Re: 장내 유익균과 음식 발효균 2024 Cell metabolism review!!

[문형철]

ReviewVolume 36, Issue 4p684-701April 02, 2024Open Archive

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Our extended microbiome: The human-relevant metabolites and biology of fermented foods

Elisa B. Caffrey1 ecaffrey@stanford.edu ∙ Justin L. Sonnenburg1,2,3 justins2@stanford.edu ∙ Suzanne Devkota4,5 suzanne.devkota@cshs.org

Affiliations & NotesArticle Info

Summary

One of the key modes of microbial metabolism occurring in the gut microbiome is fermentation. This energy-yielding process transforms common macromolecules like polysaccharides and amino acids into a wide variety of chemicals, many of which are relevant to microbe-microbe and microbe-host interactions. Analogous transformations occur during the production of fermented foods, resulting in an abundance of bioactive metabolites. In foods, the products of fermentation can influence food safety and preservation, nutrient availability, and palatability and, once consumed, may impact immune and metabolic status, disease expression‎, and severity. Human signaling pathways perceive and respond to many of the currently known fermented food metabolites, though expansive chemical novelty remains to be defined. Here we discuss several aspects of fermented food-associated microbes and metabolites, including a condensed history, current understanding of their interactions with hosts and host-resident microbes, connections with commercial probiotics, and opportunities for future research on human health and disease and food sustainability.

요약

장내 미생물군집에서 발생하는 미생물 대사 과정의 주요 방식 중 하나는

발효입니다.

이 에너지 생성 과정은

다당류와 아미노산과 같은 일반적인 고분자를 다양한 화학물질로 변환하며,

이 중 많은 물질은 미생물 간 상호작용 및 미생물-호스트 상호작용과 관련이 있습니다.

발효 식품의 생산 과정에서도 유사한 변환이 발생하며,

이로 인해 생물활성 대사산물이 풍부하게 생성됩니다.

식품에서 발효의 산물은

식품 안전성과 보존, 영양소 가용성, 맛에 영향을 미칠 수 있으며,

섭취 후에는 면역 및 대사 상태, 질병 발현 및 중증도에 영향을 줄 수 있습니다.

인간 신호 전달 경로는

현재 알려진 발효 식품 대사물의 많은 부분을 인식하고 반응하지만,

광범위한 화학적 신비성은 여전히 규명되지 않았습니다.

본 논문에서는

발효 식품과 관련된 미생물 및 대사물에 대한 여러 측면을 논의합니다.

이는 간결한 역사, 호스트 및 호스트 내재 미생물과의 상호작용에 대한 현재 이해,

상업용 프로바이오틱스와의 연관성,

인간 건강과 질병,

식품 지속 가능성에 대한 미래 연구 기회를 포함합니다.

Introduction

In food, fermentation includes “foods made through desired microbial growth and enzymatic conversions of food components,”1 occurring in aerobic and anaerobic contexts. The food fermentation process (see “What are fermented foods?” section) depends upon the microbial community to metabolize nutrients,2 altering the substrate (i.e., food) and producing metabolites and other molecules that can impact taste, texture, safety, and nutritional composition, as well as signal to the host and gut microbiome.

While this type of food fermentation happens ex vivo, a comparable microbial metabolism occurs in the gastrointestinal (GI) tract. Research on the gut microbiome has highlighted the importance of microbiome-derived metabolites in mediating human health and disease.3,4,5,6,7,8,9 By applying the same framework developed to study metabolite-host interactions in the gut, we can better understand the effects of fermented food metabolism on human health, offering an unexplored additional source of human-relevant microbial metabolites. From the perspective of the gut microbiome, fermentation can be defined as a primary metabolic process occurring in the absence of oxygen, such as the microbial consumption of complex carbohydrates in the colon. Dietary compounds metabolized by the gut microbiome lead to production of energy and metabolites, small chemical compounds that can influence the structure of gut microbial communities and signal directly to the host via interaction with different cell types within the gut10,11 or signal peripherally following absorption into circulation. Nutrients exiting the stomach that are not absorbed by the host small intestine make their way to the distal small intestine and colon, providing a pool of dietary compounds that gut microbes can access and metabolize.

소개

식품에서 발효는

“미생물의 성장과 식품 성분의 효소적 전환을 통해 만들어진 식품”을 의미하며,1

산소 존재 여부에 따라 호기성 및 무호기성 조건에서 발생합니다.

“foods made through desired microbial growth and enzymatic conversions of food components

식품 발효 과정(“발효 식품이란 무엇인가?” 섹션 참조)은

미생물 군집이 영양소를 대사하여 기질(즉, 식품)을 변화시키고

대사산물 및 기타 분자를 생성하는 데 의존합니다.2

이러한 대사산물은

맛, 텍스처, 안전성, 영양 성분에 영향을 미칠 수 있으며,

호스트와 장 미생물군집에 신호를 전달합니다.

이 유형의 식품 발효는

ex vivo에서 발생하지만,

유사한 미생물 대사 과정은 위장관(GI) tract에서도 발생합니다.

장 미생물군집에 대한 연구는

미생물군집에서 유래한 대사산물이

인간 건강과 질병 조절에 중요한 역할을 한다는 점을 강조했습니다.3,4,5,6,7,8,9

장 내 대사산물-호스트 상호작용을 연구하기 위해 개발된 동일한 프레임워크를 적용함으로써,

발효 식품 대사 과정이 인간 건강에 미치는 영향을 더 잘 이해할 수 있으며,

인간 관련 미생물 대사산물의 새로운 추가 소스를 제공할 수 있습니다.

장 미생물군집의 관점에서 발효는

산소 없이 발생하는 주요 대사 과정으로,

대장에서 미생물이 복잡한 탄수화물을 분해하는 과정을 포함합니다.

장 미생물군집에 의해 대사된 식이 성분은 에너지와 대사물을 생성하며,

이는 장 미생물군집의 구조를 변화시키거나

장 내 다양한 세포 유형과의 상호작용을 통해 호스트에게 직접 신호를 전달하거나,

흡수 후 순환계로 흡수되어 주변으로 신호를 전달할 수 있습니다.

위에서 흡수되지 않은 영양소는

소장 말단부와 대장으로 이동하여 장 미생물이 접근하고 대사할 수 있는

식이 성분의 풀을 제공합니다.

Microbial strains that are well-matched to incoming nutrients tend to outcompete other members of the community, resulting in changes in the overall composition of the microbial community.12,13 This can occur within days of a major dietary change.14 The metabolites produced during microbial fermentation in the gut are a direct product of microbes that are being fueled by nutrient inputs. These compounds provide an energy source for other microbes; impact the ecosystem chemistry (e.g., pH); directly signal to the host, further restructuring the microbial community; and/or enter host systemic circulation, broadening metabolite reach.10,15,16,17 Postbiotics refer to the molecules that microbes produce18 as opposed to substrates that promote the growth of gut microbes, known as prebiotics. In this framework, diet can be considered a source of nutrients for both host and microbes, as well as a source of precursors for metabolites produced during fermentation by the gut microbiome.

There is a growing appreciation that microbially produced metabolites have a mediating role in health and disease, as seen in type 2 diabetes (T2DM), inflammatory bowel diseases (IBDs), and metabolic-associated fatty liver disease.3,4,5,6,7,8,9 Evidence of the influence of microbial-derived metabolites primarily comes from mechanistic studies, where they may promote health and disease states, as well as in their use as diagnostics or biomarkers. Production of these metabolites is influenced by a vast array of factors including diet, medications, baseline gut microbiota composition, and genetics.19 Similarly, metabolites produced during food fermentation offer a novel pool of signaling compounds that can interact with the GI tract, acting directly and indirectly on the host, with the potential to be further metabolized.

Consumption of fermented foods expands the possible interactions in the gut through increased chemical diversity. By considering food fermentation as an “extended microbiome,”20 a term previously used to describe fermented foods by Dunn et al.,20 we can reframe our relationship to fermented foods and their role in human health. Important considerations include how the practice of fermentation has shaped human biology, how fermented food consumption impacts health directly and indirectly, and future applications of food fermentation in biomedicine and extending beyond health. This review focuses on the role of metabolites as key mediators in the diet-microbe-host landscape, presenting current and potential roles fermented food microbiota-derived metabolites play in human health. We also review the need for expanded foundational information, such as characterizing the microbial communities and molecules associated with the wide array of fermented foods consumed globally.

입력되는 영양소에 잘 적응한 미생물 균주는

다른 공동체 구성원을 압도하여

미생물 공동체의 전체 구성에 변화를 초래합니다.12,13 

이는 주요 식이 변화 후

며칠 내에 발생할 수 있습니다.14 

장 내 미생물 발효 과정에서 생성되는 대사산물은

영양소 입력으로 에너지를 공급받는 미생물의 직접적인 산물입니다.

이 화합물은 다른 미생물의 에너지원이 되며,

생태계 화학(예: pH)에 영향을 미치고,

호스트에게 직접 신호를 보내 미생물 군집을 재구조화하며,

또는 호스트의 체내 순환계로 들어가 대사체 분포를 확대합니다.10,15,16,17 

포스트바이오틱스는

미생물이 생성하는 분자를 의미하며,

장 미생물의 성장을 촉진하는 기질인 프리바이오틱스와 구분됩니다.

이 프레임워크에서 식단은

호스트와 미생물 모두에게 영양소의 원천일 뿐만 아니라

장 미생물군집의 발효 과정에서 생성되는 대사물의 전구체 원천으로도 고려될 수 있습니다.

미생물이 생성한 대사산물이

건강과 질병에 매개체 역할을 한다는 인식이 점점 더 확산되고 있습니다.

이는

제2형 당뇨병(T2DM),

염증성 장 질환(IBDs),

대사 관련 지방간 질환 등에서 관찰됩니다.3,4,5,6,7,8,9 

미생물 유래 대사 산물의 영향에 대한 증거는

주로 건강 및 질병 상태를 촉진하거나

진단 또는 바이오마커로 사용되는 메커니즘 연구에서 비롯됩니다.

이러한 대사산물의 생산은

식이, 약물, 기초 장내 미생물군 구성, 유전적 요인 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다.19 

마찬가지로,

식품 발효 과정에서 생성되는 대사산물은

장내 점막과 상호작용하여 호스트에 직접적 또는 간접적으로 작용할 수 있는

새로운 신호 전달 화합물의 풀을 제공하며,

추가적으로 대사될 잠재력을 가지고 있습니다.

발효 식품의 섭취는

화학 다양성의 증가를 통해 장 내 상호작용의 가능성을 확장합니다.

Dunn 등20이 발효 식품을 설명하기 위해 사용한 용어인

“확장된 미생물군집”을 고려할 때,20 

발효 식품과 인간 건강 간의 관계를 재구성할 수 있습니다.

중요한 고려 사항에는

발효 실천이 인간 생물학에 미친 영향, 발효 식품 섭취가 건강에 미치는 직접적 및 간접적 영향,

발효의 미래 응용 분야(생물의학 및 건강을 넘어)가 포함됩니다.

이 리뷰는

식이-미생물-호스트 환경에서 대사산물이 핵심 매개체로 작용하는 역할을 중점적으로 다루며,

발효 식품 미생물군집에서 유래한 대사산물이 인간 건강에 미치는 현재 및 잠재적 역할을 제시합니다.

또한

전 세계적으로 소비되는 다양한 발효 식품과 관련된

미생물 군집 및 분자를 특성화하는 등

기초 정보의 확장이 필요함을 검토합니다.

What are fermented foods?

With the fermented food market expected to grow by over half a billion dollars in the next 4 years,21 fermentation has been of increasing research interest. Numerous reviews have offered an extended explanation of fermented food production.1,2 Here, we offer a brief summary.

Fermented foods (also referred to as ferments or microbial foods) are foods transformed by microbial growth and enzymatic conversions.1 During fermentation, members of the microbial community, which can include bacteria, yeast, or filamentous fungi, compete for resources with strain-specific nutritional and growth-condition preferences, accompanied by secretion of metabolites such as organic acids and antimicrobial peptides22,23 to gain advantage over competitors. Most fermented food is produced for specific sensory qualities including taste and aroma, which result from the production of specific metabolites. Key to the fermentation process is encouraging the growth of microbes through the manipulation of extrinsic factors such as temperature, pH, salinity, and humidity.

발효 식품이란 무엇인가?

발효 식품 시장이

향후 4년 내에 5억 달러 이상 성장할 것으로 예상됨에 따라,21

발효는 연구 관심의 대상이 되고 있습니다.

수많은 리뷰가 발효 식품 생산에 대한 상세한 설명을 제공해 왔습니다.1,2

여기서는 간략한 요약을 제공합니다.

발효 식품(발효물 또는 미생물 식품으로도 불림)은

미생물의 성장과 효소적 전환을 통해 변형된 식품입니다.1

발효 과정에서 미생물 군집의 구성원(세균, 효모, 필라멘트 곰팡이 등)은

균주 특이적인 영양소 및 성장 조건 선호도를 바탕으로 자원을 경쟁하며,

유기산과 항균 펩타이드와 같은 대사물을 분비하여 경쟁 상대보다 우위를 차지합니다.22,23

대부분의 발효 식품은

맛과 향과 같은 특정 감각적 특성을 위해 생산되며,

이는 특정 대사 산물의 생산에서 비롯됩니다.

발효 과정의 핵심은

온도, pH, 염도, 습도 등 외부 요인을 조작하여 미생물의 성장을 촉진하는 것입니다.

Where are the microbes coming from?

