌行业未来的研究方向。我国对于抗氧化乳酸菌的应用起步较晚且主要集中于乳制品行业，在肉制品、水产品和果蔬制品行业技术相对薄弱，缺乏创新性应用。随着对乳酸菌抗氧化机制研究的不断深入，具有特定功能的乳酸菌抗氧化产品将得到研发与应用，有望通过食源途径参与氧化应激损伤相关疾病的治疗。总之，抗氧化乳酸菌的研究将持续推动食品工业的扩大化生产，创造出更高的经济和社会价值。
本文《乳酸菌抗氧化机制研究进展及在食品领域的应用》来源于《食品科学》2024年45卷13期345-355页. 作者：尹树磊，杜香，张小希，刘璐，易俊洁，王艳菲. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230911-080. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；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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