《Food Research International》：Metabolomic profiling and machine learning reveal geographic origin markers and quality trade-offs in
Sulcospira hainanensis
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传统河北味豆酱发酵中微生物群落与代谢物互作机制研究采用多组学整合策略，通过基因组测序揭示以Firmicutes、Actinobacteria等为主的细菌门和Ascomycota等真菌门主导的609+392属微生物群落，代谢组学分析鉴定4786种代谢物及197种挥发性成分，发现氨基酸、脂类及碳水化合物代谢关键途径由Leuconostoc、Staphylococcus等菌属驱动，为发酵工艺优化提供理论依据。
刘畅|郝静静|卢涵|马萍萍|何彦楠|薛玉玲|康志远|王世杰
河北科技大学食品科学与生物学院，中国河北省石家庄市050018
摘要
传统的河北风味豆瓣酱因其独特的风味和丰富的营养成分而备受推崇。然而，发酵过程中微生物群落动态与代谢物转化之间的复杂相互作用尚未得到充分理解。本研究采用整合宏基因组学、非靶向代谢组学（UHPLC-MS）和挥发性化合物分析（HS-SPME-GC–MS）方法，系统地研究了整个发酵过程中的微生物-代谢物相互作用。宏基因组分析鉴定出主要的细菌门（厚壁菌门、放线菌门、变形菌门、拟杆菌门）和真菌门（子囊菌门、毛霉菌门、担子菌门），共包含609个细菌属和392个真菌属。共鉴定出4786种代谢物和197种挥发性化合物，发现氨基酸、肽、脂类和香气化合物在不同发酵阶段存在差异。碳水化合物和氨基酸代谢是主要的代谢途径。相关分析和KEGG分析表明，葡萄球菌和明串珠菌主要参与氨基酸和脂类的降解，而德巴里酵母和青霉菌则主要参与碳水化合物和相关辅因子的代谢。这些发现揭示了传统豆瓣酱风味形成的代谢机制，为发酵工艺优化和质量提升提供了科学依据。
引言
发酵是人类最早开发的用于食品保存和风味提升的生物技术之一。在中国北方，尤其是河北省，传统发酵豆瓣酱是一种不可或缺的调味品，以其独特的风味、丰富的营养成分和深厚的文化底蕴而闻名（Li等人，2024；Zhang等人，2022；Zheng等人，2021）。其独特的感官特性源于多种微生物共同参与的复杂自然发酵过程。在发酵过程中，这些微生物群落催化了广泛的生化转化，最终决定了最终产品的风味、质地和安全性（Koh & Mitchell，2007）。越来越多的证据表明，微生物的演替和种间相互作用通过调节代谢活动和相关化学转化，在塑造发酵食品的风味和质量方面起着关键作用（Liu等人，2025；Niu等人，2024）。然而，尽管豆瓣酱发酵具有悠久的历史和文化重要性，但微生物群落动态与代谢物形成之间的机制联系仍不够明确。在这种情况下，多组学方法已成为阐明复杂发酵生态系统中的微生物生态、功能潜力和代谢物生物合成的有力工具。
以往对发酵豆瓣酱的研究主要集中在通过16S rRNA/ITS测序和GC–MS分析来表征微生物多样性和分析挥发性风味化合物（Kan等人，2025；Tian等人，2022）。虽然这些方法提供了有价值的分类学和组成信息，但它们对特定微生物在代谢途径和风味化合物生物合成中的功能作用了解有限。此外，传统豆瓣酱发酵中的微生物组成和代谢活动受到当地环境因素的强烈影响，包括原材料、温度和本地微生物群，导致发酵特性存在显著的地域差异（Wen等人，2024）。由于其高盐分、露天和长期自然发酵的特点，河北风味豆瓣酱成为研究环境压力条件下微生物-代谢物相互作用的理想模型，在这种条件下，微生物的适应性和种间合作深刻影响了风味的形成。
随着高通量组学技术的进步，结合宏基因组学和代谢组学的综合方法使得对食品发酵系统中微生物生态和代谢功能的理解更加全面。宏基因组测序能够深入揭示复杂微生物群落的分类组成和功能基因库（Ghurye等人，2016），而代谢组学则能够捕捉生化产物的全局谱型和动态代谢变化。这种方法的整合使得微生物群落结构、功能潜力和代谢物形成之间的直接联系成为可能。此类多组学框架已成功应用于多种发酵食品的研究，包括酸菜（Song等人，2021）、醋（Yu等人，2024）和奶酪（Unno等人，2021），揭示了驱动发酵风味形成的关键微生物-代谢物相互作用。
本研究采用结合宏基因组测序、非靶向代谢组学（UHPLC-MS）和挥发性化合物分析（HS-SPME-GC–MS）的综合多组学策略，系统研究了传统河北风味豆瓣酱发酵过程中的微生物演替和代谢物动态。通过共同分析微生物群落组成、功能基因潜力以及非挥发性和挥发性代谢物的全面谱型，本研究旨在揭示关键微生物的功能作用，描述不同阶段的代谢转变，并阐明风味形成背后的微生物-代谢物关联。这些发现为传统豆瓣酱的微生物和代谢过程提供了机制上的见解，为发酵工艺优化和质量提升奠定了理论基础。
样本采集和发酵过程
用于发酵的大豆品种为Han 332（注册号：2005005），由邯郸市农业科学院培育。小麦粉和食盐通过标准商业渠道在河北省邯郸市购买，是传统河北风味豆瓣酱生产中常用的原材料。传统河北风味豆瓣酱的制备遵循典型的地区加工流程（Xie等人，2019）。具体步骤包括大豆浸泡、蒸煮等。
微生物演替和群落结构
宏基因组测序在五个发酵阶段每个样本中产生了平均6.79 Gb的高质量清洁读段（150 bp双端）。共鉴定出433,078个非冗余基因，占所有预测开放阅读框（ORFs）的38.59%，GC含量介于42.1%至47.3%之间，平均基因长度为456.99 bp。一致的高测序质量（Q20 = 97%，Q30 = 93%）证实了该数据集用于后续生态和功能分析的可靠性。
结论
本研究通过整合宏基因组学、非靶向代谢组学和HS-SPME-GC–MS方法，系统地阐明了传统河北风味豆瓣酱发酵过程中的微生物演替和代谢动态。鉴定出包含609个细菌属和392个真菌属的多样化微生物群落，其中明串珠菌、芽孢杆菌、德巴里酵母和青霉菌在各个发酵阶段均占主导地位。功能基因注释显示这些微生物参与了碳水化合物的代谢。
作者贡献声明
刘畅：撰写初稿。郝静静：方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。卢涵：撰写、审稿与编辑、资金筹集、概念构建。马萍萍：撰写、审稿与编辑、实验实施。何彦楠：撰写、审稿与编辑、项目管理。薛玉玲：项目管理、资金筹集。康志远：项目管理、资金筹集。王世杰：撰写、审稿与编辑、监督、资金提供
资金来源
本研究得到了石家庄市科技计划项目（项目编号：246170509A）和河北省创新能力提升项目（项目编号：24462802D）的支持。
未引用参考文献
Roasto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。