The source of microbes in a fermented food can be spontaneous, from a starter culture, or through “back-slopping.” In spontaneous fermentation, microbes from the environment (e.g., the surface of the raw ingredient, the hands of the producer, the room, and the equipment used to make the fermented food) initiate fermentation.24 While the initial microbial community will be more diverse, the raw ingredient and environmental factors will select for specific members of the community to dominate.25 Use of a starter culture (e.g., selected strain or group of strains) in a pasteurized substrate allows for a reliable final profile of the fermented food, preventing competition between the native microbial community and the added starter community. Starter cultures are widely used in fermented dairy production like yogurt and cheeses.20 In addition, starters can be constructed of characterized and sequenced strains deliberately chosen based on the presence or absence of specific traits, for example, to minimize the presence of antibiotic resistance genes that might be transferable to resident gut microbes.26 When a portion of a previous fermented food is incorporated into a next batch, propagating the microbial community, the process is called back-slopping fermentation2 and is analogous to subculturing or serial passage of microbial cultures in the lab. Examples of back-slopping include sourdough bread and kombucha,2,27 where a higher abundance of a previously successful microbial community can be used to initiate fermentation, although the community itself might be poorly characterized.

Dominant microbes involved in fermentation have been largely characterized, but there remains a need for the continued characterization of microbes involved in fermentation: in particular, characterization of microbes at lower abundance, which might play a role in shaping the microbial community or contribute to the metabolite pool. In addition, while there is general consistency in microbes that will be most abundant at the final stages of fermentation, like Lactiplantibacillus plantarum in vegetable fermentation or S. thermophilus and L. bulgaricus in yogurt, their final relative abundance, as well as the presence and abundance of other microbes in the community, remain variable from batch to batch. In line with microbial heterogeneity between fermentation batches, metabolite production and abundance will also be variable.28 Ongoing work modeling microbiota and metabolite dynamics during fermented food community assembly will shed light on how extrinsic factors might be used to decrease product variability.24

발효 미생물은 어디서 오는가?

발효 식품의 미생물 원천은

자연 발생적, 스타터 배양액, 또는 “백슬로핑”을 통해 발생할 수 있습니다.

spontaneous, from a starter culture, or through “back-slopping

자연 발효에서는

환경(예: 원료 표면, 생산자의 손, 발효 식품 제조에 사용된 장비 등)의 미생물이

발효를 시작합니다.24

the surface of the raw ingredient, t

he hands of the producer,

the room, and the equipment used to make the fermented food

초기 미생물 군집은 더 다양하지만,

원재료와 환경 요인이 특정 군집 구성원을 선택하여 우점하게 합니다.25

살균된 기질에 스타터 배양액(예: 특정 균주 또는 균주 그룹)을 사용하면

발효 식품의 최종 프로필을 신뢰할 수 있게 하며,

원생 미생물 군집과 추가된 스타터 군집 간의 경쟁을 방지합니다.

스타터 배양액은

요거트와 치즈와 같은 발효 유제품 생산에 널리 사용됩니다.20

또한,

특정 특성의 유무에 따라 의도적으로 선택된 특성화되고

시퀀싱된 균주로 스타터를 구성할 수 있습니다.

예를 들어,

장내 미생물에 전이될 수 있는 항생제 내성 유전자의 존재를 최소화하기 위해 사용됩니다.26

이전 발효 식품의 일부를 다음 배치에 포함시켜

미생물 군집을 증식시키는 과정은

'백슬로핑 발효'라고 불리며,

실험실에서의 미생물 배양액의 하위 배양이나 연속 배양과 유사합니다.

백슬로핑의 예시로는 사워도우 빵과 콤부차가 있으며,2,27

여기서 이전에 성공적으로 발효된 미생물 군집의 높은 밀도를 활용해 발효를 시작할 수 있지만,

해당 군집 자체는 잘 특성화되지 않을 수 있습니다.

발효에 관여하는 주요 미생물은 대부분 특성화되었지만,

발효에 관여하는 미생물의 지속적인 특성화가 여전히 필요합니다.

특히,

미생물 군집 형성에 역할을 하거나 대사체 풀에 기여할 수 있는

낮은 농도의 미생물에 대한 특성화가 필요합니다.

또한,

발효의 최종 단계에서 가장 풍부한 미생물에 대한

일반적인 일관성이 존재하지만

(예: 채소 발효에서의 Lactiplantibacillus plantarum 또는 요거트에서의 S. thermophilus와 L. bulgaricus),

최종 상대적 풍부도 및 공동체 내 다른 미생물의 존재와 풍부도는 배치마다 변동됩니다.

발효 배치 간 미생물 다양성과 일치하여

대사체 생산 및 풍부도도 변동될 것입니다.28

발효 식품 공동체 조립 과정에서

미생물군과 대사체 동역학을 모델링하는 진행 중인 연구는

외적 요인이 제품 변동성을 줄이는 데 어떻게 활용될 수 있는지 밝힐 것입니다.24

What does it mean for a food to be fermented?

While there are broad categories of microbes that can be involved in the fermentation process (e.g., lactic acid bacteria, acetic acid bacteria, filamentous molds, and yeast), lactic acid fermenting microbes are one of the most common classes, seen in the fermentation of many vegetables, dairy, and grains (e.g., kimchi, yogurt, and injera). In lactic acid fermentation of vegetables, addition of salt and access to preferred carbohydrate nutrient sources promote growth of halophilic lactic acid bacteria (LAB), leading to early community dominance and secretion of antimicrobial peptides and organic acids (predominantly lactic acid), further enhancing growth.29,30,31 LAB outcompetes potential spoilage-associated microbes and competitors, excluding undesirable microbes from the final ferment. Secretion of protein hydrolases to enhance nutrient accessibility, shown primarily in mold fermentation microbes like Aspergillus oryzae and Rhizopus oryzae, not only promotes fungal growth but also plays an important role in enhanced palatability of the fermented food. Additional metabolites produced during this process play important roles in enhancing palatability and food safety and mediate microbe-microbe and microbe-host interactions. It is important to note that many non-fermented foods are produced to mimic the flavor and preservation of fermented foods (e.g., vinegar/salt brined pickles).1 Manufacturers may add viable microbes to pickled foods or pasteurized fermented foods at the end of production, attempting to recreate the living microbial content of raw fermented foods and enabling “probiotic” or “contains live microbes” label claims; in many cases the supplemented microbes are different strains than those associated with fermentation and may be spores and therefore not metabolically active. Microbial density of lactic acid ferments ranges widely across products and can reach 105–1010 CFU/g32 with the microbes producing and consuming metabolites during microbial growth. While addition of probiotic microbes to consumer-ready food products increases CFU count, fermentation (and the accompanying metabolite production) does not occur. Therefore, the simple presence of bacteria or fungi on an ingredient label does not necessarily mean it is a fermented product. For example, an olive brined in dilute lactic acid and salt with spores of a Bacillus species (distant relative of Lactobacillus that is able to form spores) added before sealing can create a shelf-stable product with highly reproducible flavor that mimics a lactic acid ferment and enables a claim of “contains live microbes.” However, such a product deviates significantly from a traditionally fermented olive. Data are lacking as to whether mimicking food fermentation by adding purified metabolites or live microbes has the same benefit, particularly when consuming microbes distinct from those that are typically found in fermented foods. Also, in the addition of probiotics (considered "dietary supplements") to food FDA draft guidelines recommend including the total weight of the added microbial mass and CFU of viable microbes, with no recommendation as to maximum allowed supplemented probiotic CFU or weight count.33 While estimates from the National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) data show there is a trending increase in consumption of foods containing live microbes in the American diet, estimates of CFUs or microbial type are still lacking.34 Characterizing the typical range of dietary microbe consumption and defining a healthy personalized range is necessary for the establishment of dietary recommendations and regulation of commercial products.35

발효된 식품이란 무엇을 의미할까요?

발효 과정에 관여할 수 있는 미생물의 광범위한 분류군

(예: 젖산균, 아세트산균, 필라멘트 곰팡이, 효모)이 있지만,

젖산 발효 미생물은 가장 흔한 분류군 중 하나로,

채소, 유제품, 곡물(예: 김치, 요거트, 인제라)의 발효에서 널리 관찰됩니다.

lactic acid bacteria,

acetic acid bacteria,

filamentous molds, and

yeast

발효에 사용되는 효모는 정말 다양.
맥주를 만들 때는 '사카로마이세스 세레비시아에' 효모가 주로 쓰이고,
빵을 만들 때는 '사카로마이세스 엑시구어스' 효모가 많이 쓰이죠.
막걸리에는 '사카로마이세스 루록시' 효모가,
와인에는 '사카로마이세스 엘립소이드우스' 효모가 사용

채소의 젖산 발효에서 소금 추가와 선호하는 탄수화물 영양소 공급원은

염애성 젖산균(LAB)의 성장을 촉진하여

초기 군집 우세를 이끌고 항균 펩타이드와 유기산(주로 젖산) 분비를 촉진합니다.

이는 성장을 더욱 강화합니다.29,30,31

LAB은

잠재적 부패 관련 미생물과 경쟁자를 압도하여

최종 발효물에서 원치 않는 미생물을 배제합니다.

단백질 가수분해 효소의 분비로 영양소 접근성을 향상시키는 현상은

주로 Aspergillus oryzae와 Rhizopus oryzae와 같은 곰팡이 발효 미생물에서 관찰되며,

이는 곰팡이 성장 촉진뿐 아니라 발효 식품의 맛 개선에 중요한 역할을 합니다.

율무(Adlay millet) 씨앗은 건강에 매우 뛰어난 효능으로 잘 알려져 있습니다. 하지만 곰팡이(진균) 발효를 이용해 율무의 영양 및 기능성 성분을 개선하고 그 기전까지 연구한 사례는 아직 많지 않습니다. 본 연구에서는 스타터로 Rhizopus oryzae(누룩곰팡이의 일종)를 사용하고, 대사체학(metabolomics)과 정량적 분석을 접목해 율무씨의 영양 및 기능 성분 변화를 밝혔습니다. 결과총 18개 화합물 계열에 걸쳐 718개의 대사산물이 확인되었습니다. R. oryzae로 발효했을 때 203종의 대사산물이 유의하게 변동됐으며, 이 중 184종은 증가하고 19종은 감소하였습니다. 특히 아미노산, 핵산, 비타민, 플라보노이드, 테르페노이드, 페놀류 등 다양한 성분들이 발효 과정 후 유의하게 증가했습니다. 흥미롭게도, R. oryzae는 건강에 중요한 이로운 화합물인 S-아데노실메티오닌(SAMe)과 β-니코틴아미드 모노뉴클레오타이드(β-NMN)를 대량으로 합성했으며, 각각의 함량은 0.56에서 370.26 μg/g, 0.55에서 8.32 μg/g로 크게 증가했습니다. KEGG(교토 유전체 및 유전자 백과사전) 분석에서는 발효 과정에서 아미노산 대사 경로가 1차 및 2차 대사산물의 변화에서 중요함을 확인했습니다. 특히 아스파르트산이 SAMe 및 β-NMN의 생합성을 상향 조절하는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 R. oryzae 발효가 곡물식품(율무)의 영양 및 기능적 가치 증진에 미치는 영향과 그 기전에 대한 이해를 심화시켜 줍니다.

이 과정에서 생성되는 추가 대사산물은

맛 개선과 식품 안전성 향상, 미생물 간 및 미생물-호스트 상호작용을 조절하는 데

중요한 역할을 합니다.

발효되지 않은 식품 중 많은 부분이

발효 식품의 맛과 보존성을 모방하기 위해 생산됩니다(예: 식초/소금 절임 피클).1

제조업체는

발효 식품의 원료 상태에서 존재하는 살아있는 미생물의 함량을 재현하고

“프로바이오틱스” 또는 “생미생물 함유” 라벨 표시를 가능하게 하기 위해,

발효 식품이나 살균 처리된 발효 식품의 생산 마지막 단계에 살아있는 미생물을 추가할 수 있습니다;

많은 경우 추가된 미생물은

발효와 관련된 균주와 다를 수 있으며,

포자 형태일 수 있어 대사적으로 활성적이지 않을 수 있습니다.

젖산 발효의 미생물 밀도는

제품에 따라 크게 다양하며,

미생물이 성장 과정에서 대사물을 생산하고 소비하면서 105–1010 CFU/g32에 달할 수 있습니다.

프로바이오틱 미생물을 소비자용 식품에 추가하면

CFU 수가 증가하지만,

발효(및 동반되는 대사물 생산)는 발생하지 않습니다.

따라서

원재료 라벨에 세균이나 곰팡이가 표시되어 있다고 해서

반드시 발효 제품임을 의미하지는 않습니다.

예를 들어,

희석된 젖산과 소금에 절인 올리브에 밀봉 전에

Bacillus 속의 포자(Lactobacillus와 먼 친척 관계에 있으며 포자를 형성할 수 있는 미생물)를 추가하면,

젖산 발효를 모방한 안정적인 제품이 생성되며 “생미생물을 함유함”이라는 주장을 할 수 있습니다.

그러나 이러한 제품은

전통적인 발효 올리브와 크게 다릅니다.

정제된 대사산물이나 살아있는 미생물을 추가하여 식품 발효를 모방하는 것이 동일한 이점을 갖는지,

특히 발효 식품에서 일반적으로 발견되지 않는 미생물을 섭취할 때의 영향에 대한 데이터는 부족합니다.

