研究成果|中国传统红曲醋风味形成与微生物之间的内在联系

美食   2024-12-03 07:01   上海  


Introduction

红曲醋是中国南方流行的一种发酵醋,作为中国传统粮食醋的四大典型代表之一,是以糯米为原料,加入红曲(又称红曲米)和熟醋培作为发酵剂,采用独特的液态发酵工艺酿造而成。与其他传统粮食醋不同的是红曲醋可能因添加了红曲而具有潜在的促进健康的特性。然而,这些活性成分和风味物质很大程度上取决于发酵过程中的微生物群落,此外,红曲醋酿造过程中微生物群落和功能的复杂性无疑增加了控制不同批次红曲醋风味质量稳定性的难度。因此,有必要对红曲醋传统发酵过程中的微生物动态进行表征,以探索与特征风味成分产生相关的核心功能微生物。

本文中以红曲醋为研究对象,过顶空固相微萃取(PME)结合气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)和超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱法(UPLC-QTOF/MS)分别对传统酿造过程中的挥发性和非挥发性风味代谢物进行了监测。同时,还表征了红曲醋整个发酵过程中的微生物多样性和演替,特别是参与形成特征风味代谢物的关键功能微生物群。最终,系统地探讨微生物演替与风味形成的关系,以揭示与红曲醋特色风味成分的产生有关的潜在功能微生物。

这项工作将有助于了解风味形成的机理,并为选择合适的菌株制定有效的策略,以提高红曲醋的风味质量。


Results

红曲醋发酵过程中细菌群落分析表明:芽孢杆菌、肠杆菌属、乳球菌属、魏氏菌属、白念珠菌属、乳酸杆菌属和醋酸菌属为主要细菌属;黑曲霉、米曲霉、假丝酵母菌、红曲霉、黄曲霉、微小根毛霉、草酸青霉、白假丝酵母菌和褶假丝酵母为主要真菌种(图1)。其中,芽孢杆菌和乳酸菌、黑曲霉、米曲霉和假丝酵母菌的相对丰度始终占主导地位。

图1  红曲醋传统发酵过程中微生物相对丰度热图

采用顶空-固相微萃取-气相色谱-质谱(HS-SPME-GC-MS)测定了红曲醋发酵过程中的69种挥发性化合物(图2A),包括酯类(29)、醇(18)、酮(6)、醛(5)、酸(4)、酚(4)、吡嗪(1)等,发现挥发性化合物的分布有显著差异,并随着发酵时间的推移发生明显变化(图2B,D)。结合微生物菌群进一步分析表明醋酸杆菌与四甲基吡嗪、乙酰酯和乙酸的产生呈正相关,乳球菌与2-非丙酮、2-庚酮、辛酸乙酯、辛酸乙酯、1-己醇、1-辛醇和1-辛酮-3-醇的产量呈正相关,木霉念珠菌和红念珠菌与丙二酸二乙酯、2,3-丁乙酸、乙酯、苯甲醛和四甲基吡嗪的产生呈正相关,这意味着这些微生物可能对红曲醋的特征挥发性风味有重要贡献。

图2  红曲醋发酵过程中挥发性风味成分的变化

采用UPLC-QTOF/MS法监测红曲醋发酵过程中非挥发性代谢物的动态变化。在负离子模式(ESI-)(图3)和正离子模式(ESI+)中,分别检测到2941个和2815个信号峰,并采用PLS-DA多元统计分析的方法筛选出了VIP(pred)大于1的非挥发性代谢物作为代表性代谢物。

图3  红曲醋发酵过程中非挥发性代谢物丰度及其PLS-DA分析(负离子模式)

为深入了解微生物区系与代谢成分之间的潜在关系,对微生物区系与非挥发性代谢物的相对丰度进行O2PLS分析并构建了非挥发性代谢物与关键微生物之间的斯皮尔曼相关网络,探讨了微生物在发酵过程中功能代谢物形成中的潜在作用(图4)。结果表明:有30个关键微生物VIP(pred)>1.8,表明它们对非挥发性代谢物有重要影响。其中,乳杆菌与DL-乳酸、吲哚乳酸、D-(+)-3-苯基乳酸、庚二酸、普瑞巴林和3-氨基丁酸有明显相关性。

图4  基于O2PLS的红曲醋发酵过程中非挥发性代谢物(负离子模式)与微生物之间的相关性分析

Conclusion

本研究为了解红曲醋传统发酵过程中微生物演替和代谢动态提供了全面的依据。此外,通过基于O2PLS模型的相关性分析,并通过相关性网络进行可视化,发现了与风味成分产生相关的潜在功能微生物。结果表明,红曲醋在发酵过程中受微生物代谢的明显影响。本研究提供的信息将有助于我们了解传统的发酵机制,并有助于制定合适的微生物菌株的选择策略,以提高红曲醋的风味质量和工业生产。红曲醋传统发酵中微生物区系与风味的相关关系有待进一步研究。关于微生物发酵机制的研究也需要通过多组学的方法进行,包括宏基因组学、宏蛋白质组学和宏转录组学。


