FSHW | 中国谷物醋发酵生态系统微生物代谢相互作用及风味化合物形成的协同作用

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Introduction

山西老陈醋（SAV）是中国传统的谷物醋，主要以高粱为原料，通过固态发酵制成，发酵过程中有多种微生物自然参与。山西老陈醋在醋酸发酵过程中，会出现各种具有复杂生态关系的微生物，它们相互协作形成了醋的大部分风味物质。以往的研究通过依赖培养和不依赖培养的方法，探究了山西老陈醋固态发酵过程中的微生物群落结构，揭示了发酵过程中微生物的组成和演替。然而，基于微生物丰度的相关性分析和不同单菌株的共培养实验，对于揭示微生物之间的相互作用来说不够准确和全面。因此，有必要采用一种有效的方法，深入分析这种自然生态系统中的全局微生物相互作用。

本研究首次提出“谷物醋固态发酵过程中的微生物代谢相互作用”。为了阐明微生物代谢相互作用以及在风味化合物形成中的协同作用，结合发酵过程中微生物群落的元转录组信息，揭示了微生物的底物/代谢物转运情况。此外，基于利用数学计算模型计算得到的物种对代谢影响得分，构建了代谢影响网络，以深入探究中国谷物醋风味化合物形成过程中的微生物协同作用。

Results

微生物共现分析

基于斯皮尔曼相关性分析（∣ρ∣＞0.6，P＜0.05），构建了醋醅中相对丰度大于0.02%的物种之间的共现网络（图1）。在本研究构建的共现网中，平均聚类系数为0.666，连通分量数量为3，表明该网络具有模块化结构和良好的连通性。此外，乳杆菌属、片球菌属、醋杆菌属、乳球菌属、明串珠菌属、葡萄球菌属和芽孢杆菌属分别占总相互作用关系的59.15%、7.81%、7.17%、4.72%、3.15%、2.97%和2.33%。结果表明，大多数微生物之间存在正相关关系，这表明群落成员在山西老陈醋发酵过程中可能共享生态位空间。在山西老陈醋发酵过程中，由于乳杆菌属、醋杆菌属和片球菌属的丰度相对较高，大多数物质能够被消耗，从而抑制了开放生态系统中各种潜在腐败微生物的生长，确保了山西老陈醋的正常发酵和质量稳定。

图1网络分析揭示共现模式

代谢物运输网络构建

研究从微生物代谢角度构建了包含2271个反应、428种代谢化合物及100个物种的微生物代谢物转运网络（图2）。每个物种平均输入19.25种、输出16.92种化合物，如干酪乳杆菌和异常威克汉姆酵母代谢活性突出，戊糖乳杆菌和植物乳杆菌也对风味化合物形成贡献较大。糖类作为主要碳源，葡萄糖被84个物种利用，在底物中占比最高，果糖和麦芽糖次之。乳酸和乙酸是常见代谢产物，分别由64%和45%的物种产生。山西老陈醋的特征风味化合物中，乙酸、乙酸乙酯、苯甲醛和2,3-丁二酮主要由微生物代谢生成，且乙酸不仅是代谢产物，还可作代谢转运体，多种微生物在发酵过程中能利用它。另外，部分代谢产物如萜品醇、核黄素等，仅由少数特定物种产生，它们参与不同代谢途径，各类风味化合物共同造就了醋的独特风味。

图2微生物群的转运网络及其代谢产物

代谢相互作用网络构建

为分析醋醅中物种间代谢相互作用，研究计算了所有物种对的代谢影响得分，构建醋醅代谢影响得分前50物种（橙色边框）与其他物种的代谢相互作用网络（图3）。该网络含2294个关系，正向关系仅占6.58%。

图3代谢物数量的概率分布

拓扑性质分析

在山西老陈醋发酵过程中，每个物种都能直接或间接影响其他单个物种的生长和活力。微生物代谢相互作用网络表明（图4），微生物间正负代谢效应的累积效应对维持稳定的微生物生态系统至关重要。

图4代谢影响最大的前50种物种与其他物种之间的代谢相互作用网络

在复杂的微生物群体中，可通过计算每个微生物节点的中介中心性（BC）值识别关键代谢影响物种。基于BC的平均值，定义截断线为BC值大于0.0063，用于筛选网络中的关键代谢影响物种（图5）。结果显示，代谢影响排名前50的物种中，30%是关键微生物。其中，乳杆菌属占73.33%，是醋发酵中具有强大代谢控制能力的关键角色。戊糖乳杆菌节点的BC值最高（0.034），它不仅是醋发酵微生物代谢相互作用网络的核心物种，也是具有显著代谢影响的关键物种。

图5微生物代谢相互作用网络中微生物节点的BC

醋中的微生物群落可产生多种化合物，这些产物能揭示微生物如何通过代谢在醋发酵中发挥作用。对关键代谢影响物种的产物统计分析发现，产生比例最高的6种代谢产物是乳酸（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%）。这些物质可作为发酵生态系统中微生物的主要底物和产物，同时潜在地调节微生物群落，特别是乳酸和乙酸。

Conclusion

本研究全面揭示了山西老陈醋发酵中微生物的代谢相互作用。乳杆菌属、醋杆菌属和片球菌属是维持发酵生态系统稳定的关键属；葡萄糖、果糖和麦芽糖是主要底物，乳酸、醋酸和乙醇是主要代谢产物。微生物间正负代谢影响协同维持生态系统稳定，其中乳杆菌属在代谢控制中起核心作用，醋酸和乳酸的反馈调节作用显著。不过，研究存在一定局限性，目前实验数据多来自单菌株实验，与实际发酵环境有偏差，微生物代谢运输网络需更多原位实验完善。未来应加强原位研究，完善网络，为发酵食品行业发展提供更坚实的理论支持。

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.

翻译： 张庆芬（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意

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