《Food Research International》：Volatile metabolomics and Metaproteomics reveal key flavor formation mechanisms in mixed-culture fermented Rice slurry
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自然发酵米面条风味不稳定，本研究采用接种发酵结合时间分辨挥发性代谢组学和蛋白质组学，发现接种显著提升风味稳定性并重塑挥发性谱系，其中萜烯、酯类、醇类和酮类为主要贡献者，2-甲基苯甲醛和苯乙醛分别增加1.42-和2.80倍。KEGG富集分析显示苯丙氨酸代谢为核心途径，蛋白质组学揭示羧基裂解酶和醛脱氢酶等关键酶的动态表达调控了风味物质生成。
任园园|雷英杰|何瑞|傅瑾|马丁|钟庚
中国重庆市西南大学食品科学学院，邮编400715
摘要
自然发酵的米粉因其独特的风味而备受推崇，但由于发酵过程难以控制且相关机制尚不完全清楚，其感官品质往往不够稳定。本研究采用接种发酵技术来提升风味稳定性，并结合时间分辨的挥发性代谢组学和蛋白质组学方法，以鉴定关键风味化合物并阐明其代谢途径。与自然发酵和未发酵对照组相比，接种发酵显著增强了米粉的挥发性风味特征。挥发性代谢组学分析显示，萜类、酯类、醇类和酮类是风味提升的主要贡献者，其中2-甲基苯甲醛和苯乙醛的含量分别增加了1.42倍和2.80倍。京都基因与基因组百科全书（KEGG）的富集分析表明，苯丙氨酸代谢是驱动风味形成的核心途径。蛋白质组学分析进一步揭示了羧基裂解酶和醛脱氢酶等酶的动态变化，这些酶促进了苯丙氨酸向芳香风味化合物的转化。本研究阐明了米粉风味形成的酶学和代谢基础，为精确的风味调控和工业化优化提供了潜在靶点。
引言
米粉作为一种天然无麸质食品，由于其便捷性、高消化率和顺滑的口感，在亚洲和全球健康食品市场中需求迅速增长（Du等人，2025年；Zainab等人，2024年）。然而，风味作为消费者接受度的关键因素，却因受原材料质量和加工条件的影响而变化较大。使用陈年大米（储存1-3年）可以改善米粉的拉伸和剪切性能，但长期储存会导致香气丧失、口感变差和营养成分降解（Yi等人，2020年；Zhang等人，2025年）。为了克服这些限制并开发具有更鲜明感官特性的米粉产品，近期研究越来越多地采用新鲜大米作为原料。特别是，新鲜大米的发酵利用微生物的酶活性来改变口感并产生风味，已成为提升米粉整体质量的关键策略（Song等人，2024年）。
在传统生产中，发酵通常是自发的，依赖于未知的环境微生物群（Mishra等人，2025年）。这种自然发酵往往导致风味不稳定，甚至可能因微生物群落失控而产生异味或食品安全风险（Mishra等人，2024年；Weiling等人，2024年）。相比之下，使用选定的功能性菌株进行接种发酵可以更精确地调控微生物群落，利用特定的代谢途径增强风味化合物和营养价值，同时抑制不良微生物（Li等人，2025b；Mishra等人，2022年）。然而，接种发酵如何影响米粉的挥发性风味特征，其生化机制仍不完全清楚。
最近的多组学研究阐明了乳酸菌（LAB，如Lacticaseibacillus、Lactococcus）和Saccharomyces cerevisiae在米粉发酵中的协同作用（Li等人，2021年；Sun等人，2025a）。乳酸菌代谢碳水化合物产生有机酸（乳酸和乙酸），并水解淀粉和蛋白质，释放葡萄糖、麦芽糖和游离氨基酸，这些物质是3-甲基丁基乙酸、戊基丁酸、苯甲醛和3-甲基丁醛等关键风味化合物的前体（Li等人，2019年；Sun等人，2025b）。酵母进一步将这些中间体转化为高级醇和酯类，共同构建复杂的香气谱（Cheng等人，2025年）。分析技术的进步使得这些挥发性化合物得以详细表征：顶空气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）在自然发酵的米粉中检测到了50多种挥发性有机化合物（VOCs）（Wang等人，2021年），而结合HS-GC-IMS和顶空固相微萃取/气相色谱-飞行时间质谱（HS-SPME/GC-TOF-MS）对Lactobacillus fermentum、Lactobacillus plantarum和S. cerevisiae共同发酵的产品进行分析，鉴定出115种以上化合物，并发现2-甲基丁醛和癸醛等关键风味物质的含量显著增加（Wang等人，2022年）。研究还发现乳酸菌的丰度与某些挥发性化合物（包括(E)-2-癸醛、3-甲基丁基乙酸和3-甲基丁醛）之间存在正相关（Sun等人，2025b；Yi等人，2020年）。
