2021年5月第42卷第9期
食品研究与开发
专题论述
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DOI : 10.1216Vj.issn.1005-6521.2021.09.026
大豆异黄酮的生物转化及功能活性研究进展
陈嘉序,陈如扬,连媛,姚欣硕,黄锂昕,高瑶,肖愈* *基金项目:湖南省自然科学青年基金(2020JJ5243);湖南省教育厅科
学研究优秀青年项目(19B269)电话本英文
我非生而知之者好古敏以求之者也翻译作者简介:陈嘉序(1999-),女(汉),在读本科生,研究方向:食品微coronavirus
生物与功能性食品。
*通信作者:肖愈(1989-),男(汉),讲师,博士,研究方向:食品微生 物与功能性食品。silicon
(湖南农业大学食品科学技术学院,湖南长沙410128)
摘 要:大豆异黄酮(soybean isoflavone)又称植物雌激素,是大豆等蝶形花亚科植物产生的次级代谢产物。研究表明,
其在抗癌、抗氧化、预防骨质疏松症和心血管疾病等方面有着突出的作用。利用微生物发酵技术可制备具有更高更广 活性的不同次级代谢产物,进一步提高食品基质的健康效益。针对不同微生物体系对大豆异黄酮主要单体的代谢、转
换过程及对代谢产物生物活性的影响进行详细阐述,旨在为深入研究大豆异黄酮的微生物转换及新型功能性食品的 开发提供理论依据。
关键词:大豆异黄酮;发酵用菌;肠道菌群;生物转化;功能活性
Progress in Microbial Conversion and Functional Activity of Soy Isoflavones
CHEN Jia-xu,CHEN Ru-yang,LIAN Yuan, YAO Xin-shuo ,HUANG Yu-xin,GA0 Yao,XIA0 Yu *
(College of Food Science and Technology , Hunan Agricultural University , Changsha 410128, Hunan , China) Abstract : Soybean isoflavones , also known as plant estrogen , is a condary metabolite produced by soybean
and other family Papilionaceae plants. Previous studies have demonstrated that isoflavones play an important
role in anticancer, antioxidant , prevention of osteoporosis and cardiovascular dia effects. Microbial
fermentation technology can be ud to produce different condary metabolites with greater bioactivity than unfermented samples , which could improve the health benefits of food matrix. This article reviewed on the
metabolism and bioconversion efiects of the major monomers of soybean isoflavones by different microbial systems and their subquent efiects on the biological activity , and provided a theoretical basis for in-depth rearch on the microbial biotransfbrmation of soybean isoflavones as well as the development of new functional foods.
Key words : soybean isoflavones; fermentation bacteria ; gut microbiota; biotransformation ; functional activity
引文格式:
陈嘉序,陈如扬,连媛,等•大豆异黄酮的生物转化及功能活性研究进展[J]・食品研究与开发,2021,42(9):176-182.
CHEN Jiaxu , CHEN Ruyang,LIAN Yuan,et al. Progress in Microbial Conversion and Functional Activity of Soy Isoflavones[J].
Food Rearch and Development , 2021,42(9): 176-182.
