对穆拉水牛牛奶酸奶进行的时间分辨代谢组学研究揭示了发酵和储存过程中代谢物的动态变化,并对其生物活性潜力提供了见解

《Food Chemistry》:Time-resolved metabolomics of Murrah buffalo milk yoghurt reveals fermentation- and storage-dependent metabolite dynamics with insights into bioactive potential

【字体: 时间:2026年01月28日 来源:Food Chemistry 9.8

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  本研究采用LC-MS/MS代谢组学分析穆拉赫水牛酸奶发酵及冷藏(0至28天)过程中173种代谢物的动态变化,揭示关键代谢物(VIP>1)如3-苯基乳酸、环丙基-缬氨酸的阶段性差异,并探讨其潜在抗氧化、降血压和降血糖活性,为功能性乳制品开发提供依据。

  
Muzammeer Mansor|Tan Jen Kit|Jameel R. Al-Obaidi|Jinap Selamat|Ahmad Faizal Abdull Razis|Alfi Khatib|Nuzul Noorahya Jambari
马来西亚普特拉大学热带农业与食品安全研究所食品安全与食品完整性实验室,43400 UPM Serdang,雪兰莪州,马来西亚

摘要

本研究采用基于LC–MS/MS的代谢组学方法,分析了发酵和储存过程中(原始状态、0小时至28天)的生化变化。共鉴定出173种代谢物,其中172种表现出显著的差异表达(p值调整后<0.05),主要涉及有机酸、脂肪酰基、生物碱、核酸和碳水化合物。PLS-DA分析显示,这些代谢物存在明显的时间依赖性聚类现象,其中88种代谢物的VIP值大于1。在发酵初期(0-48小时),3-苯基乳酸和环丙基苏氨酸等代谢物的水平升高,表明发酵活动活跃;而7天后出现了与变质相关的化合物如N-甲酰甲硫氨酸。途径富集分析表明嘌呤、烟酸和氨基酸代谢发生了变化。包括琥珀酸、苏氨酸、苯乙醛、3-苯基乳酸、环丙基苏氨酸和拉芬糖在内的多种代谢物表现出显著的时间变化,这些变化与酸奶成熟过程中的关键生化过程相关。

引言

发酵乳制品在全球范围内广泛消费,不仅因其感官特性和营养成分而受到重视,还因其促进健康的特性而受到青睐,尤其是当使用益生菌发酵时(Fisberg & Machado, 2015)。其中,酸奶是研究最深入且商业价值最高的乳制品之一(Rashwan et al., 2023)。虽然酸奶传统上是由牛奶制成的,但其生产已扩展到包括水牛奶等其他物种的牛奶。特别是穆拉水牛奶,在南亚和东南亚地区因其高脂肪、高蛋白质和高矿物质含量而备受推崇,这些成分使得酸奶具有更好的奶油口感、更高的营养价值和功能性(Tsuji et al., 2022; Vargas-Ramella et al., 2021)。除了优质的牛奶成分外,水牛作为牲畜还具有多项优势,尤其是在热带和亚热带地区。它们能更好地适应炎热潮湿的环境,对劣质饲料和有限的水资源有更强的耐受性(Minervino et al., 2020)。这种适应性使它们能够在其他牲畜难以生存的边缘农业区繁衍生息。此外,水牛对许多地方性疾病和寄生虫感染具有很强的抵抗力,从而减少了对兽医干预的依赖,降低了维护成本(Mohd Azmi et al., 2021)。它们高效的饲料转化率和利用纤维质低级饲料的能力提高了其在资源受限环境中的经济可行性。由于体型较大且生理结构强健,穆拉水牛等品种的产奶量显著高于山羊,在最佳条件下甚至可能超过某些奶牛品种(Kumar et al., 2019; M. Li et al., 2020)。这些特性使得水牛成为应对气候压力、饲料短缺和不断变化的食品安全需求的可持续且适应性强的乳制品生产选择(Sahu et al., 2024)。
尽管消费者对水牛奶酸奶的兴趣日益增加,但关于冷藏过程中导致代谢物动态变化的生化机制仍知之甚少。尽管早期研究主要集中在微生物稳定性(Celik & Temiz, 2020)、质地(Lutfiye et al., 2017)和感官品质(Emirmustafao?lu et al., 2020)方面,但很少有研究探讨冷藏期间发生的代谢组学变化。传统上认为冷藏是一个代谢休眠期(Mani-López et al., 2014),但现在认识到冷藏是一个持续的生化活动阶段,低温下的微生物代谢和酶促反应会分解蛋白质、脂质和碳水化合物(Hong et al., 2020)。这些转化会产生多种代谢物,从有益健康的γ-氨基丁酸(GABA)和短链脂肪酸到潜在的变质指标如醛类和氧化脂质(Hussin et al., 2021; Vaseghi Bakhshayesh et al., 2024)。
高通量分析工具(如液相色谱-串联质谱仪LC–MS/MS)的进步使得能够对复杂的乳制品基质进行无目标代谢组学分析,提供了小分子动态的全面视图。这种基于代谢组学的方法通过识别与变质、发酵活性和营养变化相关的潜在生物标志物,为后发酵过程提供了宝贵的见解。多项利用LC–MS/MS进行无目标代谢物分析的研究表明,酸奶代谢物谱型受到牛奶种类(Vaseghi Bakhshayesh et al., 2024)、LC–MS与1H NMR结合评估益生菌酸奶对动物和人类肠道健康的影响(Chatelaine et al., 2021; Pimentel et al., 2018)以及LC–MS分析希腊酸奶酸乳清中微生物培养对代谢组的影响(等)等因素的影响。其他研究还评估了通过添加天然化合物来增强酸奶性能和功能的效果,例如使用尼辛作为生物防腐剂(Wee et al., 2024)和未成熟木瓜皮粉来提升酸奶的生物活性(Lal Bajya et al., 2024)。
鉴于穆拉水牛奶独特的成分——其脂肪、蛋白质和矿物质含量高于牛奶或山羊奶——以及其在区域乳制品产业中的重要性,研究其冷藏过程中的代谢物谱型变化至关重要。了解这些分子层面的变化对于酸奶等发酵乳制品尤为重要,因为后发酵期的生化转化持续影响产品质量、营养价值和保质期稳定性。近年来,已有许多基于生物标志物的研究针对其他物种的牛奶和酸奶展开。例如,研究人员发现了与酸奶酸化后稳定性相关的生物标志物(Pei et al., 2025)、具有功能或营养意义的内源性肽(Ning et al., 2022),以及可用于鉴定、检测掺假物和区分牛奶种类的代谢物特征(Kandasamy et al., 2024)。虽然LC–MS/MS可以提供全面的代谢物清单,但它无法确认这些代谢物的生物活性。为了解决这一局限性,分子对接作为一种计算机模拟工具,将化学组成与生理功能联系起来。通过模拟代谢物与特定治疗靶点之间的原子级相互作用,对接可以预测结合亲和力和机制,从而支持所识别化合物的潜在健康促进作用。类似的综合方法也应用于代谢组学和肽组学研究,例如评估奶酪中的ACE抑制肽(Zhang et al., 2024)以及评估植物提取物中的抗糖尿病、抗氧化和抗高血糖代谢物(Lestari et al., 2024; Misran et al., 2025; üst et al., 2024; Wang, Su, et al., 2022; Wang, Yang, et al., 2022)。
这些研究显著提高了我们对乳制品基质在分子层面的理解。然而,尽管穆拉水牛具有独特的理化特性和潜在的健康益处,但针对其的研究仍然较少。现有研究大多集中在pH值、微生物活力或近似成分等较宽泛的参数上,而忽略了储存期间发生的复杂生化变化。更深入地探索这些变化可能会发现有价值的潜在生物标志物,用于预测变质、优化储存条件、确保质量控制,甚至通过有针对性的加工策略提升水牛奶酸奶的功能性。因此,本研究旨在利用无目标LC–MS/MS技术,研究穆拉水牛奶酸奶在冷藏过程中的动态代谢组学变化。通过识别代谢物丰度的时间模式、表征富集的代谢途径和分离关键区分化合物,本研究旨在绘制水牛奶酸奶后发酵期的生化图谱,从而对其产品稳定性、安全性和功能价值提供参考。