또한, 식품에 프로바이오틱스(“영양 보충제”로 분류됨)를 추가할 때

FDA 초안 지침은 추가된 미생물 총량과 생존 가능한 미생물의 CFU를 포함하도록 권장하지만,

최대 허용 프로바이오틱스 CFU 또는 무게 기준은 제시하지 않습니다.33

국가 건강 및 영양 조사(NHANES) 데이터의 추산에 따르면

미국 식단에서 살아있는 미생물을 함유한 식품의 섭취량이 증가하는 추세가 있지만,

CFU나 미생물 유형에 대한 추산은 여전히 부족합니다.34

식이 미생물 섭취의 일반적인 범위를 특성화하고 건강한 개인별 범위를 정의하는 것은

식이 권장 사항 수립과 상업용 제품 규제를 위해 필수적입니다.35

Fermented foods: A brief history

While the earliest evidence of human engagement with food fermentation dates back to at least 14,000 years BCE,36 evolutionary genetics support a much longer relationship between humans and food-derived microbially produced metabolites. Roughly 10 million years ago, corresponding to the movement of our great ape ancestors from trees to the forest floor, evolution of the alcohol dehydrogenase class IV (ADH4) enzyme allowed our hominid ancestors to metabolize ethanol, likely a primary metabolite produced by yeast spontaneously fermenting fallen fruit.37 Over the course of human history, food fermentation has been practiced by most culinary traditions, dependent on substrate availability.20 The use of fermented ingredients is not uncommon in historical medicinal practices, with documented use of wine, doenjang (Korean fermented soybean paste), and garum (fermented fish sauce)38,39,40 for the treatment and prevention of ailments. The modern conceptualization of microbial foods as “health foods” stems from Élie Metchnikoff, who hypothesized Bacillus bulgarian (now Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus), which had been isolated from Bulgarian curdled milk referred to as “yahourth,” was responsible for the increased longevity observed in the Balkan population compared to other European populations. Work on the isolation and administration of this strain established probiotics as both a concept and a commercial product (Box 1). A revitalization of at-home fermentation production41 accompanied by the rise in the commercial fermented food market21 has focused on marketing fermented foods for “health” properties, although there is a lack of consensus on how and in what context health can be defined.35 Here we present the current understanding and limitation of the use of microbial foods for human health, focusing on the role of metabolites as microbe-host mediators and highlighting areas of future research.

발효 식품: 간략한 역사

인간이 식품 발효에 관여한 가장 오래된 증거는

최소 14,000년 전 BCE로 거슬러 올라갑니다.36

진화 유전학은

인간과 식품 유래 미생물 생성 대사산물 간의 관계가

훨씬 더 오래되었다는 것을 지지합니다.

약 1000만 년 전, 우리의 유인원 조상이 나무에서 숲 바닥으로 내려와 생활하기 시작한 시기에 맞춰,

알코올 탈수소효소 IV(ADH4)가 진화하면서

우리의 인류 조상(호미니드)은 에탄올을 대사할 수 있게 되었습니다.

이 에탄올은

아마도 효모가 땅에 떨어진 과일을 자연 발효시켜 생성한

주요 대사산물이었을 것입니다. .37

인류 역사 동안 식품 발효는

대부분의 요리 전통에서 원료의 가용성에 따라 실천되어 왔습니다.20

발효 재료의 사용은

역사적 의학 실천에서 드문 일이 아니며,

와인, 된장(한국 발효 콩 페이스트),

가루(발효 어장)38,39,40 등이 질병의 치료와 예방에 사용된 기록이 있습니다.

미생물 식품을 '건강 식품'으로 개념화한 현대적 관점은

엘리 메트니코프(Élie Metchnikoff)에게서 비롯되었습니다.

그는 불가리아의 발효 우유인 '야후르트'에서 분리된

Bacillus bulgarian(현재 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus)이

발칸 지역 주민의 다른 유럽 지역 주민보다 긴 수명의 원인으로 추정했습니다.

이 균주의 분리 및 투여 연구는

프로바이오틱스를 개념과 상업적 제품으로 확립했습니다(Box 1).

가정용 발효 식품 생산의 부흥41과 상업용 발효 식품 시장 성장21은

발효 식품의 ‘건강’ 효과를 강조한 마케팅에 초점을 맞췄으나,

건강을 어떻게 정의하고 어떤 맥락에서 적용할지에 대한 합의는 부족합니다.35

본 논문에서는

미생물 식품의 인간 건강 활용에 대한 현재의 이해와 한계를 소개하며,

미생물-호스트 매개체로서의 대사물의 역할을 강조하고 미래 연구 분야를 제시합니다.

Box 1

Fermented foods and probiotics

L. delbrueckii subsp. bulgaricus is one of the key starter strains used to make yogurt today42 and was also the first described probiotic,43 isolated from fermented dairy. The term probiotic refers to a well-defined and characterized live microorganism with demonstrated health benefits,1 which might be consumed in pure form (e.g., probiotic pill) or added to a food (e.g., probiotic yogurt). According to this definition, fermented foods made with spontaneous fermentation or through back-slopping do not fit the formal definition of probiotic unless the microbiome of the fermented food has been characterized and the strains are proven to exert health benefits. In commercial fermented food preparation, probiotic strains might be added into the yogurt once fermentation is complete, as with L. plantarum and L. rhamnosus,44 two strains also found in fermented foods,45 or many of the Bifidobacterium spp. strains that are not associated with food fermentation but rather were isolated from other sources such as infant feces.46,47

While probiotics have been extensively reviewed,48 success in trials is highly variable and appears dependent on a number of factors. A randomized, double-blind, placebo-controlled study looking at the impact of stomach acid on probiotic intervention showed that suppression of stomach acid production with proton pump inhibitors (PPIs) might enhance probiotic effectiveness, possibly via improved viability.49 More recently, a randomized controlled trial looking at the effects of probiotics on metabolic syndrome identified diet as a key differentiating factor between responders and non-responders, with non-responders having higher levels of serum glucose and insulin at the end of the intervention.50 Unexpectedly, total and added sugar, lactose, and sucrose intake was higher in the probiotic responders compared to non-responders. Further research is needed to better understand basic interactions between probiotics, diet, host gut microbiome, and host.

Current research points to metabolites and other probiotic products (sometimes commercially referred to as “postbiotics”) as key contributors to many of the benefits seen by probiotic consumption.18,51 While probiotics offer a characterized bacteria for a specific indication, in supplement form these products lack fermentation end products. Alternatively, fermented foods offer an extensive reservoir of potential postbiotics that can directly impact the microbiome, immunity, and enteroendocrine system.

발효 식품과 프로바이오틱스

L. delbrueckii subsp. bulgaricus는

오늘날 요거트를 제조하는 데 사용되는 주요 스타터 균주 중 하나이며,42

발효 유제품에서 분리된 첫 번째 프로바이오틱스로 기록되었습니다.

프로바이오틱스는

건강에 이점을 입증한 잘 정의되고 특성화된 살아있는 미생물을 의미하며,1

순수한 형태(예: 프로바이오틱스 캡슐)로 섭취되거나 식품에 추가될 수 있습니다(예: 프로바이오틱스 요거트).

이 정의에 따르면,

자연 발효나 백슬로핑을 통해 제조된 발효 식품은

발효 식품의 미생물군이 특성화되고

균주가 건강에 유익한 효과를 발휘한다는 것이 입증되지 않는 한

프로바이오틱스의 공식적 정의에 부합하지 않습니다.

상업용 발효 식품 제조 과정에서 프로바이오틱스 균주는

발효가 완료된 후 요거트에 추가될 수 있습니다.

예를 들어, 발효 식품에서도 발견되는

L. plantarum과 L. rhamnosus 균주,44 또는

식품 발효와 관련이 없지만 유아 분변 등에서 분리된 Bifidobacterium 속의 많은 균주 등이

해당됩니다.46,47

프로바이오틱스는 광범위하게 검토되었지만,48

임상 시험에서의 성공은 매우 다양하며 여러 요인에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다.

위산이 프로바이오틱스 개입에 미치는 영향을 조사한 무작위 이중 맹검 위약 대조 연구에서,

프로톤 펌프 억제제(PPIs)로 위산 생성을 억제하면

프로바이오틱스 효능이 향상될 수 있으며,

이는 생존율 개선을 통해 이루어질 수 있다는 결과가 나왔습니다.49

무작위, 이중맹검, 위약 대조 연구에서 건강한 피험자 30명(남성 10명, 여성 20명, 연령 범위: 18~56세)을 6주 동안 양성자 펌프 억제제(PPI, n = 15) 또는 위약(n = 15)을 투여받도록 하였습니다. 모든 피험자는 2주부터 6주까지 다균주 프로바이오틱스를 섭취했습니다. 총 30명의 피험자가 연구에 참여했으며, 0주, 2주, 6주에 채취한 대변 샘플에 대해 쇼트건 메타게놈 서열 분석과 비표적 대사체 분석을 수행했습니다. 결과 단기 PPI 치료는 Streptococcaceae (p = 0.004), Leuconostacaceae (p = 0.001), Pasteurellaceae (p = 0.020)와 같은 미생물 군집의 풍부도를 가족 수준에서, 그리고 해당 속 수준에서 증가시켰습니다. 대변의 대사체 분석에서는 10개의 대사물이 변화를 보였으며, 그 중 Gly Arg Val과 페닐아세트산이 기준선에 비해 지속적으로 증가했습니다. 프로바이오틱스 개입은 PPI로 인한 미생물 변화(예: Leuconostacaceae 가족의 감소, p = 0.01)를 억제하고, 대사물질 1H-Indole-4-carbaldehyde의 증가를 유도했습니다. 특히 PPI는 다균주 프로바이오틱스에 포함된 특정 프로바이오틱스 세균 종(예: Streptococcus thermophilus, p < 0.05)을 포함한 다른 종의 정착을 강화했습니다. 결론 위산 억제는 특정 프로바이오틱스 관련 세균 정착을 촉진했으며, 프로바이오틱스는 반대로 PPI로 인한 장내 미생물 변화를 억제했습니다. 따라서 PPI와 프로바이오틱스를 병용하는 것은 프로바이오틱스 정착을 가능하게 하고 PPI로 인한 미생물 교란을 억제하는 유익한 전략이 될 수 있습니다.

최근에 진행된 무작위 대조 시험에서

프로바이오틱스가 대사 증후군에 미치는 영향을 조사한 결과,

식단이 반응자와 비반응자 간의 주요 차별화 요인으로 확인되었으며,

비반응자는 개입 종료 시 혈청 글루코스 및 인슐린 수치가 더 높았습니다.50

예상치 않게도,

프로바이오틱스 반응자 그룹은 비반응자 그룹보다

총 당분, 추가 당분, 락토스, 및 설탕 섭취량이 더 높았습니다.

프로바이오틱스, 식이, 호스트 장내 미생물군집, 호스트 간의 기본적인 상호작용을 더 잘 이해하기 위해

추가 연구가 필요합니다.

현재 연구는

프로바이오틱스 섭취로 인한 많은 이점의 주요 기여 요인으로

대사산물 및 기타 프로바이오틱스 제품(상업적으로 '포스트바이오틱스'라고도 함)을

지목하고 있습니다.18,51

프로바이오틱스는

특정 적응증에 특화된 세균을 제공하지만,

보충제 형태로는 발효 최종 산물이 부족합니다.

반면

발효 식품은

미생물군집, 면역 체계, 장내 내분비 시스템에 직접적인 영향을 미칠 수 있는

잠재적 포스트바이오틱스의 광범위한 저장고를 제공합니다.

The extended microbiome

Metabolites produced during fermentation provide a key role in the increased safety,52 nutrient availability,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64 and enhanced gustatory qualities22,65,66 of fermented foods. Understanding how the microbial strains present combined with other factors, including salinity, pH, and temperature, contribute and influence metabolite production remains a necessary consideration when characterizing the final fermented product, particularly when it comes to food safety.

확장된 미생물군집

발효 과정에서 생성되는 대사산물은

발효 식품의 안전성 향상,52 영양소 이용률 향상,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64 및 맛의 향상22,65,66에

핵심적인 역할을 합니다.

미생물 균주와 염도, pH, 온도 등 다른 요인이 결합하여

대사체 생산에 기여하고 영향을 미치는 메커니즘을 이해하는 것은

최종 발효 제품을 특성화할 때, 특히 식품 안전성 측면에서 필수적인 고려 사항입니다.

Enhancing food safety

Preserving food through fermentation is a reliable technique to enhance safety and stability over a prolonged period of time. During fermentation, metabolites produced during microbial competition for nutrients inhibit growth of competitors, concomitantly preventing growth of potential human pathogens. Production of various organic acids, primarily lactic or acetic acid, decrease the pH and create an inhospitable environment for food-borne pathogens like C. botulinum, L. monocytogenes, E. coli O157:H7, and S. flexneri.67,68,69 Secretion of antimicrobial compounds like bacteriocins, antibacterial peptides with both narrow and broad-spectrum activity, has been extensively studied in fermented food-associated LAB, including in kimchi, cheese, and fermented cereals,23,29,70,71 and shows high specific activity against known food pathogens.29 To date in the US, no cases of botulism have been reported in vegetable fermentation, mold-based fermentation, or dairy fermentation,72 with the rare cases being home-fermented meats, including beaver tail and uneviscerated fish, and tofu.73

Much of the insight into the mechanisms underlying the ecology of fermented foods has come from their use as a model microbial ecosystem. One example is the identification of novel antimicrobials that mediated microbe-microbe interactions,25,74,75 highlighting fermented foods as a potentially rich source of novel antimicrobials for medical application. More generally, the reduced microbial diversity in fermented foods compared to the gut microbiome provides improved tractability for exploring community assembly, transkingdom interactions, strain-diversity, and microbial evolution.76

Fermentation can also enhance food detoxification. Raw cassava, a starchy tuberous root native to South America and a staple food for over 500 million people,77 contains high levels of neurotoxic cyanogenic glycosides,78 which can be reduced by >70% through fermentation,79 with L. plantarum and Loigolactobacillus coryniformis believed to play a major role.80,81 Consumption of unprocessed cassava can lead to development of the irreversible neurological disorder konzo, which disproportionately affects rural areas in Africa.82 Gaining mechanistic insight into cassava detoxification would allow for improvement in food safety, with potential application to other foods.

식품 안전성 강화

발효를 통한 식품 보존은

장기간에 걸쳐 안전성과 안정성을 향상시키는 신뢰할 수 있는 기술입니다.

발효 과정에서 미생물이 영양분을 경쟁하며 생성되는 대사산물은

경쟁 미생물의 성장을 억제하며,

동시에 잠재적 인체 병원균의 성장을 방지합니다.