大豆异黄酮(soybean isoflavone)是一类重要的非 固醇类功能活性物质,具有较好的抗癌作用、预防骨 质疏松症及降低心血管疾病发病率等功能,现已被广
泛运用于食品保健、饲料研发、医药制品等诸多领域。
自1931年,Walz 等首次从大豆中分离提取出大豆异 黄酮——染料木素(genistein)以来叫目前发现的大豆
异黄酮已有12种,主要以结合型糖昔(glucoside)和游
离型昔元(aglycone) 2种形式存在,其中97%左右为以
B -葡萄糖昔形式存在的糖昔及其衍生物。大豆异黄酮
的生物活性与化学结构息息相关,游离型昔元在人体
内吸收程度远高于结合型糖昔,并具有更高的类雌激 素活性和抗氧化活性叫现阶段常通过酸解、酶解、物
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理辅助提取等方式提高大豆总异黄酮中糖昔向昔元 转化的效率,但存在生产效率低,反应条件苛刻等
诸多弊端,不适于大规模应用現近年来,微生物发酵apod
已广泛应用于糖昔型异黄酮向更利于吸收利用的各 级异黄酮的生物转化中,如利用ActiTwmucor elegans 、
Rhizopus oligosporus 和 Bifidob a cterium 等食品发酵使
用菌种以及Escherichia coli 和Lactobacillus 等肠道微 生物群,研究对豆制品加工主要大豆异黄酮单体含量
以及最细谢产物生物活性的影响。瞰甦物在发
酵时能产生作用于糖昔型异黄酮7-位氧昔键的酶,游 离型异黄酮含量显著增加[〜,通过不同的代谢途径转
化为诸多高活形式、无活性产物甚至潜在毒性物飙本
文拟就近年来有关实际生产使用的菌种及肠道菌群 对大豆异黄酮单体的代谢转换作用以及其不同代谢 产物生物活性功能的相关研究进行梳理,以期为深入
研究大豆异黄酮的微生物转换及新型功能性食品的 开发提供理论依据。
1大豆异黄酮的代谢
大豆异黄酮通常以糖昔的形式存在于自然界中, 由酚症基和糖基缩合而成,其结构通式是以3-苯并毗 喃酮为母核的化合物群(图1)。
图]结合型締昔和游藹型背元的结构通式F^.1 General formula of glycosides and 昭ycone
不论是在发酵食品基质还是肠道环境下发生的 生物转化过程,大豆异黄酮转化的第一步都是糖昔型 分解为昔元型。1995年,Matsuura 等唯发酵豆制品中
先检测到了 B-葡萄糖昔酶-c 的活性,同时分离纯化 得到了酶蛋白,在体外发酵过程中验证了大豆异黄酮
的转化首先是W#酶的作用。Hur 等网从餌个体的粪 便细菌中筛选涉及大豆异黄酮代谢的特定细菌,其测
定的转化结果也证明了这一点。在微生物分解酶的作 用下,结合型大豆异黄酮的糖昔键裂解释放出葡萄糖
配基和昔元,糖昔键水解包括以下一系列过程:位于
r 3位置的官能团丙二酰基乙酰化转化为乙讎,乙酰
基接着转化为H,最后0葡萄糖昔型在0-葡糖糖昔酶 的作用下转化为游离型昔元叽
在昔元型异黄酮形成的基础上,大豆昔元和染料 木素的一种单症基化代谢物在C 环的C-2脂肪族位
新世纪大学英语综合教程3
置被痊基化。然而单径基化代谢物并不是氧化代谢的 终产物bulling 等㈣使用大鼠肝脏微粒体进行体外实 验研究得到大豆昔元被转化为9种代谢物,包括4种
单轻基化、4种二軽基化和1种三轻基化的代谢物,主 要产物被鉴定为6,7,4=三規基异黄酮、6,73,4=四
轻基异黄酮、7,8,4,-三轻基异黄酮和5,6,7,4,-四矩 基异黄酮;染料木素被代谢为4种单兔基化产物和2种 二轻基化产物,主要产物为5,6,7,4*四径基异黄酮 和5,7,8,4,-四矩基异黄酮。Heimmen 等小研究所得黄 豆黄素的公认代谢产物为二氢黄豆黄素(dihydro-
glycitein )、6-甲氧基-雌马酚(6-methoxy -equol )、5,- methoxy-0-desmethylangolensin 、6-羟基-大豆昔兀(6-
