FSHW | 通过云计算分析揭示植物乳杆菌发酵辣椒酱中的味觉活性代谢物

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2024年1月26日，川渝共建特色食品重庆市重点实验室，西华大学发酵调味品科学与工程团队在国际TOP食品期刊Food Science and Human Wellness发表题为“Discovery of taste-active metabolites in Lactobacillus plantarum-fermented chili sauce via web-based computational analysis”的研究性论文。该文第一作者为硕士研究生王家琦，通信作者为吴韬教授。

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Introduction

辣椒酱，又称为辣酱，以其引人注目的色泽和辛辣口味而风靡全球，然而传统生产工艺存在质量稳定方面的挑战。本研究中，使用植物乳杆菌（LP）菌株进行发酵，旨在解决产品质量和感官属性的稳定性问题，同时提高风味。食品成分的味觉属性对消费者偏好和购买行为至关重要，如甜味提升整体口感，而酸味则增加辣味，提升辣椒酱的风味。由于辣椒酱的复杂性，传统实验评估代谢物的味道特性耗时费力。近年来，结合食品科学与云计算工具的方法为代谢物结构特征的探索提供了新途径。

食品的味觉属性，包括甜味、苦味、酸味、鲜味和咸味，在塑造消费者偏好和购买行为方面发挥着关键作用。例如，甜味能够提升食物整体口感，而酸味则有助于增加辣味，提升辣椒酱的风味。然而，由于辣椒酱的复杂性，传统实验方法评估这些代谢物的味道特性既耗费人力物力，又占用大量时间和资源。近年来，食品科学结合云计算工具，引入了创新方法，推动对代谢物结构特征的深入探索。食品组学研究通常利用内部或公共数据库进行未知代谢物的注释。然而，必须认识到这种方法存在固有的局限性，包括数据库容量有限，无法涵盖所有可能的代谢物，以及可能出现匹配错误或搜索失败的情况。因此，在给定的分析框架内实现未知代谢物的全面覆盖和准确鉴定是当前面临的主要挑战。

该研究采用了基于超高效液相色谱法的非靶向代谢组学方法，结合FBMN工具，对不同发酵持续时间内的辣椒酱进行了研究。随后，使用基于机器学习的Virtual Taste工具对已识别的关键代谢物的味觉活性进行了评估。这种综合方法提高了筛选味觉活性代谢物的效率，并有助于对参与发酵过程的代谢物进行系统比较分析。研究结果为确保辣椒酱加工的质量控制提供了宝贵的见解和可靠的数据支持。

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Results and Discussion

在正电喷雾电离（ESI+）模式下，鉴定出的分子家族主要包括脂肪酸、鞘脂、类胡萝卜素和氨基酸。而在负电喷雾电离（ESI-）模式下，发现的分子族主要包括糖苷类、类黄酮和氧化脂肪酸。通过人工去重和合并的处理，作者在GNPS数据库中成功注释了205 种代谢物。这些代谢物被归为12大类，包括氨基酸、酚类、生物碱、酸类、萜类、黄酮类、脂类、酮类、酯类、糖类、维生素和其他分类成分。值得注意的是，其中许多代谢物在辣椒酱中尚未被报道。然而，约70%的节点仍未确定，突显了辣椒酱中代谢成分的复杂性。

图1 主要代谢物类别的分子网络分析

为了直观地显示这些成分的动态变化，作者生成了一张热图（图 2），利用颜色梯度（从蓝色到红色）来表示从低到高的相对含量变化。ClassyFire 是一种基于网络的结构分类软件。这种分类和化合物描述不仅增强了我们对化学的理解，还强化了化学、味道形成和生物活性之间的相关性。