유산균과 같은 유산균은

유산산이나 아세트산과 같은 다양한 유기산을 생성하여 pH를 낮추고

C. botulinum, L. monocytogenes, E. coli O157:H7, S. flexneri와 같은

식품 병원균의 성장을 억제합니다.67,68,69

박테리오신과 같은 항균 물질의 분비,

좁은 스펙트럼과 넓은 스펙트럼 활동을 가진 항균 펩타이드의 분비는

김치, 치즈, 발효 곡물 등 발효 식품과 관련된 LAB에서 광범위하게 연구되었으며,23,29,70,71

알려진 식품 병원균에 대해 높은 특이적 활성을 보여줍니다.29

현재까지 미국에서는

채소 발효, 곰팡이 기반 발효, 유제품 발효에서 보툴리누스 중독 사례가 보고되지 않았으며,72

드문 사례는 비버 꼬리, 내장 제거되지 않은 생선, 두부 등 가정에서 발효된 육류에서 발생했습니다.73

발효 식품의 생태학 메커니즘에 대한 많은 통찰력은

모델 미생물 생태계로 사용된 경험에서 비롯되었습니다.

한 예로, 미생물 간 상호작용을 매개하는 새로운 항균 물질의 식별이 있으며,25,74,75

이는 발효 식품이 의료 응용을 위한 새로운 항균 물질의 풍부한 잠재적 원천으로 부상하고 있음을 강조합니다.

더 일반적으로,

발효 식품의 미생물 다양성이 장내 미생물군집에 비해 감소되어

커뮤니티 조립, 왕국 간 상호작용, 균주 다양성, 미생물 진화 등을 탐구하는 데 있어

향상된 연구 가능성을 제공합니다.76

발효는

식품 해독을 강화할 수도 있습니다.

남아메리카 원산으로 5억 명 이상이 주 식량으로 섭취하는 전분 함량이 높은 뿌리채소인

생 카사바는 신경독성 시안화 글리코시드(cyanogenic glycosides)를 고농도로 함유하고 있습니다.77

이 성분은 발효를 통해 70% 이상 감소될 수 있으며,

L. plantarum과 Loigolactobacillus coryniformis가

주요 역할을 하는 것으로 추정됩니다.80,81

가공되지 않은 카사바 섭취는 아프리카 농촌 지역에서 주로 발생하는

불가역적 신경 장애인 콘조(konzo) 발병 위험을 증가시킬 수 있습니다.82

카사바 해독 메커니즘에 대한 이해는

식품 안전성 개선에 기여할 수 있으며,

다른 식품에도 적용 가능할 수 있습니다.

Increasing nutrient availability and antioxidants

Fermented foods also have a documented history of use as nutrient supplements. James Cook, the British explorer, successfully prevented and treated scurvy among his crew by instructing them to consume 2 lb. of sauerkraut each a week, estimated to provide about 150 mg of ascorbic acid.53 However, these increased concentrations in nutrients might be specific to the microbial strains found in the ferment. Early work looking at prevention of scurvy in guinea pigs fed commercial sauerkraut found that two of the sauerkrauts successfully prevented scurvy while two other sauerkrauts did not. No difference was identified between the sauerkraut manufacturing conditions; however, microbial communities that might be involved in the observed differences were not investigated for potential differences.54 More recent studies support an increase in vitamins and nutrients in fermented foods compared to unfermented ingredients, including vitamins C, B2, B12, and K and folate.55,56,57,58,59,60,83 Additionally, release of encrypted bioactive components like polyphenol and flavonoid from tea leaves over the course of kombucha production increases antioxidant content of the drink.61 There is some rodent evidence pointing to host benefits following consumption of fermentation-driven enhanced nutrient bioavailability62,63; however, the chemical complexity combined with depletion of precursors (e.g., glucose) provides many confounders. Additional work is needed to isolate the effects of the wide array of relevant variables such as (1) diversity and variability in nutrients across fermented food; (2) the fermented food microbiota at a strain-specific level; and (3) elucidating factors, including host and microbiome genetics, that can impact nutrient absorption.

영양소 가용성 및 항산화제 증가

발효 식품은

영양 보충제로 사용된 역사적 기록이 있습니다.

영국 탐험가 제임스 쿡은 선원들에게

주당 2파운드의 사우어크라우트를 섭취하도록 지시해 괴혈병을 예방하고 치료하는 데 성공했습니다.

이는 약 150mg의 아스코르브산을 제공한 것으로 추정됩니다.53

그러나

이러한 영양소 농도 증가가

발효 과정에서 발견된 미생물 균주에 특이적일 수 있습니다.

기니피그에게 상업용 사우어크라우트를 급여하여 괴혈병 예방을 연구한 초기 연구에서, 두 가지 사우어크라우트는 괴혈병을 예방했지만 다른 두 가지는 그렇지 않았습니다. 사우어크라우트 제조 조건 간 차이는 확인되지 않았지만, 관찰된 차이에 관여할 수 있는 미생물 군집은 잠재적 차이를 조사하지 않았습니다.54

최근 연구들은 발효 식품이

미발효 원료에 비해

비타민 C, B2, B12, K 및 엽산과 같은 비타민과 영양소의 증가를 지지합니다.55,56,57,58,59,60,83

또한,

차 잎에서 폴리페놀과 플라보노이드와 같은 암호화된 생물활성 성분이

콤부차 생산 과정에서 방출되면서

음료의 항산화 성분이 증가합니다.61

발효를 통해 영양소 생체 이용률이 향상된 경우

숙주에게 이점이 있다는 일부 설치류 연구 결과가 있습니다.62,63;

그러나 화학적 복잡성과 전구체(예: 글루코스)의 고갈은 많은 혼란 요인을 제공합니다.

관련 변수

(1) 발효 식품 간 영양소의 다양성과 변동성;

(2) 균주 특이적 수준에서의 발효 식품 미생물군집;

(3) 호스트와 미생물군집 유전학 등 영양소 흡수 영향을 미치는 요인을 규명하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

Flavor and taste

Fermentation is often practiced for its culinary use, where transformation of taste, smell, texture, and other sensory stimuli of the food during this metabolic process acts in synthesis to change the perceived flavor of the food. Spoilage is often associated with “off-flavors,” while novel flavors not typically associated with the starting ingredient are often a desired result of the fermentation process. For example, carbohydrate fermentation can result in the production of thiazoles and furfural, associated with nutty and almond-like flavors84,85 via sugar degradation and Maillard reaction pathways. Promotion of the Ehrlich pathway, an amino acid catabolic process, during fermentation can also lead to an increase in sulfur-containing, aromatic, and branched-chain volatiles like 2-phenylethanol, associated with a rose-like odor.30,86 Other metabolites like organic acids, flavonoids, and polyphenols can also contribute to the change in flavor of the final ferment.22,65 In addition, filamentous fungi can secrete hydrolases during fermentation,87 increasing simple amino acids and oligosaccharides and thus promoting umami and sweet taste sensation.

As expression‎ of sweet, bitter, and umami sensors is not limited to the oral cavity but expressed across the human GI tract,88 metabolites typically associated with flavor may play a role beyond the host gustatory system, particularly when coupled with nutrient absorption. Sensing of sweetness by T1R2/T1R3, a G protein-coupled receptor (GPCR) heterodimer expressed in enteroendocrine cells (EECs) in the human gut, can promote secretion of the incretin hormones glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), as well as glucagon-like peptide-2 (GLP-2).89,90,91 Activation of T1R2/T1R3 is not limited to sucrose but includes a variety of sweet-tasting stimuli including fructose and lactose, sweet amino acids such as glycine and d-tryptophan, sweet proteins such as monellin and thaumatin, and synthetic sweeteners such as aspartame and sucralose. Whether these ligands promote the same downstream T1R2/T1R3-mediated effects remains to be explored.92 Similarly, the GPCR T1R1/T1R3 mediates umami taste perception in the gut. The heterodimer is activated by L-amino acids such as monosodium glutamate (MSG; sodium L-glutamate) or L-cysteine and potentiated by inosine 5′-monophosphate (IMP) and other nucleotides. Activation of T1R1/T1R3 by MSG initiates peristaltic reflexes in rodent models, along with secretion of the pain-mediating neurotransmitter CGRP (calcitonin gene-related peptide) in the colon.93 CGRP receptor antagonists and anti-CGRP ligand monoclonal antibodies have more recently been approved for treatment and prevention of migraines.94

향미와 맛

발효는 주로 요리적 용도로 수행되며,

이 대사 과정 중 식품의 맛, 냄새, 텍스처 및 기타 감각 자극의 변환이

종합적으로 작용하여 식품의 지각되는 향미를 변화시킵니다.

부패는 종종 “이상한 맛”과 연관되며,

원료와 일반적으로 연관되지 않은 새로운 맛은 발효 과정의 원하는 결과로 자주 나타납니다.

예를 들어,

탄수화물 발효는 설탕 분해 및 마이아르드 반응 경로를 통해

티아졸과 푸르푸랄과 같은 너트와 아몬드 같은 맛과 연관된 화합물을 생성할 수 있습니다.

발효 과정에서

에르리히 경로(아미노산 분해 과정)를 촉진하면

황 함유, 향기로운, 분지 사슬 구조의 휘발성 물질인 2-페닐에탄올과 같은 물질이 증가할 수 있으며,

이는 장미 향과 유사한 냄새와 연관됩니다.30,86

유기산, 플라보노이드, 폴리페놀과 같은 다른 대사산물도

최종 발효물의 맛 변화에 기여할 수 있습니다.22,65

또한, 필라멘트 곰팡이는

발효 과정에서 히드롤라제를 분비하여

단순 아미노산과 올리고사카라이드를 증가시켜 감칠맛과 단맛 감각을 촉진합니다.

단맛, 쓴맛, 감칠맛 센서의 발현은

구강 내부에 한정되지 않고 인간 소화관 전체에서 표현되므로,88

향미와 연관된 대사산물은 호스트의 미각 시스템 beyond에서 역할을 할 수 있으며,

특히 영양소 흡수와의 결합 시 더욱 그렇습니다.

인간 장내 엔테로엔도크린 세포(EECs)에 발현되는

G 단백질 결합 수용체(GPCR) 이량체 T1R2/T1R3에 의한 단맛 감지는

인크레틴 호르몬인 글루카곤 유사 펩티드-1(GLP-1)과 글루코스 의존성 인슐린 분비 펩티드(GIP),

그리고 글루카곤 유사 펩티드-2 (GLP-2)의 분비를 촉진합니다.89,90,91

T1R2/T1R3의 활성화는 설탕에 한정되지 않고,

과당과 락토스, 글리신과 D-트립토판과 같은 단맛을 가진 아미노산,

모넬린과 타우마틴과 같은 단맛을 가진 단백질, 아스파탐과 수크랄로스 같은 합성 감미료 등

다양한 단맛 자극에 의해 유발됩니다.

이러한 리간드가 동일한 하류 T1R2/T1R3 매개 효과를 촉진하는지 여부는 추가 연구가 필요합니다.92 마찬가지로, GPCR T1R1/T1R3는 장에서 우마미 맛 인식을 매개합니다. 이 이종 이량체는 L-아미노산(예: 모노소디움 글루타메이트(MSG; 나트륨 L-글루타메이트) 또는 L-시스테인)에 의해 활성화되며, 인오신 5′-모노포스페이트(IMP) 및 기타 뉴클레오티드에 의해 강화됩니다. MSG에 의한 T1R1/T1R3 활성화는 설치류 모델에서 장 운동 반사를 유발하며, 대장에서 통증 매개 신경전달물질인 CGRP(칼시토닌 유전자 관련 펩타이드) 분비를 동반합니다.93 CGRP 수용체 길항제와 anti-CGRP 리간드 단일클론 항체는 최근 편두통의 치료 및 예방을 위해 승인되었습니다.94

In humans, bitter taste perception is mediated by 25 putative members of the TAS2R (taste 2 receptor) GPCR family. Use of the bitterant caffeine has been shown to promote gastric acid secretion in the stomach through the TAS2R43 receptor,95 as well as lead to gut-derived serotonin secretion. Matured hop bitter acids (MHBAs), often added in the production of beer, have been shown to increase production of cholecystokinin (CCK) production by EECs,96 which plays a role in anorexigenic signaling and gastric emptying.97 Interestingly, olfactory receptors (ORs), a class of GPCRs typically found in the olfactory mucosa, have also been identified in the human gut. In purified form, the aromatic compound citronellal, also a volatile product of yeast geraniol fermentation in beer and wine production98,99,100 with an intense lemon scent, has been shown to stimulate GLP-1 secretion in both a human EEC line and mouse tissue across the small intestine.101 These examples illustrate the ability of molecules that trigger taste perception to impact host physiology. With growing interest in fermentation as a source of novel flavors,66 flavor-associated metabolites could impact important biological processes such as secretion of gut-derived peptides. Greater mechanistic insight into the roles metabolites produced during fermentation play both in perception of flavor and host biology is an exciting area for exploration, particularly focusing on how flavor-associated metabolites can modulate EECs (discussed later). In addition, inclusion of taste-preference and taste-perception surveys when conducting clinical fermented food research would aid in translatability and facilitate broader research into taste-associated compounds in food fermentation.

인간에서 쓴맛 인식은

TAS2R(taste 2 receptor) GPCR 가족의 25개 추정 구성원에 의해 매개됩니다.

쓴맛 물질인 카페인은

TAS2R43 수용체를 통해 위산 분비를 촉진하는 것으로 나타났으며,95 

장에서 분비되는 세로토닌 분비에도 기여합니다.

맥주 제조 과정에서 자주 추가되는 성숙한 홉 쓴맛 산(MHBAs)은

EECs에서 콜레시스토키닌(CCK) 생산을 증가시키는 것으로 나타났으며,96 

이는 식욕 억제 신호 전달과 위 배출에 역할을 합니다.97 흥미롭게도 후각 수용체(ORs)는

후각 점막에서 주로 발견되는 GPCR의 한 종류로, 인간 장에서도 발견되었습니다.