hydroxy-daidzein )、6-龛基-二氢黄豆昔元(6-OH-di- hydrodaidzein )、6-密基-雌马酚(6-hydroxy-equol )以及 5,-轻基-去氧甲基安哥拉紫檀素G-hydnixy-O-
desmethylangolensin ) o 但值得_*提的是,在大豆昔元的
代谢途径中也可以出现上述部分产物,而Heinoneri 等 在研究中并未使用示踪法或纯化合物,在母体化合物
和代谢物之间无法建立明确的联系凹。
1.1发翩品中微生物对大豆异黄酮的代谢转化
自20世纪末期,人类开始研究对大豆异黄酮的代
西安汉普森英语谢转化有不同成效的特定微生物菌株。微生物代谢转 化体系现已成为食品大规模生产、药物发现等相关领
域获取大豆异黄酮高活性产物的一种常用方法。迄今 国内外已报道的能将大豆异黄酮代谢转化为各类代谢
产物的细菌菌株多为 Clostridium^Sneckeria^Byidobac -
lerium£!oriobacteriaceae 和血^加加也us 等切。发酵过程
中微生物在B-葡萄糖昔酶的水解作用下极大地改变 了大豆异黄酮的组分和含量,未发酵前大豆异黄酮主 要是结合型糖昔,发酵后糖昔型含量减少,游离型昔
元增加,同时产生了一系列代谢产物。
例如^Bifidobacterium 在提高豆浆的生物活性方
面起着重要作用,尤其是对大豆异黄酮的生物转化已
得到广泛报道吐叫Wei 等网以乳杆菌和双歧杆菌为 菌种发酵豆浆,研究发现50%以上的结合型都被转
化
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为游离型异黄酮。Raimondi等问发现它们具有将大豆昔转化为大豆昔元的能力。大多数菌株从大豆昔中释放糖昔配基,其中有12种菌株的;存高于90%。在就躺bifidobacterium产生许多糖基水解酶,它们水解寡糖和与糖结合的化合物,将糖昔型异黄酮进行生物转化为相应的生物活性代谢产物,释放昔元型异黄酮的能力具体取决于卩-葡萄糖昔酶。然而,Bift-dobacterium对于大豆昔元向代谢产物S-雌马酚(S-equol)的转化目前仍然存在争议,大豆昔元向S-雌马酚的转化通过二氢黄豆昔元和四氢黄豆昔元或脱氢雌马酚的还原途径发生,但尚未有报道明确表明Bifidobacterium,可进行此过程完整的还原生物转化。
事实上,我国许多传统特色发酵豆制品如腐乳、豆豉等在工业生产中,微生物体系的建立是决定产品品质的重中之重。腐乳是以豆腐为原料,通过微生物复合发酵制成的一种植物奶酪型食品,国内学者对其中的大豆异黄酮动力学变化进行了诸多探讨。刘欣等阴分别以Actinomucor elegans、Mucor wutungkiao和Rhi—zopus oligosporus为菌种,研究不同菌种在腐乳发酵前后大豆异黄酮含量变化。研究表明前发酵过程中,大豆异黄酮含量均有所增加且Rhizopus oligosporus前发酵腐乳大豆异黄酮含量相较于Mucor wutungkiao和Actinomucor elegans分别高90%和133%。这是由于除了菌种分泌的0-葡萄糖昔酶等酶类,使豆腐坯中配糖体形式异黄酮转化为游离形式外,可能还存在一些成分与大豆异黄酮相互转化,使得异黄酮含量上升叭此外,微生物在发酵黄浆水、豆渣等豆制品副产物的工业过程中,也鳞了举足遜的作用。王丽夏严利用Cordyceps militaris SN-18发酵黄浆水,结果表明,大豆异黄酮的总量和游离型的昔元含量均显著上升,特别是在80%乙醇提取物中,大豆昔元、黄豆黄素和染料木素分别增至(7571.87±329.12)、(1372.58±93.97)、(4 726.94±126.99)jxg/g,分别是未发酵前的20.5.16.5和18.7倍。还有研究人员以Lactobacillus plantarum和D叙ococcuspentosizs为菌种,按照接菌量5.59%发酵黄浆水,得游离型昔元含量为31.31mg/L,相比未发酵黄浆水增加了29.77mg/L M o Lee等㈣以Aspergillus niger为试验菌种探究其对异黄酮的转化产物,结果发现在初期代谢产物多为单轻基异黄酮和二轻基异黄酮,发酵10d代谢产物多为二轻基异黄酮和三轻基异黄酮,轻基化反应通常发生在异黄酮的B环中。经标准验证,在二羟基异黄酮中,除3,,4,-二径基类似物外,大豆昔元(4,,7,-二径基异黄酮)是最丰富的代谢物。
