APPS | 干虾贮藏期间微生物群落演替及其与挥发性成分动态的相关性

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Introduction

干虾作为全球受欢迎的水产品，因营养丰富、口感佳而受青睐，但贮藏期间易发生风味劣变，严重影响产品品质与商业化价值。此前研究发现，干虾异味劣变与贮藏过程中微生物活动密切相关，且虾体不同部位贡献存在差异—虾头内脏是异味劣变的主要来源，其含有的微生物会分解蛋白质、合成氨基酸代谢产物（如苦味氨基酸脱氨基产物），而去除虾头内脏的样品在20 d贮藏期内仍能保持新鲜且无异味，虾肉中总活菌数仅达2.41（lg（CFU/g））。

然而，目前对导致干虾异味的特定微生物及关键异味化合物（KOFCs）的认知仍不明确。虾头结构复杂，活体时可保护虾体抵御生物、物理及化学胁迫，死后却成为微生物生长的主要营养源（活体虾头微生物占比达50%～80%），且虾内脏（如肠道、肝脏）是重要微生物库，与海鲜腐败相关。但现有研究多聚焦于虾的生长阶段、新鲜全虾及虾头的腐败微生物，对加工品（如干虾）内脏的研究较少。同时，挥发性化合物是贮藏期食品品质的重要指标，虽有研究指出虾头内脏与干虾香气相关，且加工过程中细菌及其代谢物会影响香气前体，但贮藏期间微生物与挥发性风味化合物（VFCs）对干虾品质的影响尚未被深入探究。

基于此，本研究采用Illumina MiSeq测序和顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术，分析干全虾（DW）、干虾肉（DM）和干虾头（DH）的微生物群落与挥发性化合物；结合气味活性值（OAV）与正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）筛选关键异味化合物；通过Pearson相关性分析揭示微生物群落演替与挥发性成分动态的潜在关联，旨在为干虾品质提升提供理论依据。

Results and Discussion

干虾不同部位贮藏期间的微生物多样性与群落演替

α-多样性变化：对27个干虾样品的16S rRNA基因V3-V4区测序，获得687349条有效序列。DH和DW组的观测OTUs、Chao1、ACE等群落丰富度指数及Shannon多样性指数，在贮藏0 d显著低于10 d和20 d，10～20 d趋于稳定；而DM组的上述指数随贮藏时间延长显著下降，最终观测OTUs为645、Shannon指数为3.058。三组样品微生物群落多样性排序为DH＞DW＞DM，且所有样品Good’s覆盖率均≥99.7%，稀释曲线趋于平缓，表明测序结果可靠。

群落组成演替：门水平上，DH组各阶段均以发光菌门（Photobacteria，42.58%～52.28%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和放线菌门（Actinobacteriota）为主；DM组各阶段均以厚壁菌门（Firmicutes，57.28%～88.73%）为主；DW组贮藏初期厚壁菌门占比39.69%，后期发光菌门成为优势菌（最终占比52.78%），且DH组的发光菌门、拟杆菌门和放线菌门丰度显著高于DW组（P＜0.05），说明这三类菌主要来源于虾头。

属水平上：DH组初期以Taeseokella（12.15%）为主，贮藏20 d后发光菌属（Photobacterium）和弧菌属（Vibrio）成为优势属，总占比约15.82%；DW组初期以芽孢杆菌属（Bacillus，38.17%）为主，后期发光菌属（18.14%）和弧菌属（6.87%）丰度显著上升（P＜0.05），芽孢杆菌属丰度下降；DM组各阶段均以葡萄球菌属（Staphylococcus，13.02%～88.62%）为主，腐败菌（如发光菌属）含量极低。聚类热图显示，含虾头内脏的DW（0～20 d）和DH（0～20 d）聚为一类，DM（0～20 d）单独聚类，证实虾头内脏固有微生物是干虾贮藏期微生物的主要来源。

功能预测：通过PICRUSt2预测细菌功能，发现氨基酸代谢、碳水化合物代谢和脂质代谢是影响干虾风味的关键通路。DM组碳水化合物代谢随贮藏时间增强，氨基酸代谢减弱；DW和DH组各阶段均以氨基酸代谢为主。相关性分析显示，厚壁菌门的葡萄球菌属与碳水化合物代谢呈负相关（r＝-0.883），发光菌门的发光菌属与氨基酸代谢呈正相关（r＝0.690），这一差异可能导致三组样品风味物质动态变化不同。

图1 虾干贮存期间微生物多样性及组成

干虾不同部位贮藏期间的风味演变与关键异味化合物筛选

挥发性化合物（VFCs）变化：共检测到109种挥发性化合物，包括19种含氮化合物、13种酮类、16种醛类等，其中DW、DH、DM组分别检测到91、94、66种。DH和DW组的VFCs种类与含量随贮藏时间显著增加（P＜0.05），贮藏20 d DH组VFCs总量达26388.80 ng/g，DW组达14624.10 ng/g；而DM组VFCs含量始终较低且变化不显著。新鲜样品中烃类占比最高（DM组65.42%、DW组63.16%、DH组30.34%），但烃类对干虾风味贡献较小；贮藏后期DH和DW组的烃类、含氮化合物及醛类、酮类含量显著上升，与感官变化趋势一致。