정제된 형태의 향기로운 화합물 시트론넬알은

맥주와 와인 생산 과정에서 효모의 제라니올 발효로 생성되는 휘발성 제품으로,

강렬한 레몬 향을 지니며,

인간 EEC 세포주와 소장 조직에서 GLP-1 분비를 자극하는 것으로 나타났습니다.101 

이러한 예시는

맛 지각을 유발하는 분자들이 호스트 생리학에 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

발효를 새로운 향료의 원천으로 보는 관심이 증가함에 따라,

 66개의 향료 관련 대사산물이 장 유래 펩타이드 분비와 같은 중요한 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있습니다.

발효 과정에서 생성되는 대사산물이

향료 인식과 호스트 생물학에 미치는 역할을 이해하는 것은 흥미로운 연구 분야이며,

특히 향료 관련 대사산물이 EECs(후술)를 조절하는 메커니즘에 초점을 맞추는 것이 중요합니다.

또한,

임상 발효 식품 연구 시 맛 선호도 및 맛 인식 조사를 포함하면

연구 결과의 적용 가능성을 높이고

식품 발효 과정에서 맛과 관련된 화합물에 대한 광범위한 연구를 촉진할 수 있습니다.

Food fermentation: Metabolite-host interactions

Consumption of a fermented food includes potential benefits beyond increased nutrient availability and food safety.58,64,45 In the gut, microbiome-derived metabolites such as short-chain fatty acids (SCFAs) and secondary bile acids signal to the host through a variety of receptors, including transcription factors and GPCRs, playing a role in host incretin secretion, energy expenditure, and immune response.102,103,104,105,106 Insight into metabolite production in fermented foods will allow us to map similar metabolite-GPCR interactions, allowing deeper understanding of the role fermented food-associated microbes play in the host.

식품 발효: 대사체-호스트 상호작용

발효 식품의 섭취는

영양소 가용성 증가와 식품 안전성 beyond을 넘어 잠재적 이점을 포함합니다.58,64,45 

장내에서 미생물군집에서 유래한 대사산물인

단쇄 지방산(SCFAs)과 2차 담즙산은

전사 인자 및 GPCR과 같은 다양한 수용체를 통해 호스트에게 신호를 전달하며,

호스트의 인크레틴 분비, 에너지 소비, 면역 반응에 역할을 합니다.102,103,104,105,106 

발효 식품에서의 대사산물 생산 메커니즘을 이해하면

유사한 대사산물-GPCR 상호작용을 지도화할 수 있으며,

이는 발효 식품 관련 미생물이 호스트에서 수행하는 역할을 더 깊이 이해하는 데 기여할 것입니다.

Metabolites and intestinal receptors

Gut microbiota-derived nicotinic acid,107 butyrate, and β-hydroxybutyrate produced in a ketoacidosis state108 can activate the hydroxycarboxylic acid receptor 2 (HCA2), expressed in a number of cell types, including the gut epithelium.109 Activation has been shown to have downstream anti-inflammatory effects,110,111 while chronic inflammation has been shown to downregulate HCA2 expression‎.112,113 HCA2 activation has also been shown to play a role in increasing bone density in weanling mice114 and suppresses NF-κB activation in colonic cell lines and in mouse colonic tissue.109 Additional metabolites, including hippuric acid (HA) and 3-(3-hydroxyphenyl) propionic acid (3-3−PPA), activate HCA2.107 HA and 3-3−PPA are both products of hydroxycinnamate reduction in L. plantarum,115 commonly found in vegetable fermentation. While GPCRs are expressed across multiple cell and tissue types, their expression‎ on immune and EECs makes them of particular interest in understanding metabolite-host interaction in metabolic and immune disorders.

대사산물과 장 수용체

장 미생물에서 유래한 니코틴산,107 케토산증 상태에서 생성되는 부티레이트 및 β-하이드록시부티레이트는

장 상피세포를 포함한 다양한 세포 유형에서 발현되는 하이드록시카르복실산 수용체 2(HCA2)를 활성화합니다.109

이 활성화는 하류에서

항염증 효과를 나타내며,110,111 반면 만성 염증은 HCA2 발현을 억제하는 것으로 나타났습니다.112,113

HCA2 활성화는 젖을 뗀 쥐의 골밀도 증가에 역할을 하는 것으로114 나타났으며,

대장 세포 계통 및 쥐 대장 조직에서 NF-κB 활성화를 억제합니다.109

히푸르산(HA)과 3-(3-하이드록시페닐) 프로피온산(3-3−PPA)과 같은 추가 대사산물은 HCA2를 활성화합니다.107

HA와 3-3−PPA는 L. plantarum에서 히드록시시나메이트 환원 반응의 산물로, 채소 발효에서 흔히 발견됩니다.

GPCR는 다양한 세포 및 조직 유형에서 발현되지만,

면역 세포와 EECs에서의 발현은 대사 및 면역 장애에서 대사체-호스트 상호작용을 이해하는 데 특히 중요합니다.

One of the indications of this fermented food metabolite-host relationship is the hydroxycarboxylic acid receptor 3 (HCA3). Described by Peters et al.,116 while most mammals express HCA1 and HCA2, only great apes (including humans) and siamang have an active HCA3, with humans exhibiting strongest activation. D-phenyllactic acid (D-PLA) is the only known HCA3 ligand117,118 and is produced by LAB. Measured in high concentrations in sauerkraut and up to 12.0–21.1 μg/mL in kimchi,119 it is elevated in the plasma following sauerkraut consumption.116 Lack of adequate animal models and currently no known HCA3 inhibitor has remained a challenge to the understanding of the biological relevance of HCA3.120 However, HCA3 expression‎ in human innate immune cells and adipose tissue lends to the hypothesis that HCA3 activation plays a role in host immuno-metabolism and energy storage.116 The extent to which consumption of other lactic acid-based ferments (including yogurt) can activate this receptor remains to be explored.28 Examining the effects of two primary fermented food metabolites, lactic and acetic acid, provides insight into how food fermentation can impact the host immune system. When produced by the host or gut microbiota, lactic acid activation of macrophage GPR81 reduces inflammatory responses in the colon.121,122 Oral administration of lactic acid increases microbiota-dependent regulatory T cells in the small intestine, promoting immune tolerance.123 Gut microbiota-derived acetate increases colonic IgA production and alters the capacity of the IgA pool to bind to specific members of the microbial community.124 Effects of dietary acetate have been primarily studied in disease models (Figure 1). The role of dietary acetate in healthy models remains an open area of investigation, with open questions similar to lactic acid. For both lactic and acetic acid, there is a need to (1) define the variability in organic acid production by microbial community and fermentation time point, (2) characterize the bioavailability of organic acids based on substrate type (sauerkraut compared to yogurt), and (3) gain further mechanistic insight into the downstream impact of organic acid consumption based on dosage and location of the metabolite-receptor interaction.

발효 식품 대사체-호스트 관계의 한 예는

히드록시카르복실산 수용체 3(HCA3)입니다.

Peters 등116에 따르면,

대부분의 포유류는 HCA1과 HCA2를 발현하지만,

큰 원숭이(인간을 포함)와 시아망만 활성 HCA3를 가지고 있으며,

인간에서 가장 강한 활성을 보입니다.

D-페닐락틱산(D-PLA)은

HCA3의 유일한 알려진 리간드117,118이며,

LAB에 의해 생성됩니다.

사우어크라우트에서 높은 농도로 측정되었으며 김치에서는 12.0–21.1 μg/mL까지 검출되었으며,119 사우어크라우트 섭취 후 혈장 농도가 증가합니다.116 적절한 동물 모델의 부족과 현재 알려진 HCA3 억제제의 부재는 HCA3의 생물학적 관련성을 이해하는 데 도전 과제로 남아 있습니다.120 그러나 인간 선천성 면역 세포와 지방 조직에서의 HCA3 발현은 HCA3 활성화가 호스트 면역 대사 및 에너지 저장 메커니즘에 역할을 할 수 있다는 가설을 제기합니다.116 다른 젖산 발효 식품(요구르트 포함)의 섭취가 이 수용체를 활성화하는 정도는 추가 연구가 필요합니다.28 

두 가지 주요 발효 식품 대사산물인 젖산과 아세트산의 효과를 조사하면

식품 발효가 호스트 면역 체계에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 됩니다.

호스트나 장 미생물에 의해 생성된 젖산은

대장에서 대식세포의 GPR81 수용체를 활성화하여 염증 반응을 감소시킵니다.121,122 

젖산의 경구 투여는

소장에서 미생물군집에 의존하는 조절 T 세포를 증가시켜 면역 관용을 촉진합니다.123 

장내 미생물군집에서 유래한 아세테이트는

대장 IgA 생산을 증가시키고

IgA 풀이 미생물군집의 특정 구성원과 결합하는 능력을 변화시킵니다.124 

식이 아세테이트의 효과는

주로 질병 모델에서 연구되었습니다(그림 1).

건강한 모델에서의 식이 아세테이트의 역할은 여전히 연구가 필요한 분야로, 젖산과 유사한 질문들이 남아 있습니다.

젖산과 아세트산 모두에 대해

(1) 미생물 군집과 발효 시간점에 따른 유기산 생산의 변동성을 정의하고,

(2) 기질 유형(사워크라우트와 요거트 비교)에 따른 유기산의 생체 이용률을 특성화하며,

(3) 대사체-수용체 상호작용의 용량과 위치에 따라 유기산 섭취의 하류 영향에 대한 추가적인 메커니즘적 통찰을 얻는 것이 필요합니다.

Figure 1 Fermented food microbes and metabolites can influence the immune system, endocrine system, and host gut microbiome

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Additional metabolites previously identified in fermented foods, including the host immune-modulating metabolite D-PLA, have been shown to reach μM plasma concentrations following ingestion of sauerkraut.116 A randomized human dietary intervention showed consumption of fermented foods leads to decreased markers of inflammation140 while promoting increased gut microbiome diversity when compared to a high-fiber-consuming cohort. In this study, specific serum metabolites, which may be derived from diet, microbiome, or host (or combinations thereof), correlated with specific aspects of the immune response. Expanded understanding of fermented food metabolites, their absorption, and interaction with human biology is the next step in characterizing ferment-immune interplay (Figure 2).

발효 식품에서 이전에 식별된 추가 대사산물에는

호스트 면역 조절 대사산물 D-PLA가 포함되며,

사우어크라우트 섭취 후 혈장 농도에서 μM 수준에 도달하는 것으로 확인되었습니다.116

무작위 인간 식이 개입 연구에서

발효 식품 섭취는

고섬유질 섭취 그룹과 비교할 때

염증 지표 감소140 및 장 미생물군 다양성 증가를 촉진하는 것으로 나타났습니다.

이 연구에서 식이, 미생물군집, 또는 호스트(또는 이들의 조합)에서 유래할 수 있는

특정 혈청 대사산물이 면역 반응의 특정 측면과 상관관계를 보였습니다.

발효 식품 대사산물의 흡수 및 인간 생물학과의 상호작용에 대한 이해를 확장하는 것은

발효-면역 상호작용을 특성화하는 다음 단계입니다(그림 2).

Figure 2 Metabolic paradigms of fermented food-derived metabolites

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EECs are hormone-producing cells accounting for about 1% of the gut epithelium. Acting at the interface between luminal content and host signaling, EECs produce more than 20 hormones in response to nutrient absorption. These hormones can signal systemically to the pancreas as well as the brain via vagal afferent neurons.175 While EECs can be stimulated directly by nutrients consumed, colonic EECs are also activated by bacterial SCFAs, notably butyrate and propionate, resulting from fiber fermentation. EEC-type distribution changes across the GI tract, with hormones like ghrelin and GIP primarily found in the upper small intestine and GLP-1 and peptide YY (PYY) primarily found in the colon,16 resulting in region-specific effects.129,176,177,178 Specific changes in gut colonization status, such as the absence of a microbiota (germ-free mice) or administration of a probiotic (Limosilactobacillus reuteri), have shown to increase GLP-1 levels, highlighting a role for microbial signaling in incretin regulations (reviewed in Arora et al.178). Recently, Akkermansia muciniphila has been shown to secrete a GLP-1-inducing metabolite, resulting in a reduction of a high-fat-diet-induced metabolic defects in mice.179 In conventional mice, PYY-positive EEC numbers increase in the colon in the presence of SCFAs via an FFA2-dependent pathway, reflected by an increase in circulating PYY, an enteroendocrine anorectic hormone.180 In humans, a study in individuals with diabetes consuming fermentable fibers for 84 days, with hemoglobin A1c (HbA1c) as primary endpoint, showed that those in the fiber arm resulted in significant reduction of HbA1c and fasting blood glucose at the end of the study. The authors found this was due to an increase in butyrate-producing bacteria and measured increases in butyrate levels resulting in significantly increased blood levels of GLP-1 and PYY over time.181 Another human study found that direct delivery of the SCFA propionate bound to inulin successfully delivered the propionate to the colon, resulting in significantly increased PYY and GLP-1 240 min after consumption of the oral propionate. Six months of daily supplementation resulted in attenuated weight gain and reduced intrahepatic lipids.182 Just as metabolites produced by the gut microbiota can influence host biology, metabolites produced during food fermentation can have similar interactions. The diversity of metabolites, many of which are likely to be distinct from those produced by gut-resident microbes, and interactions with microbes and host receptors in the small intestine likely produce an array of biological effects remain to be defined.

Ghrelin-secreting EECs also express GPR81, where lactate binding inhibits secretion of this “hunger hormone.”146 Unlike GLP-1-producing cells, which are primarily located in the colon, ghrelin-producing cells are primarily located in the stomach and duodenum, where they are more likely to interact with fermented food-derived lactic acid, with downstream effects on hunger signaling and metabolism. Additionally, mapping fermented food metabolites to GPCR receptors, particularly the number of orphan GPCRs,183 would allow for potential identification of novel GPCR-ligand pairings, expanding the development of a mechanistic framework of microbe-host interactions2 and allowing for a targeted exploration of downstream effects.

EECs는 장 상피의 약 1%를 차지하는 호르몬 생성 세포입니다.

