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Abstract
游离氨基酸对食醋的感官和品质具有重要影响。游离氨基酸是食醋发酵过程中微生物的重要代谢产物之一，但其合成机制尚不明晰。本研究采用宏基因组学技术，解析了红曲米醋发酵过程中微生物群落的演替规律，在此基础上，进一步鉴定出与游离氨基酸合成相关的关键功能微生物。研究发现，红曲米醋发酵过程中共鉴定出14个优势属，对氨基酸代谢和碳水化合物代谢具有较高贡献度。基于宏基因组学结果，构建了游离氨基酸的生物合成途径，以及优势属在各个代谢途径中的分布。其中，醋酸杆菌属、乳酸杆菌属、梭状芽胞杆菌属、肠杆菌属和酵母菌属被鉴定出是红曲米醋发酵过程中的关键功能微生物，与游离氨基酸的合成密切相关。本研究结果阐明了红曲米醋发酵过程中与游离氨基酸合成有关的关键功能微生物，为进一步构建食醋的关键功能微生物群提供了理论参考。
Introduction
红曲米醋因其酸而不涩、香中带甜等独特的口感，深受消费者欢迎。游离氨基酸是食醋发酵过程中微生物的重要代谢产物之一，对食醋的感官和品质具有重要影响。此外，游离氨基酸还具有增强、改变或掩盖食品风味的作用，亦可作为挥发性化合物的中间体，进一步合成食醋的风味物质。
食醋的发酵过程是在开放环境下自发进行，因而其中的微生物种类繁多，菌落结构演替复杂，代谢通路多样。随着分子生物学技术的不断更新，宏基因组学手段在研究微生物的演替规律、探究特征代谢物形成机理、筛选功能微生物等方面发挥着重要的作用，为阐释微生物群落的代谢和功能潜力提供了有利的工具。
基于此，近年来国内外学者在发酵调味品等领域开展了微生物群落结构及功能性的解析，其结果对传统发酵食品中微生物的功能挖掘具有重要意义。但目前关于微生物代谢如何影响游离氨基酸的生物合成鲜有报道。因此，北京食品科学研究院张欣等采用宏基因组方法研究了红曲米醋发酵过程中微生物群落分布对游离氨基酸合成的影响，研究结果可为揭示红曲米醋发酵过程中功能微生物及游离氨基酸的生物调控提供理论依据。
Results and Discussion
理化指标分析
理化指标分析结果显示，醋酸发酵过程中总酸度迅速升高，在V4阶段达到4.534 g/100 mL。氨基酸氮、还原糖和可溶性无盐固形物含量在V1～V3阶段均呈上升趋势，但在V4阶段呈现下降趋势。乙酸含量随着发酵进程逐渐增加，发酵结束时达到2854.502 mg/100 mL。乳酸含量在整个发酵过程中呈下降趋势，由发酵开始时的1841.422 mg/100 mL降至发酵末期的797.795 mg/100 mL（图1）。
图1 红曲米醋发酵过程中理化指标（a）和主要有机酸（b）的动态变化
游离氨基酸分析
图2展示了不同发酵时期游离氨基酸含量的变化，其含量由发酵初期的114.294 mg/100 mL增加至发酵末期的897.382 mg/100 mL。在发酵过程中，谷氨酸、丙氨酸、精氨酸和亮氨酸含量较高，约占总游离氨基酸的50%。
微生物群落组成分析
在门水平上，厚壁菌门、变形菌门、子囊菌门、担子菌门和毛霉菌门为优势菌门。在属水平上，共鉴定出14个优势属，包括乳酸杆菌属、醋酸杆菌属、梭状芽孢杆菌属、肠杆菌属、明串珠菌属、克雷伯氏菌属、片球菌属、酵母菌属、横梗霉属、毕赤酵母属、曲霉属、红曲霉属、丝衣霉属和异常威克汉姆酵母属。分型分析结果将整个发酵阶段分成了两种类型，类型1 包括V1和V2阶段，类型2 包括V3和V4阶段（图3）。
代谢途径分析
宏基因组数据经过滤和处理后，将非冗余基因在KEGG数据库中进行比对，获得对应的注释概况并进行统计。结果表明大多数基因参与代谢途径，且主要与碳水化合物代谢和氨基酸代谢有关（图4a）。此外，乳酸杆菌属、醋酸杆菌属和酵母菌属主要贡献碳水化合物和氨基酸的代谢活动。如图4b-c所示，乳酸杆菌属、醋酸杆菌属和酵母菌属对碳水化合物代谢途径的贡献分别为43.12%～73.75%、10.60%～45.54%和72.29%～88.58%，对氨基酸代谢途径的贡献分别为29.28%～69.21%、15.44%～61.63%和73.38%～88.28%。
图4 （a）红曲米醋发酵过程中代谢途径富集；（b）优势细菌属对主要代谢途径的相对贡献；（c）优势真菌属对主要代谢途径的相对贡献
氨基酸合成代谢网络构建
通过参考KEGG数据库，并根据非冗余基因编码的酶和发酵过程中检测到的游离氨基酸构建代谢途径。如图5所示，原料中的大分子物质（蛋白质、淀粉）通过一系列酶的作用合成各种游离氨基酸和一些风味前体物质。
氨基酸合成途径的主要贡献微生物
基于重构的代谢途径，进一步评估了不同微生物在底物降解、氨基酸合成及风味前体物质合成途径中的分布（图6）。结果显示，乳酸杆菌属、梭状芽胞杆菌属、克雷伯菌属、明串珠菌属、片球菌属和酵母属是底物降解途径中的主要贡献微生物，表明这些微生物具有较强的底物分解潜力。醋酸杆菌属、乳酸杆菌属、梭状芽胞杆菌属、肠杆菌属和酵母菌属与氨基酸合成密切相关。酵母菌属、醋酸杆菌属、梭状芽孢杆菌属、曲霉属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属、乳酸杆菌属、明串珠菌属、横梗霉属和片球菌属主要贡献风味前体物质的合成。
Conclusion