1.2肠道微生物对大豆异黄酮的代谢转化
肠道菌群是寄居在人体胃肠道内的正常微生物,不仅可以排毒清肠,减少病原菌带来的侵害,还有利于维生素的合成。人体的健康状况与肠道菌群同其宿主环境所共同构成的动态生态平衡密切相关。大豆异黄酮在人体内的主要代谢场所就是肠道,肠道菌群含有宿主本身不具有的结合型大豆异黄酮水解酶基因,将糖昔型代谢为游离型昔元。目前已报道的肠道菌包括Bacteroidetes^Firmicutes^Enterococcus^Lactobacillus、Bifidobacterium和Clostridium等叫根据大豆异黄酮的代谢途径分析,结合型糖昔能抵挡胃和小肠的消化作用,到达结肠时,肠道菌群产生的0-葡萄糖昔酶水解位于糖基末端非还原性的糖昔键,同时释放出P-D-葡萄糖和相应的配基冋,从而结合型糖昔数量降低,昔元型数量上升。经报道证实,葡萄糖昔酶的专一性较差,在水解底物的糖基结构时,即可水解C-0糖昔键、C-S键以及C-N键等画,这种专一性为得到不同形式的大豆异黄酮提供了基础。游离型昔元一部分被小肠直接吸收,最终以粪便的形式排出体外。另一部分则继续被肠道菌群所分泌的黄豆昔元还原酶、二氢黄豆昔元酶、四氢黄豆昔元还原酶等酶系,通过去糖基、脱甲基、脱径基和还原反应等分解得到活性更高的不同次级代谢产物网。
大肠菌群在得到昔元的基础上可以通过加氢还原(C-2位和C-4位)、开环转化或同时进行加氢还原(C-2位和C-4位)和去掉底物C-4位酮基的功能,将大豆昔元或染料木素还原为二氢黄豆昔元(dihydro-daidzein,DHD)或二氢染料木素(dihydrogenistein, DHG)、开环转化为去氧甲基安哥拉紫檀素(0-Desm
ethylangolensin,O-Dma)和4-轻苯基-2-丙酸[2-(4-Hydroxyphenyl)propionic acid,2-HPPA]、还原去酮基后生成雌马酚(equol)等代谢产物㈣。Schoefer閃及Lee等勿先后报道了来源于人体肠道的Eubacterium,可以对游离型昔元进行开环转化,分别将大豆昔元和染料木素代谢转化为去氧甲基安哥拉紫檀素和4-轻苯基-2-丙酸。另有研究报道兼性好氧肠道微生物Enterococcus hirae AUH-HM195同样具有开环转化功能画。Heinonen等画为了探究大豆异黄酮的I期代谢产物,召集了6名志愿者,在其每天正常的西方饮食中加入3根大豆棒,进行为期2周的补充前后尿液样品收集。尿液样品经一系列分离纯化,使用气相色谱-质谱法(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)分析确定了几种新的大豆异黄酮代谢物。鉴定出4种大豆昔元和染料木素的主要代谢产物,分别是大豆昔元的3种疑基化代谢物3,,4',7-三径基异黄酮、4,, 6,7-三轻基异黄酮和4',7,8-三轻基异黄酮,以及染料木素的代谢产物3',4',5,7-四轻基异黄酮。研究表
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明,形成4,,6,7-三羟基异黄酮的另一种途径是黄豆
黄素的去甲基化。同时该研究也初步确定了其它先前
instance是什么意思报道的代谢产物雌马酚、去氧甲基安哥拉紫檀素、二
氢黄豆昔原和顺-4-径基-雌马酚、二氢染料木素和6,
-OH-0-desmethylangolensin的含量较低且这些氧化
代谢产物的产生存在个体差异。然而除了个体差异
外,在动物研究和一些人类研究中已经观察到关于肠179-—
道菌群的性别差异。例如,Coldham和Saue
*30报告了口