第一作者

仝善公,男,硕士,主要研究方向为风味和功能活性物质形成机理及功能菌群解析;发酵食品品质提升。参与国家自然科学基金、中央引导地方项目、福建省自然科学基金项目等,在国内外期刊公开发表学术论文3篇,其中SCI收录3篇,第一作者论文1篇。

通信作者

吕旭聪博士,男,现任福州大学研究员(旗山学者)、博士生导师(生物与医药)。主要从事健康食品生物制造、食品与肠道微生物组、微生物代谢调控等领域的研究,曾获福建省“杰出青年”科学基金,入选福建省高校“杰出青年”科研人才、福州大学“旗山学者”奖励计划、福建农林大学“金山学者”青年人才和校“杰出青年”科研人才;担任国家自然科学基金项目通讯同行评审专家、国际高水平学术期刊iMeta执行副主编、Frontiers in Microbiology副主编、Frontiers in Immunology编委、Frontiers in Nutrition编委、Foods编委、食品科学技术学报青年编委、中国食品科学技术学会酿造食品分会理事、福建省食品科学技术学会理事;荣获英国皇家化学会Food & Function期刊“杰出审稿人”称号;主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、中国博士后科学基金“特别资助”和“一等资助”项目、中央引导地方科技发展专项、福建省自然科学基金“杰出青年”项目和面上项目等课题;以第一/通讯作者在国内外期刊发表学术论文160余篇,其中SCI期刊文章100多篇(期刊封面2篇,ESI高被引2篇),EI期刊文章30多篇,Scopus H-指数32,已出版酿造微生物领域的英文著作2部;获福建省科学技术进步奖二等奖2项、第十一届和第十五届福建省自然科学优秀学术论文一等奖;相关研究工作成果经中国工程院院士等权威专家评审鉴定为达到“国际领先”水平。



Microbiomics and metabolomics insights into the microbial regulation on the formation of flavor components in the traditional fermentation process of Chinese Hongqu aged vinegar


Shangong Tonga,b,1, Wenlong Lia,b,1, Yuandong Raoa, Yanqin Xiaoa, Yingyin Yana,b, Weiling Guoc, Xucong Lüa,b,*, Jinyuan Sund, Lianzhong Aie, Li Nia,b,*

a Institute of Food Science and Technology, College of Biological Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China

b Food Nutrition and Health Research Center, School of Advanced Manufacturing, Fuzhou University, Jinjiang 362200, China

School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

d Beijing Laboratory for Food Quality and Safety, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China

e School of Health Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

This study aimed to investigate microbial succession and metabolic dynamics during the traditional fermentation of Hongqu aged vinegar, and explore the core functional microbes closely related to the formation of flavor components. Microbiome analysis demonstrated that LactobacillusAcetobacterBacillusEnterobacterLactococcusLeuconostoc and Weissella were the predominant bacterial genera, while Aspergillus piperisAspergillus oryzaeMonascus purpureusCandida athensensisC. xylopsociPenicillium ochrosalmoneum and Simplicillium aogashimaense were the predominant fungal species. Correlation analysis revealed that Acetobacter was positively correlated with the production of tetramethylpyrazine, acetoin and acetic acid, Lactococcus showed positive correlation with the production of 2-nonanone, 2-heptanone, ethyl caprylate, ethyl caprate, 1-hexanol, 1-octanol and 1-octen-3-ol, C. xylopsoci and C. rugosa were positively associated with the production of diethyl malonate, 2,3-butanediyl diacetate, acetoin, benzaldehyde and tetramethylpyrazine. Correspondingly, non-volatile metabolites were also detected through ultra-performance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry. A variety of amino acids and functional dipeptides were identified during the traditional brewing of Hongqu aged vinegar. Correlation analysis revealed that Lactobacillus was significantly associated with DL-lactate, indolelactic acid, D-(+)-3-phenyllactic acid, pimelic acid, pregabalin and 3-aminobutanoic acid. This study is useful for understanding flavor formation mechanism and developing effective strategies for the suitable strains selection to improve the flavor quality of Hongqu aged vinegar.  

Reference:

TONG S G, LI W L, RAO Y D, et al. Microbiomics and metabolomics insights into the microbial regulation on the formation of flavor components in the traditional fermentation process of Chinese Hongqu aged vinegar[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2765-2778. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250224.

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