本研究结果阐明了红曲米醋发酵过程中的特征指标变化及微生物群落演替规律。同时，基于宏基因组分析，构建了游离氨基酸的生物合成途径，揭示了不同代谢途径中微生物的分布。其中，醋酸杆菌属、乳酸杆菌属、梭状芽胞杆菌属、肠杆菌属和酵母菌属被鉴定出是红曲米醋发酵过程中的关键功能微生物，与游离氨基酸的合成密切相关。本研究结果筛选出了红曲米醋发酵过程中与游离氨基酸合成有关的关键功能微生物，为进一步构建食醋的关键功能微生物群提供了理论参考。
第一作者
高航，北京食品科学研究院工程师，主要从事传统酿造食品领域相关研究工作，重点围绕传统酿造食品优良菌种选育与过程调控、关键菌种的功能分析与发酵机理解析、风味形成机制与调控等方面开展研究，先后主持并参与院级课题、国家自然基金、“十三五”国家重点研发计划、北京市博士后基金项目等工作。近五年来，发表科技论文11篇，其中SCI/EI收录8 篇。获首农集团优秀青年论文三等奖、青少年科技创新大赛优秀辅导教师、十佳青年等多项奖励。
通信作者
张欣，博士，高级工程师，现就职于北京食品科学研究院酿造科学与工程研究部，从事食品微生物与酶学研究，在传统酿造食品、西式发酵食品、生物活性物质研究等方面取得多项成果。主持或参加“十三五”国家重点研发计划、国家自然科学基金、工程院战略咨询项目等10余项。累计发表科技论文20余篇，参与制定国际标准1项。
Metagenomic analysis revealing the metabolic role of microbial communities in the free amino acid biosynthesis of Monascus rice vinegar during fermentation
Hang Gaoa, Jian Zhanga, Li Liua, Lijun Fua, Yan Zhaoa, Germán Mazzab, Xin Zhanga,*
a Beijing Academy of Food Sciences, 100068 Beijing, China
b Institute for Research and Development in Process Engineering, Biotechnology and Alternative Energies, (PROBIEN, CONICET-UNCo), 8300 Neuquén, Argentin
*Corresponding author.
Abstract
Free amino acid (FAA) is the important component of vinegar that influences quality perception and consumer acceptance. FAA is one of the major metabolites produced by microorganisms; however, the microbial metabolic network on FAA biosynthesis remains unclear. Through metagenomic analysis, this work aimed to elucidate the roles of microbes in FAA biosynthesis during Monascus rice vinegar fermentation. Taxonomic profiles from functional analyses showed 14 dominant genera with high contributions to the metabolism pathways. The metabolic network for FAA biosynthesis was then constructed, and the microbial distribution in different metabolic pathways was illuminated. The results revealed that 5 functional genera were closely involved in FAA biosynthesis. This study illuminated the metabolic roles of microorganisms in FAA biosynthesis and provided crucial insights into the functional attributes of microbiota in vinegar fermentation.
Reference:
GAO H, ZHANG J, LIU L, et al. Metagenomic analysis revealing the metabolic role of microbial communities in the free amino acid biosynthesis of Monascus rice vinegar during fermentation[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(4): 2317-2326. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250193.
本文编译内容由作者提供
编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇
封面图片来源：图虫创意