本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請(qǐng)授權(quán)。

Introduction

山西老陳醋（SAV）是中國(guó)傳統(tǒng)的谷物醋，主要以高粱為原料，通過固態(tài)發(fā)酵制成，發(fā)酵過程中有多種微生物自然參與。山西老陳醋在醋酸發(fā)酵過程中，會(huì)出現(xiàn)各種具有復(fù)雜生態(tài)關(guān)系的微生物，它們相互協(xié)作形成了醋的大部分風(fēng)味物質(zhì)。以往的研究通過依賴培養(yǎng)和不依賴培養(yǎng)的方法，探究了山西老陳醋固態(tài)發(fā)酵過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)，揭示了發(fā)酵過程中微生物的組成和演替。然而，基于微生物豐度的相關(guān)性分析和不同單菌株的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于揭示微生物之間的相互作用來說不夠準(zhǔn)確和全面。因此，有必要采用一種有效的方法，深入分析這種自然生態(tài)系統(tǒng)中的全局微生物相互作用。

本研究首次提出“谷物醋固態(tài)發(fā)酵過程中的微生物代謝相互作用”。為了闡明微生物代謝相互作用以及在風(fēng)味化合物形成中的協(xié)同作用，結(jié)合發(fā)酵過程中微生物群落的元轉(zhuǎn)錄組信息，揭示了微生物的底物/代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)情況。此外，基于利用數(shù)學(xué)計(jì)算模型計(jì)算得到的物種對(duì)代謝影響得分，構(gòu)建了代謝影響網(wǎng)絡(luò)，以深入探究中國(guó)谷物醋風(fēng)味化合物形成過程中的微生物協(xié)同作用。

Results

微生物共現(xiàn)分析

基于斯皮爾曼相關(guān)性分析（∣ρ∣＞0.6，P＜0.05），構(gòu)建了醋醅中相對(duì)豐度大于0.02%的物種之間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖1）。在本研究構(gòu)建的共現(xiàn)網(wǎng)中，平均聚類系數(shù)為0.666，連通分量數(shù)量為3，表明該網(wǎng)絡(luò)具有模塊化結(jié)構(gòu)和良好的連通性。此外，乳桿菌屬、片球菌屬、醋桿菌屬、乳球菌屬、明串珠菌屬、葡萄球菌屬和芽孢桿菌屬分別占總相互作用關(guān)系的59.15%、7.81%、7.17%、4.72%、3.15%、2.97%和2.33%。結(jié)果表明，大多數(shù)微生物之間存在正相關(guān)關(guān)系，這表明群落成員在山西老陳醋發(fā)酵過程中可能共享生態(tài)位空間。在山西老陳醋發(fā)酵過程中，由于乳桿菌屬、醋桿菌屬和片球菌屬的豐度相對(duì)較高，大多數(shù)物質(zhì)能夠被消耗，從而抑制了開放生態(tài)系統(tǒng)中各種潛在腐敗微生物的生長(zhǎng)，確保了山西老陳醋的正常發(fā)酵和質(zhì)量穩(wěn)定。

圖1網(wǎng)絡(luò)分析揭示共現(xiàn)模式

代謝物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

研究從微生物代謝角度構(gòu)建了包含2271個(gè)反應(yīng)、428種代謝化合物及100個(gè)物種的微生物代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。每個(gè)物種平均輸入19.25種、輸出16.92種化合物，如干酪乳桿菌和異常威克漢姆酵母代謝活性突出，戊糖乳桿菌和植物乳桿菌也對(duì)風(fēng)味化合物形成貢獻(xiàn)較大。糖類作為主要碳源，葡萄糖被84個(gè)物種利用，在底物中占比最高，果糖和麥芽糖次之。乳酸和乙酸是常見代謝產(chǎn)物，分別由64%和45%的物種產(chǎn)生。山西老陳醋的特征風(fēng)味化合物中，乙酸、乙酸乙酯、苯甲醛和2,3-丁二酮主要由微生物代謝生成，且乙酸不僅是代謝產(chǎn)物，還可作代謝轉(zhuǎn)運(yùn)體，多種微生物在發(fā)酵過程中能利用它。另外，部分代謝產(chǎn)物如萜品醇、核黃素等，僅由少數(shù)特定物種產(chǎn)生，它們參與不同代謝途徑，各類風(fēng)味化合物共同造就了醋的獨(dú)特風(fēng)味。

圖2微生物群的轉(zhuǎn)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)及其代謝產(chǎn)物

代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

為分析醋醅中物種間代謝相互作用，研究計(jì)算了所有物種對(duì)的代謝影響得分，構(gòu)建醋醅代謝影響得分前50物種（橙色邊框）與其他物種的代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)（圖3）。該網(wǎng)絡(luò)含2294個(gè)關(guān)系，正向關(guān)系僅占6.58%。

圖3代謝物數(shù)量的概率分布

拓?fù)湫再|(zhì)分析

在山西老陳醋發(fā)酵過程中，每個(gè)物種都能直接或間接影響其他單個(gè)物種的生長(zhǎng)和活力。微生物代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)表明（圖4），微生物間正負(fù)代謝效應(yīng)的累積效應(yīng)對(duì)維持穩(wěn)定的微生物生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖4代謝影響最大的前50種物種與其他物種之間的代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)

在復(fù)雜的微生物群體中，可通過計(jì)算每個(gè)微生物節(jié)點(diǎn)的中介中心性（BC）值識(shí)別關(guān)鍵代謝影響物種?；贐C的平均值，定義截?cái)嗑€為BC值大于0.0063，用于篩選網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵代謝影響物種（圖5）。結(jié)果顯示，代謝影響排名前50的物種中，30%是關(guān)鍵微生物。其中，乳桿菌屬占73.33%，是醋發(fā)酵中具有強(qiáng)大代謝控制能力的關(guān)鍵角色。戊糖乳桿菌節(jié)點(diǎn)的BC值最高（0.034），它不僅是醋發(fā)酵微生物代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)的核心物種，也是具有顯著代謝影響的關(guān)鍵物種。