관강 내용물과 숙주 신호 전달의 경계에서 작용하는 EEC는

영양소 흡수에 반응하여 20가지 이상의 호르몬을 생성합니다.

이러한 호르몬은

미주 구심성 뉴런을 통해 췌장뿐만 아니라

뇌에도 전신 신호를 보낼 수 있습니다.175

EEC는 섭취한 영양소에 의해 직접 자극을 받을 수 있지만,

결장 EEC는 섬유질 발효로 생성된 박테리아 SCFA,

특히 부티레이트와 프로피오네이트에 의해 활성화되기도 합니다.

EEC의 분포는

소화관 전체에 걸쳐 변화하며,

그렐린과 GIP와 같은 호르몬은 주로 상부 소장에서, GLP-1과 펩타이드 YY(PYY)는

주로 대장에서 주로 발견됩니다.16

이는 지역 특이적 효과를 유발합니다.129,176,177,178

장 내 미생물 군집 상태의 특정 변화,

예를 들어 미생물 군집의 부재(무균 마우스) 또는 프로바이오틱스(Limosilactobacillus reuteri) 투여는

GLP-1 수치를 증가시키는 것으로 나타났으며,

이는 미생물 신호전달이 인크레틴 조절에 역할을 한다는 것을 강조합니다(Arora 등, 178에서 검토됨).

최근 Akkermansia muciniphila는

GLP-1을 유도하는 대사물을 분비하여

고지방 식이로 인한 대사 장애를 감소시키는 것으로 나타났습니다.179

일반 마우스에서 SCFAs의 존재 하에서 FFA2 의존적 경로를 통해 대장에서 PYY 양성 EEC 수가 증가하며,

이는 순환하는 PYY 증가로 반영됩니다.

장내 내분비 식욕 억제 호르몬입니다.180

인간에서 당뇨병 환자를 대상으로 발효 가능한 식이섬유를 84일간 섭취한 연구에서,

주요 평가 지표로 헤모글로빈 A1c(HbA1c)를 사용한 결과,

식이섬유 그룹에서 연구 종료 시 HbA1c와 공복 혈당 수치가 유의미하게 감소했습니다.

연구진은 이는 부티레이트 생성 세균의 증가와 부티레이트 수치 증가로 인해

시간 경과에 따라 혈중 GLP-1 및 PYY 수치가 유의미하게 증가했기 때문이라고 설명했습니다.181

다른 인간 연구에서는

인슐린에 결합된 SCFA 프로피오네이트를 직접 투여했을 때

프로피오네이트가 대장에 성공적으로 전달되어 경구 투여 후

240분 후에 PYY 및 GLP-1 수치가 유의미하게 증가했습니다.

6개월간의 매일 보충은 체중 증가가 완화되고

간 내 지방이 감소했습니다.182

장 미생물이 생성하는 대사산물이 호스트 생물학에 영향을 미칠 수 있듯이,

식품 발효 과정에서 생성되는 대사산물도 유사한 상호작용을 가질 수 있습니다.

장 내 미생물이 생성하는 것과 달리 많은 부분이

서로 다른 대사산물의 다양성과 소장에서 미생물 및 호스트 수용체와의 상호작용은

다양한 생물학적 효과를 유발할 가능성이 있으며,

이는 아직 명확히 정의되지 않았습니다.

그렐린 분비 EECs는

GPR81을 발현하며,

젖산 결합은 이 '배고픔 호르몬'의 분비를 억제합니다.146

GLP-1을 생성하는 세포는 주로 대장에 위치하지만,

그렐린을 생성하는 세포는 주로 위와 십이지장에 위치하며,

발효 식품에서 유래한 젖산과 상호작용할 가능성이 높아

배고픔 신호 전달과 대사 과정에 영향을 미칩니다.

또한 발효 식품 대사물을 GPCR 수용체,

특히 고아 GPCR의 수와 매핑하는 것은 새로운 GPCR-리간드 쌍을 식별하는 데 기여할 수 있으며,

미생물-호스트 상호작용의 메커니즘적 프레임워크 개발을 확장하고 하류 효과를 표적화하여 탐구하는 데 기여할 수 있습니다.

Fermented foods in human disease

The rise in health claims about fermented foods is not matched by an increase in clinical evidence. The few current studies are primarily focused on assessing the impact of fermented food on healthy individuals,23,140 with few studies looking at the role of fermented foods in patients with health conditions. Early data from irritable bowel syndrome (IBS)184,185 and metabolic diseases186,187,188,189 (including T2DM and obesity) offer examples of how fermented foods can improve human health through altering nutrient accessibility and impacting the human microbiome. These positive outcomes highlight the need for a greater understanding of the fermented food metabolome landscape to pursue molecular mechanistic mediators.

Meta-analyses of observational studies support a role of fermented dairy intake for the decreased risk of T2DM and cardiovascular disease.186,187,188,189 However, human clinical trials looking at the risk and prevention of these diseases in the context of fermented food consumption are lacking, with the strongest current evidence coming from animal models.190 A recent study on yogurt consumption in obese mouse models identified branched-chain hydroxy acids (BCHAs) produced during LAB-driven yogurt fermentation can supplement host BCHAs and improve metabolic parameters, including improved glucose tolerance and resistance to high-fat, high-sucrose diet-induced obesity. The effects appear to be driven by production of three hyodeoxycholic acids, alpha-hydroxyisocaproate, 2-hydroxy-3-methylvalerate, and alpha-hydroxyisovalerate, produced by the gut microbiome.191

Kimchi consumption has also been studied for its impact on health, but few clinical trials have looked at the impact of consumption on metabolic disease. A small crossover clinical trial in obese patients reported significant decreases in body fat and improved metabolic markers.192 A follow-up crossover clinical trial followed prediabetic participants over the course of a 16-week period, reporting a decrease in insulin resistance and increased insulin sensitivity during the period of 10-day fermented kimchi consumption compared to 1-day fermented (defined as “fresh”) kimchi.193 Insight into how fermentation-derived metabolites impact secretion of incretin hormones like GLP-1 is an important step in understanding the mechanistic implications of fermented food consumption. Incorporating measurements of the foods’ differences in chemical composition, patient incretin hormones, insulin, and blood glucose in future clinical trials would greatly aid the understanding and translatability of laboratory work on fermented food metabolite-induced responses. There remains a clear need for randomized human clinical trials and mechanistic interrogation into how the fermented food microbiome and its metabolites interact with the host, including the resident microbial landscape.

While exploring fermented foods for health benefits remains an exciting frontier, there are examples where metabolites produced during fermentation can lead to negative health consequences in sensitive health populations. Biogenic amines are amino acid derivatives produced during fermentation that can include tyramine, histamine, cadaverine, and putrescine, with tyramine and histamine being of particular interest. Even small amounts of dietary tyramine (8–10 mg) can lead to hypertensive episodes in the presence of the antidepressant class monoamine oxidase inhibitors,194 with occasional fatalities reported.195 Dietary tyramine is increased in ferments like fish sauce, sauerkraut, and aged cheeses, but abundance can vary widely depending on food and fermentation time196; thus, patient dietary recommendations need to consider sensitivity, food type, serving size, and drug interactions. While tyramine production is enhanced by increased sodium content in the ferment, a variety of approaches have been applied to limit tyramine production during fermentation. For example, successful tyramine reduction was achieved with the addition of tyramine- or tyrosine-oxidizing LAB in a micro-cheese model.197 Similarly, certain LAB associated with food fermentation have been described as histamine producers, including Lentilactobacillus parabuchneri, Lentilactobacillus buchneri, and Oenococcus oeni,198,199,200,201 primarily with proteinaceous substrates like in dairy and meat ferments. While recommendations for a low-histamine diet show high efficacy for histamine hypersensitivity, fermented foods show a wide range of histamine abundance, with length of fermentation time, storage, and cooking method all influencing histamine abundance at ingestion.202 Mechanistic understanding of histamine production, characterization of extrinsic factors impacting production, and rapid biogenic amine detection methods are all necessary both from a clinical and a consumer perspective. It is likely that extending such detection methods to other biomolecules will aid in quality control and inform health claims, particularly as potential benefits of fermented foods on other physiological aspects are explored further.

Previous studies have shown associations of fermented food or pickled vegetable (terms used interchangeably in the studies; see “What are fermented foods section”) intake and esophageal and stomach cancer.203,204,205,206

These concerns are related to retrospective studies where the quality and contamination of the fermented foods was not tested, and many confounders exist. For example, one widely cited study published in 1980 focused on the preval‎ence of esophageal cancer in Northern Chinese populations,203 with data from 1959 to 1970. The study found a positive correlation between “pickled vegetable” consumption (likely fermented based on literature description) and esophageal cancer risk, but due to long fermentation storage period, the authors note that much of the food became covered with a white mold. This association was also seen in regions with higher consumption of laozao, a fermented sweet grain dish. However, samples were found to have high fungal contamination, including Aspergillus flavus, associated with increased production of carcinogenic compounds.207,208,209,210,211 In addition, enzymatic activity of other molds in the sample is hypothesized to allow for synthesis of N-nitroso compounds, associated with higher cancer risk.212,213 With the exception of dairy fermented products that are primarily produced using well-defined cultures, vegetable ferments and kombuchas are largely driven by spontaneous fermentation or uncharacterized microbial communities, respectively. However, fermented food found at grocery stores is required to meet hazard analysis critical control point (HACCP) compliance and go through rigorous safety testing before being commercially available, significantly decreasing the risk of contamination by toxin-producing microbes. Conversely, several studies have shown fermented food intake is associated with no increased risk or a decreased risk from certain cancers and diabetes.186,188,189,214,215,216,217,218 Future prospective studies with better characterization and documentation of types of fermented foods consumed are required to understand if such concerns are valid.

발효 식품과 인간 질환

발효 식품에 대한 건강 주장의 증가와 달리

임상적 증거는 증가하지 않았습니다.

현재의 연구는

주로 건강한 개인에 대한 발효 식품의 영향을 평가하는 데 초점을 맞추고 있으며,23,140

건강 상태를 가진 환자에게서 발효 식품의 역할을 조사한 연구는 거의 없습니다.

과민성 장 증후군(IBS)184,185 및 대사 질환186,187,188,189

(제2형 당뇨병(T2DM) 및 비만 포함)에 대한 초기 데이터는

발효 식품이 영양소 접근성을 변화시키고

인간 미생물군집에 영향을 미쳐 인간 건강을 개선할 수 있음을 보여줍니다.

이러한 긍정적인 결과는

발효 식품 대사체 지형도를 이해하는 것이

분자적 메커니즘 매개체를 탐구하기 위해 필요함을 강조합니다.

관찰 연구의 메타분석은

발효 유제품 섭취가 제2형 당뇨병 및 심혈관 질환의 위험 감소와 연관되어 있음을 지원합니다.186,187,188,189

그러나 발효 식품 섭취 맥락에서 이러한 질환의 위험 및 예방을 대상으로 한 인간 임상 시험은 부족하며, 현재 가장 강력한 증거는 동물 모델에서 비롯됩니다.190 비만 마우스 모델에서 요거트 섭취를 조사한 최근 연구는 LAB에 의해 유도된 요거트 발효 과정에서 생성되는 분지쇄 히드록시산(BCHAs)이 호스트의 BCHAs를 보충하고 대사 매개변수를 개선하며, 고지방·고당분 식이로 유발된 비만에 대한 저항성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이 효과는 장 미생물군에 의해 생성되는 세 가지 히데옥시콜산(alpha-hydroxyisocaproate, 2-hydroxy-3-methylvalerate, alpha-hydroxyisovalerate)의 생산에 의해驱动되는 것으로 보입니다.191

김치 섭취의 건강 영향도 연구되었지만,

대사 질환에 대한 섭취 영향에 초점을 맞춘 임상 시험은 거의 없습니다.

비만 환자를 대상으로 한 소규모 교차 임상 시험에서

체지방 감소와 대사 지표 개선이 유의미하게 보고되었습니다.192

후속 교차 임상 시험에서는 전당뇨 환자를 16주간 추적 관찰한 결과,

10일 동안 발효 김치를 섭취한 기간 동안 인슐린 저항성이 감소하고 인슐린 감수성이 증가했으며,

이는 1일 동안 발효된(“신선한”으로 정의된) 김치를 섭취한 경우와 비교되었습니다.193

발효에서 유래한 대사산물이

GLP-1과 같은 인크레틴 호르몬 분비에 미치는 영향에 대한 이해는

발효 식품 섭취의 메커니즘적 의미를 이해하는 데 중요한 단계입니다.

향후 임상 시험에서 식품의 화학적 구성 차이,

환자 인크레틴 호르몬, 인슐린, 혈당 수치를 측정하는 것을 포함하면

발효 식품 대사산물이 유발하는 반응에 대한 실험실 연구의 이해와 적용 가능성을 크게 높일 수 있을 것입니다.

발효 식품 미생물군집과 그 대사산물이

호스트와 상호작용하는 메커니즘을 탐구하는 무작위 인간 임상 시험과 메커니즘 분석이 여전히 명확히 필요합니다.

발효 식품의 건강 혜택을 탐구하는 것은 흥미로운 분야이지만,

발효 과정에서 생성되는 대사물이

민감한 건강 인구에서 부정적인 건강 결과를 초래할 수 있는 사례도 존재합니다.

생물학적 아민은

발효 과정에서 생성되는 아미노산 유도체로,

티라민, 히스타민, 카다베린, 푸트레신 등이 포함되며,

특히 티라민과 히스타민이 주목받고 있습니다.

식이 티라민(8–10 mg)의 작은 양이라도

항우울제 계열인 모노아민 산화효소 억제제와 함께 섭취 시

고혈압 발작을 유발할 수 있으며,194

드물게 사망 사례가 보고되었습니다.195

식이 티라민은

어장, 사워크라우트, 숙성 치즈와 같은 발효 식품에 증가하지만,

식품과 발효 시간에 따라 풍부도가 크게 달라질 수 있습니다.196

따라서

환자의 식이 권장 사항은

민감도, 식품 유형, 섭취량, 약물 상호작용을 고려해야 합니다.