服[14C]染料木素后大鼠粪便中的主要代谢产物,结果
表明雌性大鼠代谢主要为二氢染料木素,雄性大鼠代
谢主要为4-轻苯基-2-丙酸。通过对各类不同代谢产
物的化学结构式进行分析,加上对诸多研究进行归纳
总结,整理出目前普遍认可的大肠菌群对大豆异黄酮
主要代谢途径及相应发酵微生物种类(图2)。
大豆昔
°hoh黄豆黄昔H0
黄豆黄素大豆昔元
HO
ho"
OH
染料木素0H0
二氢彌木素
replacewith0H
5■轻基-雌马酚
HOOC
0H
6-屋基-去氧甲基安哥拉紫檀素4-湃基-2-丙酸
图2大豆异黄翦肠道微生物代谢转换途径
Fig^Microbial metabolic pathway of soybean isoflavones by got microbiota
2大豆异黄爾生物转化产物功能活性
2.1抗氧化作用
氧化损伤对人体健康造成了极大的威胁,人体的氧化衰老主要是由氧化应激反应产生的自由基造成的。大豆异黄酮生物转化产物能够对人体起到多种调节作用,使细胞免受氧化应激损伤。大豆异黄酮属于氧昔类,是杂环酚类化合物,其抗氧化活性主要取决于它们向自由基捐赠氢原子的能力,即其分子结构主链上取代轻基的位置和数目。有研究表明,对抗氧化活性影响最大的轻基位是C4位轻基,其次是C-5位轻基,而C-7位轻基的影响可以忽略性而大豆昔元在C-4,位、C-5位、C-7位共3个轻基,染料木素在C-牢位和C-7位共2个轻基,所以染料木素和大豆昔元均是有效的抗氧化剂,且相对于未发酵前的大豆异黄酮母体,转化产物具有更有效的抗氧化功能。
翟齐啸等凹研究发现利用Lactobacillus和Mould 发酵豆乳,可以改变其中结合型糖昔和游离型昔元的组成比,从而有效提高豆乳因对金属镉暴露导致氧化损伤的保护效果。唐思颉等嚨道,用红茶菌发酵黄浆水,发酵6d后结合型糖昔质量浓度下降至49.76m咖L,而游离型昔元质量浓度增加到150.95mg/mL o同时还发现转化产物对于DPPH自由基的清除能力明显上升,从15.19%提高达93.19%。转化产物主要是通过以下2种途径来实现其抗氧化功能:第一种是在细胞代谢过程中阻止DNA中鸟嚓吟被活性物质破坏来阻断自由基反应链,清除体内产生的过多的自由基,保持机体的自由基平衡驹;第2种是通过增强相关抗氧化酶的活性,减少氧化应激代谢产物的生成。Gunae等閃通过动物实验研究得出,大豆异黄酮转化产物可诱导抗氧化基因的表达,显著提高大鼠血清中超氧化物歧化酶(superoxide dismuta,SOD)和过氧化氢酶(cata-la,CAT)的抗氧化活性,从而减少大鼠体内丙二醛(malondiaMehyde,MDA)含量,激活酶活性防御系统,减少自由基和活性氧(reactive oxygen species,ROS)的形成,最终减少机体氧化损伤。
2.2抗癌活性
1986年,美国研究员首次发现异黄酮类化合物大豆中具有抗癌活性的有效成分,之后便掀起了国内
外
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对大豆异黄酮生物转化产物抗癌活性研究的热潮问。大量研究已证实,经常食用富含大豆异黄酮转化产物的人群可明显减少相关疾病的发病风险,尤其是降低结肠癌、乳腺癌和前列腺癌等疾病的发病率閃。如崔美林何利用含有菌丝体的灵芝匀浆发酵大豆异黄酮粗提物,60T下转化48h后,测得大豆昔元和染料木素的转化率分别为96.63%和87.82%,且转化产物对结肠癌细胞HTL9、乳腺癌细胞MCF-7、肝癌细胞HepG2的增殖均有显著的抑制效果。其原因是经转化产物处理后,细胞HTL9和MCF-7被阻滞于G1期,无法分裂,而细胞HepG2被阻滞在S期来诱导细胞凋亡。此外,经转化产物处理后,结肠癌细胞HTL9中Bcl-2基因/Bax基因比值下降,同时Cyto-C蛋白表达含量上升,激活半胱氨酸蛋白酶-3,半胱氨酸蛋白酶-8使其含量增加,该试验进一步说明转化产物可以通过调控多个与凋亡相关基因的表达,从而诱导细胞HTL9凋亡。