关键异味化合物（KOFCs）筛选：结合OAV（＞1）与OPLS-DA（VIP＞1），共筛选出39种KOFCs，包括8种含氮化合物（6种吡嗪、2种胺）、6种酮类、9种醛类等。DH和DW组各检测到39种KOFCs，DM组检测到32种。DH组OAV总和（360.69～2314.51）最高，DW组次之（298.30～1524.87），DM组最低（205.74～229.15）。其中3-乙基-2,5-二甲基吡嗪（DW和DH组OAV分别为525.49、607.11）和己醛（DW和DH组OAV分别为205.394、432.645）是主要风味贡献者。此外，首次在DW和DH组检测到氨基甲酸铵（保留时间3.68 min），推测其可能是干虾氨味异味的新来源，且该物质在DM组未检出。

图2 挥发性化合物分析

图3 37 ℃条件下虾干样品VFC OAV值的聚类热图

图4 根据VFC浓度对虾干样品进行多元统计分析

微生物群落与挥发性化合物的相关性

为探究干虾样品中微生物与挥发性物质的关系，本研究选取了丰度排名前10的细菌群落及39种关键异味化合物（KOFCs，满足气味活性值OAV＞1且变量投影重要性VIP＞1），并通过Pearson相关性分析建立了二者在干虾贮藏期间的关联。Pearson相关性分析显示，所有 KOFCs均与细菌存在关联。DW和DH组的优势菌—发光菌属（Photobacterium）与35种KOFCs呈正相关，是导致干虾风味劣变的主要腐败菌；弧菌属（Vibrio）与多数KOFCs呈正相关（P＜0.05），二者均能产生大量H₂S、三甲胺（TMA）及挥发性化合物。而DM组的优势菌—葡萄球菌属与关键挥发性成分呈负相关，推测其可通过降解胺类、降低pH抑制有害微生物，减少腐败风险，这也解释了DM组贮藏期间风味变化不显著的原因。此外，丙酸杆菌属（Propionigenium）、芽孢杆菌属（Bacillus）和寒冷杆菌属（Brumimicrobium）也与某些烃类化合物存在相关性。芽孢杆菌属还可能通过产生有机酸降低pH以保障产品安全，但丙酸杆菌属、寒冷杆菌属与风味的关联仍需进一步研究。

图5 主要气味剂浓度和倍数变化的热图

图6 基于Pearson相关性的优势菌属和关键风味物质的热图

Conclusion

本研究探究了干虾头（DH）、干虾肉（DM）和干全虾（DW）贮藏期间微生物群落演替与挥发性风味化合物（VFCs）动态的相关性，主要结论如下：

虾头的存在显著影响干虾微生物群落结构与风味品质：DW初期以芽孢杆菌属为主，DH初期以Taeseokella为主，贮藏后期二者均被发光菌属和弧菌属取代；而DM组各阶段均以葡萄球菌属为主。

随微生物群落演替，DW和DH组的挥发性风味化合物种类与含量显著增加，DM组无显著变化；共筛选出39种关键异味化合物（KOFCs），其中首次在干虾中发现氨基甲酸铵，推测其为氨味异味的新贡献者。

Pearson相关性分析证实，发光菌属和弧菌属与KOFCs呈正相关，是导致干虾风味劣变的主要微生物；葡萄球菌属与KOFCs呈负相关，可能具有抑制异味产生的作用。

本研究为干虾腐败菌分离、生物防腐剂开发及贮藏保鲜策略优化提供了理论基础，后续可通过接种关键腐败菌株结合代谢组学，进一步探究其对干虾挥发性与非挥发性成分的影响。

Insights into microbiota community succession and its correlation with the dynamics of volatile components in dried shrimp during storage

Yan Bai1, Huanchi Tang1, Yanbo Wang2, Zhigang Ke1, Shulai Liu1, Yuting Ding1,3, Xuxia Zhou1*

1 Key Laboratory of Green, Low-Carbon and Efficient Development of Marine Fishery Resources, College of Food Science and Technology, National R&D Branch Center for Pelagic Aquatic Products Processing (Hangzhou), Zhejiang University of Technology, Hangzhou, 310014, China

2 Beijing Technology and Business University, Beijing, 100048, China

3 Food Science Research Institute of Zhangzhou, Zhangzhou, 363000, China

*Corresponding author.

Abstract

Dried shrimp odour deterioration is closely linked to microbial metabolism in various body parts, especially the cephalodorax viscera. However, the microorganisms responsible for this process and the key off-flavor compounds (KOFCs) remain poorly understood. This study examined the microbial and flavor characteristics of head (DH), meat (DM), and whole shrimp (DW). Bacillus (38.17%) and Taeseokella (12.14%) predominated in DW and DH at the initial stage, respectively, but were replaced later by Photobacterium (DW: 18.14%, DH: 10.15%) and Vibrio (DW: 6.87%, DH: 5.68%). As microbiota dynamics evolved, the types and concentrations of volatile compounds increased in both DW and DH but not in DM, which was dominated by Staphylococcus at all stages. A totaly of 39 KOFCs were found to differentiate the 3 groups, among which ammonium carbamate was first identified in dried shrimp. Further correlation analysis showed that Photobacterium and Vibrio in the cephalodorax viscera were the primary microorganisms causing flavor deterioration. This work offers novel perspectives on the mechanisms underlying shrimp deterioration.

Reference:

Bai, Y., Tang, H., Wang, Y. et al. Insights into microbiota community succession and its correlation with the dynamics of volatile components in dried shrimp during storage. Agric. Prod. Process. Sto. 1, 23 (2025). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00027-3

翻译：张庆芬（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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