발효 과정에서 티라민 생성은

나트륨 함량이 증가할수록 촉진되지만,

발효 과정에서 티라민 생성을 제한하기 위해 다양한 방법이 적용되었습니다.

예를 들어,

미세 치즈 모델에서 티라민 또는 티로신 산화 LAB을 추가하여

티라민 감소를 성공적으로 달성했습니다.197

마찬가지로,

식품 발효와 관련된 특정 LAB은

히스타민 생성균으로 보고되었으며,

이는 Lentilactobacillus parabuchneri, Lentilactobacillus buchneri, 및 Oenococcus oeni,198,199,200,201

주로 유제품 및 육류 발효와 같은 단백질 함유 기질에서 주로 보고되었습니다.

히스타민 저감 식단이 히스타민 과민증에 높은 효과를 보이는 반면,

발효 식품은 히스타민 함량에 큰 변동성을 보이며,

발효 시간, 보관 조건, 조리 방법 등이 섭취 시 히스타민 함량에 영향을 미칩니다.202

히스타민 생성 메커니즘의 이해,

생성 영향을 미치는 외부 요인의 특성화,

생물학적 아민 신속 검출 방법은 임상적 및 소비자 관점에서 모두 필수적입니다.

이러한 검출 방법을 다른 생물분자로 확장하는 것은

품질 관리와 건강 주장 수립에 도움을 줄 것으로 예상되며,

특히 발효 식품의 다른 생리적 측면에 대한 잠재적 혜택이 더욱 탐구될 경우 더욱 중요해질 것입니다.

이전 연구들은

발효 식품 또는 절임 채소(연구에서 상호 교환적으로 사용된 용어; “발효 식품이란 무엇인가” 섹션 참조) 섭취와

식도 및 위암 사이의 연관성을 보여주었습니다.203,204,205,206

이러한 우려는 발효 식품의 품질과 오염이 검사되지 않았고

많은 혼란 변수가 존재하는 회고적 연구와 관련이 있습니다.

예를 들어,

1980년에 발표된 널리 인용된 연구는 1959년부터 1970년까지의 데이터를 기반으로

중국 북부 인구에서의 식도암 유병률을 조사했습니다.203

이 연구는 “절임 채소”(문헌 설명에 따르면 발효된 것으로 추정됨) 섭취와

식도암 위험 사이의 양의 상관관계를 발견했지만,

장기간 발효 및 보관 과정에서 식품의 대부분이

흰 곰팡이로 덮였다고 저자들은 지적했습니다.

이 연관성은 발효된 달콤한 곡물 요리인

“라오자오” 섭취가 높은 지역에서도 관찰되었습니다.

그러나

샘플에서 Aspergillus flavus를 포함한 높은 곰팡이 오염이 발견되었으며,

이는 발암성 화합물 생산 증가와 연관되어 있습니다.207,208,209,210,211

또한 샘플 내 다른 곰팡이의 효소 활성이

N-니트로소 화합물 합성을 가능하게 하여 암 위험 증가와 연관될 수 있다는

가설이 제기되었습니다.212,213

유제품 발효 제품은 주로 잘 정의된 균주로 생산되지만,

채소 발효 식품과 콤부차는 각각 자연 발효나 특성이 알려지지 않은

미생물 군집에 의해 주로 생성됩니다.

그러나

슈퍼마켓에서 판매되는 발효 식품은

위험 분석 중요 관리 점(HACCP) 준수 요건을 충족하고

엄격한 안전 검사를 거쳐야 상업적으로 유통될 수 있어

독소 생성 미생물에 의한 오염 위험이 크게 감소합니다.

반면,

여러 연구에서 발효 식품 섭취가

특정 암과 당뇨병의 위험 증가와 관련이 없거나

오히려 위험을 감소시킨다는 결과가 나왔습니다.186,188,189,214,215,216,217,218

발효 식품의 유형을 더 잘 특성화하고 기록한 미래의 전향적 연구가 필요하며,

이러한 우려가 타당한지 이해하기 위해 추가 연구가 필요합니다.

Food fermentation: Microbe-microbe interactions

Composition of an individual’s gut microbiome is influenced by host genetics and lifestyle, including diet, medical practices, and environment. Studies comparing gut microbial composition across different lifestyles note decreasing gut microbiome diversity in industrialized populations, believed to be driven by factors associated with an industrialized lifestyle including antibiotic overuse, high-fat and high-sugar diet, and decreases in breastfeeding.219 Not only does immigration to an industrialized environment from a non-industrialized environment lead to a decrease in microbial diversity,220 but this decrease in microbial diversity compounds over time and over the course of generations.219,220,221,222 Within industrialized populations, more diverse gut microbiomes are a conserved metric associated with resistance to Western-associated diseases, such as T2DM, heart disease, and colorectal cancer.223,224,225 Understanding how diet can increase an individual’s microbiome diversity is an active topic of research in the gut microbiome field. Fermented food consumption appears to be a promising tool in gut microbiome reconstruction.

식품 발효: 미생물 간 상호작용

개인의 장 미생물군집 구성은

호스트 유전적 요인과 생활 방식(식습관, 의료 관행, 환경 등)에 의해 영향을 받습니다.

다양한 생활 방식 간 장내 미생물 구성 비교 연구는

산업화 인구에서 장내 미생물 다양성 감소 현상을 관찰했으며,

이는 항생제 과다 사용, 고지방·고당분 식단, 모유 수유 감소 등

산업화 생활 방식과 관련된 요인에 의해 유발된 것으로 추정됩니다.219

산업화되지 않은 환경에서 산업화 환경으로의 이주는

미생물 다양성 감소로 이어지며,220

이 감소는 시간과 세대를 거쳐 누적됩니다.219,220,221,222

산업화된 인구에서 더 다양한 장내 미생물군은 제2형 당뇨병(T2DM), 심장 질환, 대장암 등 서구형 질환에 대한 저항성과 연관된 보존된 지표입니다.223,224,225

식단이 개인의 미생물군 다양성을 증가시키는 메커니즘은

장내 미생물군 연구 분야에서 활발히 연구 중인 주제입니다.

발효 식품 섭취는

장 미생물군집 재건에 유망한 도구로 나타났습니다.

Fermented foods and the human gut microbiome

Dietary nutrients and host-derived metabolites, including lactate and 3-hydroxybutyric acid, can impact the human gut microbiome, shifting microbial composition with downstream implications for host health from metabolic disease to immune status.13,19,177 Similarly, fermented food consumption appears to have important effects on the gut microbiome. The American Gut Project, a citizen science project, reported subtle but significant shifts in the beta-diversity and taxa of fermented food consumers compared to non-consumers across 6,811 participants. Of interest, fermented food consumers had an increase in conjugated linoleic acid (CLA) producers and fecal CLA,226 fatty acid metabolites that activate the nuclear receptor PPAR-γ227,228 to exert beneficial health effects on a number of conditions including IBD and T2DM.

A randomized clinical trial comparing high fermented food consumption to high fiber consumption showed fermented food consumption increased gut microbiome diversity compared to baseline, with alterations in the gut microbiome composition that were durable beyond the trial period.140 Nine amplicon sequence variants (ASVs) in the Firmicutes phylum increased across high fermented food compared to high fiber, including four members of the Lachnospiraceae family, two Ruminococcaceae, and one Streptococcaceae. This increase in gut microbiome diversity was not observed in the fiber-consuming groups. This trend in increased microbiome diversity has been further supported by a more recent randomized control trial comparing gut microbial composition following 6 weeks of fermented vegetables, pickled vegetables, or no vegetables.229 Not only was there an increase in gut microbiota diversity from baseline to completion of the study in the fermented vegetable group, but microbiota diversity did not change in the pickled vegetable or non-vegetable consumer group. Remaining questions include whether this increased diversity is mediated via host immune effects, live microbes in the fermented foods, metabolites alone, or other macromolecules and how durable the response is after cessation of fermented food consumption.

Interestingly, the majority of microbes responsible for the increase in diversity were not from the ferments and were likely either acquired from the environment or present in the hosts before the intervention but below detection limits. Whether fermented foods may act as a source of microbes to increase diversity or lead to compositional shifts that promote incorporation of transient microbes remains to be understood. Very few studies have assessed human microbiota composition before, during, and after fermented food consumption.140,229 A study comparing mother-infant strain sharing in a rural Ethiopian cohort identified two microbes from injera (Fructilactobacillus sanfranciscensis and Lactiplantibacillus xiangfangensis), a locally produced teff flour ferment, as contributors to diversity in maternal-infant cohorts.230 However, due to the popularity of injera consumption, whether these microbes were transient or had become incorporated into the gut microbiome could not be determined.

발효 식품과 인간 장내 미생물군집

식이 영양소와 호스트 유래 대사산물(젖산과 3-하이드록시부티르산 등)은

인간 장내 미생물군집에 영향을 미쳐 미생물 구성 변화를 유발하며,

이는 대사 질환에서 면역 상태에 이르는 호스트 건강에 하류 영향을 미칩니다.13,19,177

마찬가지로,

발효 식품 섭취는

장내 미생물군집에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

시민 과학 프로젝트인 '아메리칸 가트 프로젝트'는 6,811명의 참가자를 대상으로 발효 식품 섭취자와 비섭취자 간 베타 다양성과 세균군 구성에 미묘하지만 유의미한 차이가 있음을 보고했습니다. 특히, 발효 식품 섭취자는 핵 수용체 PPAR-γ를 활성화하는 지방산 대사산물인 공액 리놀레산(CLA) 생산균과 분변 CLA226의 증가를 보였으며, 이는 IBD와 T2DM을 포함한 다양한 질환에 유익한 건강 효과를 발휘합니다.

발효 식품 섭취와 고섬유질 섭취를 비교한 무작위 임상 시험에서 발효 식품 섭취는

기저치 대비 장 미생물군 다양성이 증가했으며,

장 미생물군 구성의 변화는 시험 기간 이후에도 지속되었습니다.140

Firmicutes 문에 속하는 9개의 증폭자 서열 변이체(ASVs)가

고섬유질 대비 고발효 식품에서 증가했으며,

이 중 Lachnospiraceae 과에 속하는 4종, Ruminococcaceae 속의 2종, Streptococcaceae 속의 1종이

포함되었습니다.

이 장내 미생물군집 다양성의 증가는 식이섬유 섭취 그룹에서는 관찰되지 않았습니다. 이 미생물군 다양성 증가 추세는 최근 무작위 대조 시험에서 발효 채소, 절임 채소, 또는 채소 미섭취 그룹의 장 미생물 구성 변화를 6주간 비교한 연구에서도 추가로 확인되었습니다.229 발효 채소 그룹에서는 기저치 대비 연구 종료 시 장 미생물 다양성이 증가했으며, 절임 채소 또는 채소 미섭취 그룹에서는 미생물 다양성이 변화하지 않았습니다. 남은 질문에는 이 다양성 증가가 호스트 면역 효과, 발효 식품 내 살아있는 미생물, 대사산물 alone, 또는 다른 대분자 물질에 의해 매개되는지, 그리고 발효 식품 섭취 중단 후 반응의 지속성이 포함됩니다.

흥미롭게도 다양성 증가에 기여한 미생물의 대부분은 발효 과정에서 유래하지 않았으며, 환경에서 획득되었거나 개입 전 호스트에 존재했지만 검출 한계 이하였던 것으로 추정됩니다. 발효 식품이 미생물의 원천으로 다양성을 증가시키거나 일시적 미생물의 통합을 촉진하는 구성 변화로 이어지는지 여부는 아직 명확하지 않습니다. 발효 식품 섭취 전후의 인간 미생물군 구성 변화를 평가한 연구는 매우 적습니다.140,229 에티오피아 농촌 지역 모자 코호트에서 모자 간 균주 공유를 비교한 연구는 현지에서 생산된 테프 가루 발효 제품인 injera (Fructilactobacillus sanfranciscensis와 Lactiplantibacillus xiangfangensis)를 모자 코호트의 다양성에 기여하는 미생물로 확인했습니다.230 그러나 인제라 섭취의 보편성으로 인해 이러한 미생물이 일시적인지 아니면 장 미생물군집에 통합되었는지 판단할 수 없었습니다.

Comparison of LAB genomes from fermented foods to the human microbiome reveals distinct sequences, supporting the idea that fermented foods are a transient source of LAB for the gut microbiome. Differences in LAB species identified across Western and non-Western gut microbiome populations appear to reflect lifestyle.231 Understanding which LABs are transient or engrafted stable members of the gut community should be aided by more investigation and improved genomic resolution. Early work on engraftment into the gut microbial community shows successful incorporation of microbes is largely dependent on method of administration, diet, absence of similar strains (i.e., open niche space), and host genetics.12,232,233,234 Shifts in the gut microbiome and host environment following fermented food consumption likely play an additional role in engraftment success, offering additional complexity and opportunity for targeted incorporation of missing key members. Reports of enteric pathogens and antimicrobial resistance genes within commercial fermented foods highlight the importance of vigilance in monitoring the microbes that inhabit fermented foods.235

While current evidence shows an exciting role for fermented foods in modulation of the gut microbiome community, future clinical work would shine a light on a number of open questions: (1) understanding the role of specific fermented foods, including duration and conditions of fermentation and storage, in modulating the gut microbiome; (2) clinical trials across a number of cohorts, including those with clinical needs, to understand the limitations in the impact on the gut microbiome community; and (3) defining how differences in microbial load or pasteurization (or other post-fermentation processing) or cooking status might impact the gut microbial community.

발효 식품에서 분리된 LAB 유전체와 인간 미생물군집의 유전체를 비교한 결과,

서로 다른 시퀀스가 확인되어 발효 식품이

장 미생물군집의 LAB 일시적 공급원임을 뒷받침합니다.