圖5微生物代謝相互作用網(wǎng)絡(luò)中微生物節(jié)點(diǎn)的BC

醋中的微生物群落可產(chǎn)生多種化合物，這些產(chǎn)物能揭示微生物如何通過代謝在醋發(fā)酵中發(fā)揮作用。對(duì)關(guān)鍵代謝影響物種的產(chǎn)物統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生比例最高的6種代謝產(chǎn)物是乳酸（93.33%）、乙酸（80.00%）、乙醇（53.33%）、2,3-丁二酮（33.33%）、丁酸（26.67%）和丙酸（26.67%）。這些物質(zhì)可作為發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)中微生物的主要底物和產(chǎn)物，同時(shí)潛在地調(diào)節(jié)微生物群落，特別是乳酸和乙酸。

Conclusion

本研究全面揭示了山西老陳醋發(fā)酵中微生物的代謝相互作用。乳桿菌屬、醋桿菌屬和片球菌屬是維持發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵屬；葡萄糖、果糖和麥芽糖是主要底物，乳酸、醋酸和乙醇是主要代謝產(chǎn)物。微生物間正負(fù)代謝影響協(xié)同維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，其中乳桿菌屬在代謝控制中起核心作用，醋酸和乳酸的反饋調(diào)節(jié)作用顯著。不過，研究存在一定局限性，目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多來自單菌株實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際發(fā)酵環(huán)境有偏差，微生物代謝運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)需更多原位實(shí)驗(yàn)完善。未來應(yīng)加強(qiáng)原位研究，完善網(wǎng)絡(luò)，為發(fā)酵食品行業(yè)發(fā)展提供更堅(jiān)實(shí)的理論支持。

Microbial metabolic interaction in fermentation ecosystem and cooperation in flavor compounds formation of Chinese cereal vinegar

Yanfang Wua, Jing Liua,b, Dantong Liua, Mengle Xiaa, Jia Songa, Kai Liangc, Chaochun Lib, Yu Zhenga,c,*, Min Wanga,*

a State Key Laboratory of Food Nutrition and Safety, Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education, College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China

b Beijing Longmen Vinegar Industry Co., Ltd., Beijing 100071, China

c Shanxi Province Key Laboratory of Vinegar Fermentation Science and Engineering, Shanxi Zilin Vinegar Industry Co., Ltd., Taiyuan 030400, China

*Corresponding author.

Abstract

Shanxi aged vinegar (SAV) is a famous cereal vinegar in China, which is produced through a solid-state fermentation where diverse microbes spontaneously and complex interactions occur. Here, combined with the metatranscriptomics, the microbial co-occurrence network was constructed, indicating that Lactobacillus, Acetobacter and Pediococcus are the most critical genera to maintain the fermentation stability. Based on an extensive collection of 264 relevant literatures, a transport network containing 2271 reactions between microorganisms and compounds was constructed, showing that glucose (84% of all species), fructose (67%) and maltose (67%) are the most frequently utilized substrates while lactic acid (64%), acetic acid (45%) are the most frequently occurring metabolites. Specifically, the metabolic influence of species pairs was calculated using a mathematical calculation model and the metabolic influence network was constructed. The topology properties analysis found that Lactobacillus was the key role with robust metabolic control of vinegar fermentation ecosystem and acetic acid and lactic acid were the main metabolites with feedback regulation in microbial metabolism of SAV. Furthermore, systematic coordination of positive and negative impacts was proved to be inevitable to form flavor compounds and maintain a natural microbial ecosystem. This study provides a new perspective for understanding microbial interactions in fermented food.

Reference:

WU Y F, LIU J, LIU D T, et al. Microbial metabolic interaction in fermentation ecosystem and cooperation in flavor compounds formation of Chinese cereal vinegar[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3472-3481. DOI:10.26599/FSHW.2023.9250031.

翻譯： 張慶芬（實(shí)習(xí)）

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

為進(jìn)一步促進(jìn)動(dòng)物源食品科學(xué)理論的完善與創(chuàng)新，加速科研成果向?qū)嶋H生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，由北京食品科學(xué)研究院、中國(guó)肉類食品綜合研究中心、中國(guó)食品雜志社將與江西農(nóng)業(yè)大學(xué)、江西科技師范大學(xué)、 南昌師范學(xué)院、 家禽遺傳改良江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 共同舉辦的“ 2025年動(dòng)物源食品科學(xué)與人類健康國(guó)際研討會(huì) ”，將于 2025年10月25-26日 在 中國(guó) 江西 南昌 召開。

長(zhǎng)按或微信掃碼進(jìn)行注冊(cè)

北京食品科學(xué)研究院、中國(guó)食品雜志社和全國(guó)糖酒會(huì)組委會(huì)將于2025年10月16-18日在江蘇省南京市南京國(guó)際博覽中心舉辦第113 屆全國(guó)糖酒會(huì)食品科技成果交流會(huì)。食品科技成果交流會(huì)期間舉辦食品科技成果展，本屆科技成果展以我國(guó)當(dāng)前食品產(chǎn)業(yè)科技需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)邀請(qǐng)“十四五”以來獲得國(guó)家和省部級(jí)重要科研項(xiàng)目支持產(chǎn)出的食品科技新成果、新技術(shù)、新產(chǎn)品參展，并針對(duì)企業(yè)技術(shù)需要開展精準(zhǔn)對(duì)接服務(wù)。

長(zhǎng)按或微信掃碼進(jìn)行注冊(cè)