图2 不同发酵时间辣椒酱中差异代谢物的热图比较

在这项研究中，使用了VirtualTaste工具对33 种不同成分的味道属性进行了评估。其中包括精氨酸、D-异亮氨酸、谷氨酰胺、异亮氨酸、L-5-氧代脯氨酸、苯丙氨酸、琥珀酸、山奈酚-7-O-脱氧己糖苷、二氢鞘氨醇、植物鞘氨醇、儿茶酚和异麦芽糖。此外，我们还发现了与酸味相关的9　种代谢物，包括2-羟基-4-甲基戊酸、3-苯基乳酸、D-山梨糖酸、葡萄糖酸、乳酸、3-（4-羟基苯基）-乳酸、脂肪酸、十七酸和反式-4-香豆酸。最后，确认了与苦味相关的9 种代谢物，包括茶碱、环（脯氨酸-亮氨酸）、酪氨酸、木犀草素、腺苷、苯胺、胆碱、庚二酸和6,7-二羟基香豆素。

另外，辣椒酱的独特风味主要得益于其生物碱，尤其是辣椒碱。研究观察到LP发酵对辣椒中辣椒碱总含量没有显著影响，这表明它不会影响辣椒酱的辣味。这一发现增进了对LP发酵辣椒酱、其风味特征以及在其感官属性中发挥重要作用的特定味觉活性代谢物的了解。

最后，本研究强调了丝氨酸（C00065）作为前体在二氢鞘磷脂（C00836）和植物鞘磷脂（C12144）生物合成中的关键作用（图3）。这些鞘脂对信号转导、细胞生长和细胞凋亡等细胞功能至关重要。鞘磷脂的生物合成涉及与各种前体分子的酶促反应，而丝氨酸在这一过程中发挥着特别重要的作用。因此，丝氨酸的可用性极大地影响了鞘磷脂生物合成的效率，进而影响味觉。此外，还确定了两条代谢途径作为芳香族氨基酸（AAA）代谢的关键途径，包括苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸代谢。

图3　发酵辣椒酱中差异代谢物的途径分析

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Conclusion

代谢组学技术与云计算工具的整合显著推动了辣椒酱中味觉活性成分的鉴定，有助于更有效地预测和了解发酵辣椒酱中化合物的味觉特征。在这项研究中，成功鉴定了二氢鞘氨醇、异亮氨酸、植物鞘氨醇、乳酸和葡萄糖酸等作为发酵辣椒酱中主要的味觉活性代谢物。此外，代谢途径富集分析进一步支持了本研究结果，揭示已鉴定的味觉活性代谢物主要参与了氨基酸tRNA生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸生物合成和鞘脂代谢等基本生化途径。这些见解深化了对与辣椒酱味觉特征相关的潜在生化过程的理解。本研究的发现为辣椒酱生产领域的进一步研究和开发铺平了道路，为定制风味特征和改善感官体验提供了新的可能性。

Discovery of taste-active metabolites in Lactobacillus plantarum-fermented chili sauce via web-based computational analysis

Jiaqi Wanga, Sen Meia, Chi Jina, Muhammad Aamer Mehmoodb, Qing Zhanga, Weili Lia,*, Tao Wua,*

aFood Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chongqing Key Laboratory of Speciality Food Co-Built by Sichuan and Chongqing, Xihua University, Chengdu 610039, China

bDepartment of Bioinformatics and Biotechnology, Government College University, Faisalabad 38000, Pakistan

*Corresponding authors.

Abstract

The utilization of Lactobacillus plantarum (LP) in chili sauce production is well-known for its capacity to enhance product quality and sensory attributes. However, there is still limited knowledge regarding the taste-active metabolites in the sauce. To bridge this gap, our study employed metabolomics and web-based computational tools to investigate the dynamic changes of taste-active metabolites during chili sauce fermentation. By leveraging the advantages of the feature-based molecular network (FBMN), we conducted a rapid annotation of metabolites, successfully identifying 205 metabolites, a considerable portion of which were previously unreported. Through the utilization of the VirtualTaste tool, we identified dihydrosphingosine, lactic acid, isoleucine, phytosphingosine, and gluconic acid as potential taste indicators for quality control. Pathway enrichment analysis further supported their primary involvement in key biochemical pathways, including amino acid tRNA biosynthesis, phenylalanine, tyrosine, tryptophan biosynthesis, and sphingolipid metabolism. This investigation provides valuable insights into the underlying mechanisms contributing to the distinctive flavor profile of chili sauce.

Reference:

WANG J Q, MEI S, JIN C, et al. Discovery of taste-active metabolites in

Lactobacillus plantarum

via

本文编译内容由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意