然而并不是所有的大豆异黄酮生物转化产物都具有绝对的抗癌活性,有些反而会促进癌细胞增殖。如Juan等脚利用5jimoVL染料木素处理乳腺癌细胞MCF-7,研究表明染料木素可通过对细胞色素P450 1B1(CYP1B1)基因的诱导,从而刺激细胞MCF-7产生ROS,并促进癌细胞MCF-7的增殖。因此,在摄入外源性大豆异黄酮转化产物时应确定合理的摄入剂量和摄入频率。
2.3预防骨质疏松症
女性在更年期时,体内雌激素水平急剧下降,骨小梁和皮质骨密度降低,继而引发骨质疏松症。大豆异黄酮因具有与内源性激素雌二醇相似的化学结构,可以结合受体,具有拟雌激素作用,并通过降低骨吸收速率,提高骨形成率来实现对骨代谢的良好调节。其中发挥主要作用的还是大豆异黄酮被肠道菌群分解的代谢物倒。Ohtomo等™W究了O-Dma对于切除子宫小鼠的骨密度及生长代谢的影响,发现O-Dma能够显著抑制破骨细胞生长。另有Jin等跑研究发现大豆昔元通过发挥雌激素作用,激活丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节激酶(MEK/ERK)和磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B或PKB(PI3K/Akt)信号通路,促进人类成骨细胞样MG-63细胞的增殖分化来刺激成骨。雌马酚也是大豆昔元的主要代谢产物丄in等列研究了雌马酚对胶原性关节炎小鼠炎症反应和骨侵蚀的影响,结果表明雌马酚能抑制白细胞介素-6及其受体的表达,同时还能激活雌激素受体P的活性,降低破骨细胞和未成熟成骨细胞特异性及软骨破坏相关基因的表达,从而预防骨质疏松症。2.4其它活性
大豆异黄酮转化产物还具有降低心血管风险、预防动脉粥样硬化症、抑菌、提升机体免疫力等诸多作用,在市场上呈现出较为广阔的应用潜力。转化产物主要是通过弱雌激素作用,减少血清总胆固醇浓度来缓解心血管疾病,而雌马酚的效果最为显著列。舒芙蓉网为高胆固醇血症人群适量补充大豆异黄酮转化产物,实验表明大豆昔元可显著减低血清甘油三酯和尿酸浓度,对于心血管疾病有一定的干预作用。此外,很早就有记载说大豆可以治疗肠炎,Hong等嘶究发现染料木素对Staphylococcus aureus^
Yersinia enterocolitica^ EnterobacteriaceaeJUycobacterium avium-Xisteria mono-cytogenes^Foncaeapedrosoi具有显著的抑菌效果。其机制可能是通过破坏细胞结构的完整性、抑制蛋白质的合成和糖异生途径以及使遗传物质的合成受到阻碍来实现。诸多研究表明,大豆异黄酮转化产物的功能活性还表现在调节机体免疫系统,增加免疫功能。高荣海等阙用大豆异黄酮糖昔和昔元喂养小鼠,发现小鼠鸡红细胞作免疫原的溶血素光密度值较对照组均有显著提升,表明糖昔和昔元都有免疫调节功能,同时发现昔元型的转化产物吸收性更强,其调节机制主要从非特异性免疫、细胞免疫与体液免疫来完成免疫应答。
3总结与展望
近年来,大豆异黄酮微生物转化产物对于人体健康调控方面起到的积极作用受到了国内外研究学者们的广泛关注,了解各类微生物对于大豆异黄酮的代谢机制及各类代谢产物有着巨大的现实意义。本文综合了近年来国内外相关研究成果,针对不同微生物体系(有关实际生产发酵食品使用的微生物菌种及肠道菌群)对大豆异黄酮主要单体的代谢、转换过程,以及代谢产物在抗氧化作用、抗癌活性和预防骨质疏松症等生物活性的影响机制进行了详细阐述。利用微生物发酵技术可制备具有更高、更广活性的不同次级代谢产物,但就目前的研究深度来说,各类微生物对大豆异黄酮进行复杂代谢转化过程时的作用条件(温度、pH值、酶系和菌种数目等)以及各类微生物在转化时的代谢通路和具体代谢作用机理等还有待进一步研究。只有了解以上条件和机理,才能解决市场上大豆异黄酮微生物体外转化
工艺构建的问题,才能进一步推进对大豆异黄酮微生物转化产物功能活性的研究,为大豆异黄酮微生物转化产物在食品保健、饲料研发、医药制品等诸多领域更深层次的开发利用提供理论参考依据。