尽管取得了这些进展，大多数研究仅提供了发酵过程中某一时刻或几个时间点的挥发性成分静态数据。发酵过程中VOCs的时间积累模式及其与酶活性的直接关联仍很大程度上未被探索（Zhang等人，2023b）。特别是在快速、短时间的发酵过程中，酯化作用和芳香氨基酸（如苯丙氨酸）的氨基酸分解代谢途径与关键酶（如酯酶和脱氢酶）之间的关系尚未明确。这种缺乏时间分辨和机制导向的认知限制了发酵剂的合理设计，阻碍了米粉风味调控的目标化改进。
为了解决这一问题，我们选择了三种具有高酶产生能力和优异协同作用的菌株：Lacticaseibacillus rhamnosus MJLS028、Lactococcus cremoris MJLR915和S. cerevisiae MJSN096。在之前的研究中，我们通过纯培养和共发酵方法研究了它们的酶产生特性及其调节米粉品质的代谢机制（Ren等人，2026年；Ren等人，2025a；Ren等人，2025b；Ren等人，2025c）。在此基础上，本研究建立了混合菌株接种发酵模型，并应用非靶向时间分辨挥发性代谢组学（HS-SPME/GC-TOF-MS）和鸟枪法蛋白质组学（LC-MS/MS）技术，监测发酵0小时、2小时、4小时、6小时和8小时时的VOCs谱型和蛋白质表达。通过将这些数据整合到“微生物群-酶-代谢物”相互作用框架中，本研究旨在阐明接种发酵中风味形成的酶学机制，为精确的风味调控和工业化优化提供理论和实践基础。
材料
本研究使用的贵朝米（早籼米）购自中国西南部四川省广汉新繁农业及副产品有限公司。所使用的米在正常条件下储存，储存时间不超过12个月。碾碎后通过80目筛网过滤以备后续使用。这三种菌株之前是从自然发酵的米浆中分离得到的（Ren等人，2025a）。
接种发酵对米粉挥发性代谢物的影响
通过顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱（HS-SPME/GC–MS）系统分析了RN、CRN和FRN样品中的挥发性化合物。所有检测到的挥发性代谢物的热图（图1A）显示，三组之间的整体挥发性特征存在显著差异，其中FRN的分布模式明显不同于RN和CRN。总体而言，大多数挥发性代谢物的相对丰度更高
结论
本研究建立了一个由三种优势菌株组成的混合发酵系统，并结合挥发性代谢组学和宏蛋白质组学技术，阐明了发酵米浆中风味形成的酶介导机制。酯类、酮类和萜类化合物是风味的主要贡献者，2-甲基苯甲醛和苯乙醛的含量显著增加，赋予了独特的香脂、花香和蜂蜜般的香气。
作者贡献声明
任园园：撰写初稿、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念构建。
雷英杰：审稿与编辑、撰写初稿。
何瑞：方法学设计、实验研究、概念构建。
傅瑾：实验研究。
马丁：实验指导。
钟庚：实验指导、资源调配、资金申请。
未引用的参考文献
Chen和Liao，2025
Li等人，2025
Li等人，2025
Liang等人，2024
Liang, Wu, Lu和Li，2024
Ren等人，2025
Ren等人，2025
Ren等人，2025
Ren等人，2025
Sun等人，2025
Tang和Peng，2024
Wang等人，2023
Wang等人，2023
Zhang等人，2023
Zhang等人，2023
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
本研究得到了重庆市现代农业产业技术系统（CQMAITS202601）和重庆市长寿区米粉优势特色产业集群建设项目（CSDG202504）的支持。