서양과 비서양 장 미생물군집 인구에서 식별된 LAB 종의 차이는

생활 방식 차이를 반영하는 것으로 보입니다.231 

장 공동체에서 일시적 또는 정착된 안정적 구성원인 LAB을 구분하는 데는

추가 연구와 유전체 해상도 개선이 필요합니다.

장 미생물군집에의 정착에 대한 초기 연구는

미생물의 성공적인 통합이 주로 투여 방법,

식이, 유사 균주의 부재(즉, 개방된 생태적 공간),

호스트 유전적 요인에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다.12,232,233,234 

발효 식품 섭취 후 장 미생물군집과 호스트 환경의 변화는

정착 성공에 추가적인 역할을 할 가능성이 있으며,

이는 추가적인 복잡성과 결여된 핵심 구성원의 표적 도입 기회를 제공합니다.

상업용 발효 식품 내 장내 병원체 및 항생제 내성 유전자 보고는

발효 식품에 서식하는 미생물을 모니터링하는 데 대한 경계가 필요함을 강조합니다.235

현재 증거는 발효 식품이 장 미생물군집 조절에 흥미로운 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

그러나 미래의 임상 연구는

다음과 같은 개방된 질문에 빛을 비추어야 합니다:

(1) 발효 식품의 특정 유형(발효 및 보관 조건 포함)이 장 미생물군집 조절에 미치는 역할 이해;

(2) 임상적 필요를 가진 대상군을 포함한 다양한 코호트에서 임상 시험을 통해 장 미생물군집에 미치는 영향의 한계를 이해하는 것; 및

(3) 미생물 부하, 파스퇴르화(또는 기타 발효 후 가공) 또는 조리 상태의 차이가 장 미생물군집에 미치는 영향을 정의하는 것.

Future directions and conclusions

While fermented foods offer potential for modulation of human health and disease through microbes and metabolites, expanded scientific understanding is needed at multiple levels. Foundational insight into the basic biology of fermented foods, such as the strains, genomes, metabolites, ecological succession, and stability of microbes over time is critical information to enable pursuing connections to human health. In addition, use of tools for secondary metabolite predictions, such as antiSMASH236 and MicrobeMASST,237 and application of both targeted and untargeted metabolomics will contribute greatly to the identification of metabolites at the interface of microbe-microbe and metabolite-host interaction. Such data will aid mechanistic studies that can employ model systems such as cell culture and animal models. The field of gut microbiome science serves as a useful template for advancing such investigation, and many of the experimental approaches are directly applicable. At the same time, human studies are needed to delineate which fermented foods at what levels of intake impact what biology in which cohort or population. These studies should include well-designed and carefully executed dietary interventions in healthy populations to survey changes in biology and physiology such as immune and metabolic parameters.

Additionally, clinical trials in patient cohorts targeting specific outcomes are necessary to support the incorporation of fermented food, or its components, into current medical practice; integral to medical use is the need for advanced types of quality control for the fermented food product to ensure safety and that specific bioactive components are present at required levels and no off-target effects are introduced. Whether there is a future for the prescription of medical fermented foods with certified microbial or metabolite abundances, particularly for groups with health vulnerabilities, remains an open area of exploration but will require a number of basic mechanistic questions to be addressed.

With unhealthy food driving many common diseases in the industrialized world, incorporation of fermented foods will also serve to replace commonly consumed foods that are incompatible with long-term health (e.g., ultra-processed, high glycemic). Fermented foods may serve as a gateway for consumers and patients to more broadly understand the power of diet to directly impact health. Several key points (Table 1) make fermented foods a candidate in catalyzing a movement toward expanded food-based health care. The ability of individuals to easily implement fermentation in their own kitchen enables economical production, engagement with food, and ability to customize to personal preferences; importantly, variation between at-home and commercial production of fermented foods remains to be explored, including heterogeneity in microbe and metabolite production between commercially available fermented foods. The wide variety of fermented foods also presents a wide range to meet the needs of people with different dietary restrictions and taste preferences. Indeed, the molecules produced during fermentation that dictate texture and flavor are likely to also play biological roles in many cases.

미래 방향 및 결론

발효 식품은

미생물과 대사물을 통해 인간 건강과 질병 조절에 잠재력을 지니지만,

다각적인 수준에서 과학적 이해가 확대되어야 합니다.

발효 식품의 기본 생물학에 대한 기초적 통찰력,

예를 들어 균주, 유전체, 대사물, 생태적 순환, 미생물의 시간에 따른 안정성 등은

인간 건강과의 연관성을 탐구하기 위해 필수적인 정보입니다.

또한, antiSMASH236 및 MicrobeMASST237와 같은

2차 대사산물 예측 도구와 표적 및 비표적 대사체학의 적용은

미생물-미생물 및 대사산물-호스트 상호작용의 경계에서 대사산물을 식별하는 데 크게 기여할 것입니다.

이러한 데이터는

세포 배양 및 동물 모델과 같은 모델 시스템을 활용하는 기전 연구에 도움을 줄 것입니다.

장 미생물군집 과학 분야는

이러한 연구를 발전시키는 데 유용한 모델을 제공하며, 많은 실험적 접근법이 직접 적용 가능합니다.

동시에, 특정 발효 식품이 어떤 섭취 수준에서 어떤 생물학적 변화에 영향을 미치는지, 어떤 코호트나 인구 집단에서 발생하는지 명확히 하기 위해 인간 연구가 필요합니다. 이러한 연구는 건강한 인구 집단에서 면역 및 대사 매개변수 등의 생물학적 및 생리학적 변화를 조사하기 위해 잘 설계되고 신중하게 수행된 식이 개입을 포함해야 합니다.

또한 특정 결과를 목표로 하는 환자 집단 대상 임상 시험은 발효 식품 또는 그 성분을 현재 의료 실천에 통합하기 위해 필수적입니다. 의료적 활용에는 발효 식품 제품의 안전성을 보장하고 특정 생물활성 성분이 요구되는 수준에 존재하며 부차적 효과가 발생하지 않도록 고급 품질 관리 방법이 필수적입니다. 인증된 미생물 또는 대사체 함량을 갖춘 의료용 발효 식품의 처방 가능성, 특히 건강 취약 계층에 대한 적용 가능성은 여전히 탐구 중인 분야이지만, 이를 위해 해결해야 할 기본적인 메커니즘 관련 질문들이 다수 존재합니다.

산업화된 세계에서 불건강한 식품이 많은 일반적인 질병을 유발하는 상황에서, 발효 식품의 도입은 장기적 건강과 호환되지 않는 식품(예: 초가공 식품, 고혈당 식품)을 대체하는 역할을 할 수 있습니다. 발효 식품은 소비자와 환자가 식단이 건강에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 힘을 더 넓게 이해하는 데 기여할 수 있습니다. 여러 핵심 포인트(표 1)는 발효 식품이 식품 기반 건강 관리의 확대를 촉진하는 촉매제로서의 후보로 부상하게 합니다. 개인이 자신의 주방에서 발효를 쉽게 구현할 수 있다는 점은 경제적 생산, 식품과의 상호작용, 개인 취향에 따른 맞춤화 가능성을 제공합니다.

중요하게도, 가정에서 생산된 발효 식품과 상업용 발효 식품 간의 차이, 특히 미생물과 대사산물 생산의 이질성은 여전히 탐구되어야 할 과제입니다. 발효 식품의 다양한 종류는 다양한 식이 제한과 맛 선호도를 가진 사람들의 요구를 충족시킬 수 있는 폭넓은 선택지를 제공합니다. 실제로 발효 과정에서 생성되는 텍스처와 맛을 결정하는 분자들은 많은 경우 생물학적 역할을 할 가능성이 높습니다

AreaStatus of fermentation researchEstablishedFuture area of research

General benefits of fermentation	• Enhanced food safety through organic acid and antimicrobial production; decreased abundance of potential pathogens23,29,67,70,71,72,73 • Increased nutrient availability (e.g., antioxidants and vitamins)53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64 • Substrate detoxification (e.g., cassava)78,79,80,82	• Fermented food microbiota strain-specific roles in nutrient enhancement, bioavailability, detoxification, flavor, and other final fermented food properties • Host factors affecting fermented food-derived nutrient absorption • Factors affecting microbial community development in starter and wild fermentation • Characterization of toxin production on novel substrates, including development of at-home food fermentation testing tools • Identification of commercially or medically useful fermented food products, e.g., antimicrobials to combat the rise of fungal pathogens and antibiotic resistance
Food fermentation microbiome-host interactions	• Consumption associated with trends toward decreases in markers of inflammation in healthy cohorts121,122,123,124,140	• Identification of metabolites produced during the food fermentation process across various substrates, including use of targeted and untargeted mass spectrometry, including LC- and GC-MS for broad compound discovery • Assessment of live microbe-host interaction compared to metabolite-host interaction, particularly in disease phenotypes • Characterization of metabolite-host interaction, including mechanism on host immune and enteroendocrine systems
Food fermentation microbiome-host microbe interactions	• Fermented food consumption increases gut microbiome diversity116,206,210	• Identification of source of microorganisms in spontaneously fermented foods • Role of fermented food consumption in engraftment • Role of fermented food microbe or metabolite in gut microbial community composition and metabolism
Beyond fermented food-gut interactions	• Effective models for the study of microbe-microbe interactions25,74,75,76	• Role of fermented food metabolites in gut-brain-axis signaling, particularly a role in satiety and hunger signaling • Application of fermentation for promotion of sustainability efforts238

Table 1

Areas to explore in fermented foods and health

분야 발효 연구의 현황

정립된 분야 미래 연구 분야

발효의 일반적인 이점

•

유기산 및 항균 물질 생산을 통한 식품 안전성 향상; 잠재적 병원균의 감소23,29,67,70,71,72,73

•

영양소 가용성 향상 (예: 항산화제 및 비타민)53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64

•

기질 해독 (예: 카사바)78,79,80,82

•

발효 식품 미생물 균주별 역할: 영양소 강화, 생체 이용률, 해독, 맛 및 기타 최종 발효 식품 특성

•

발효 식품 유래 영양소 흡수 영향을 미치는 호스트 요인

•

시동 발효 및 야생 발효에서 미생물 군집 발달을 영향을 미치는 요인

•

신규 기질에서의 독소 생산 특성 분석, 가정용 식품 발효 테스트 도구 개발

•

상업적 또는 의학적 용도가 있는 발효 식품 제품의 식별, 예를 들어 곰팡이 병원체와 항생제 내성 증가를 억제하는 항미생물제

식품 발효 미생물군집-호스트 상호작용

•

건강한 집단에서 염증 지표의 감소 추세와 관련된 섭취121,122,123,124,140

•

LC 및 GC-MS를 포함한 표적 및 비표적 질량 분석법을 사용하여 다양한 기질에서 식품 발효 과정에서 생성되는 대사 산물의 확인

•

질병 표현형에서 대사체-호스트 상호작용 대비 살아있는 미생물-호스트 상호작용 평가

•

대사체-호스트 상호작용 특성 분석, 특히 호스트 면역 및 장내 내분비 시스템에 대한 메커니즘 포함

식품 발효 미생물군집-호스트 미생물 상호작용

•

발효 식품 섭취는 장내 미생물군집 다양성을 증가시킵니다116,206,210

•

자연 발효 식품 내 미생물 기원 식별

•

발효 식품 섭취가 이식 성공에 미치는 역할

•

발효 식품 미생물 또는 대사산물이 장 미생물 군집 구성 및 대사 과정에 미치는 역할

발효 식품-장 상호작용을 넘어

•

미생물-미생물 상호작용 연구를 위한 효과적인 모델25,74,75,76

•

장-뇌 축 신호 전달에서 발효 식품 대사 산물의 역할, 특히 포만감 및 배고픔 신호 전달에서의 역할

•

발효를 활용한 지속 가능성 증진 노력의 적용238

표 1발효 식품과 건강 분야에서 탐구할 분야

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Still, investigating the role of microbial metabolite production in a fermented food environment offers numerous intriguing yet understudied areas of research. Fermented foods lend themselves as simpler and tractable yet highly relevant models of microbe-microbe interactions compared to the human gut.76 Characterizing the fermented food metabolome and developing tools to better understand metabolite-microbe production dynamics within the fermented foods community has interesting applications for novel flavor and texture development. Transformation of unconventional substrates into familiar flavors can aid in sustainability efforts.238 In addition, with the growing interest in the gut-brain-axis research, the fermented food landscape offers a pool of understudied small molecules that might influence taste preference behavior,239,240,241,242 as well as novel compounds relevant to human health. Despite the exciting potential of fermented foods, research is still needed to understand the complexities.

그러나 발효 식품 환경에서 미생물 대사산물 생산의 역할을 조사하는 것은 흥미로운 동시에 연구가 부족한 분야를 많이 제공합니다. 발효 식품은 인간 장에 비해 미생물 간 상호작용을 연구하는 데 더 단순하고 관리하기 쉬우면서도 관련성이 높은 모델로 활용될 수 있습니다.76 발효 식품 대사체 프로파일링과 발효 식품 공동체 내 대사산물-미생물 생산 동역학을 이해하기 위한 도구 개발은 새로운 맛과 텍스처 개발에 흥미로운 응용 가능성을 제공합니다. 비전통적 원료를 익숙한 맛으로 변환하는 것은 지속 가능성 노력에 기여할 수 있습니다.238 또한 장-뇌 축 연구에 대한 관심이 증가함에 따라 발효 식품 분야는 맛 선호 행동에 영향을 미칠 수 있는 연구가 부족한 소분자 화합물 및 인간 건강과 관련된 새로운 화합물의 잠재적 자원을 제공합니다.239,240,241,242 발효 식품의 흥미로운 잠재력에도 불구하고, 복잡성을 이해하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

AcknowledgmentsAuthor contributions

All authors developed the manuscript content and organization. E.B.C. wrote the manuscript and assembled figures. All authors read, edited, and commented on the manuscript.

Declaration of interests

The authors declare no competing interests.

References

1.