部分内容摘录

牛奶样本采集与制备

在雪兰莪州Semenyih的一家商业农场,从至少十头处于泌乳中期的水牛那里收集了原始穆拉水牛奶作为混合样本。进行混合是为了减少个体生物变异,确保样本的代表性。牛奶在冷藏(4°C)条件下运输到实验室。在制备酸奶之前,将原始牛奶在水浴中加热至55°C,并使用FT15分离脱脂奶和奶油

通过LC–MS/MS鉴定代谢物

共鉴定出173种代谢物,其中172种在所有样本组中表现出差异表达。其中98种在正离子化模式下被鉴定,74种在负离子化模式下被鉴定(表S1和S2)。这些差异表达的代谢物涵盖了多种化学类别,其中有机酸最丰富(24.4%),其次是脂肪酰基(19.2%)、生物碱(14.5%)、核酸(14.5%)和碳水化合物(8.1%)

结论

本研究利用无目标LC–MS/MS分析,阐明了穆拉水牛奶酸奶在发酵和冷藏过程中的代谢组学变化。共鉴定出173种代谢物,其中88种化合物的区分能力较高(VIP值大于1),反映了与微生物活性、蛋白质水解、碳水化合物分解和脂质代谢相关的不同生化阶段。

CRediT作者贡献声明

Muzammeer Mansor:撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。Tan Jen Kit:撰写修订稿、验证结果、软件应用、资源协调、方法设计、数据分析、数据整理。Jameel R. Al-Obaidi:研究监督、资源提供。Jinap Selamat:研究监督、资源协调、资金争取、概念构思。Ahmad Faizal Abdull Razis:研究监督、资源提供。Alfi Khatib:研究监督、资源提供。Nuzul Noorahya Jambari:撰写部分内容

资助

本研究由马来西亚高等教育部通过跨学科研究计划(TRGS/1/2020/UPM/01/4/3/5536002)资助。

未引用参考文献

Huang et al., 2022
Jia et al., 2021
Karlsson et al., 2019

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢马来西亚国民大学(UKM)生物化学系Omics实验室在LC–MS/MS分析方面的协助,同时也感谢普特拉大学食品科学与技术学院及热带农业与食品安全研究所(ITAFoS)的支持和提供的资源。
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