《Food Microbiology》：Exploring Microbial Diversity and Quality in Fermented Foods from Tropical and Non-Tropical Regions
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针对地域气候如何塑造发酵食品微生物组并影响其品质的关键问题，本研究通过宏基因组分析345份样本，结合生理特性与关联分析，揭示了热带来源发酵食品微生物多样性显著更高，并筛选出优势菌株热带植物乳杆菌。研究发现该菌株在发酵中表现出更强的生长力、产酸能力，并显著提升了多种游离氨基酸含量，其基因组功能潜能与优良表型强相关，为开发高品质地域特色发酵产品提供了理论与菌种资源。
发酵，这门古老的食物保存与风味创造艺术，早已融入全球各地的饮食文化之中。从四川泡菜的爽脆到德国酸菜的醇厚，从东北酸菜的独特到韩国泡菜的风靡，每一种风味背后都活跃着一支看不见的“微生物乐团”。这些微小的生命体在适宜的条件下，将简单的食材转化为风味各异、营养丰富的佳肴。然而，你是否想过，远隔重洋、气候迥异的不同地域，其发酵食品中的“微生物乐团”成员和“演奏水平”是否会有所不同？特别是高温高湿的热带地区，其独特的气候是否孕育了更具活力、功能更强的发酵微生物？这些问题，正是理解发酵食品品质地域性差异、发掘优质微生物资源的关键。
长期以来，学界对于不同地域，尤其是热带与非热带地区发酵食品中微生物群落的整体多样性差异及其对最终产品品质的具体影响，缺乏系统性的比较研究。随着培养组学和高通量测序技术的发展，特别是鸟枪法宏基因组学的应用，使我们能够以前所未有的分辨率剖析发酵食品中复杂的微生物世界，进行菌株水平的鉴定和功能注释。为了填补这一研究空白，一项发表在《Food Microbiology》上的研究应运而生。研究团队收集并分析了来自14个热带与非热带国家共345份发酵食品样本的宏基因组数据，旨在系统比较这两类地区发酵食品的微生物多样性，并深入探究优势微生物的功能特性及其对产品品质的塑造作用。
为了完成这项跨越地域的研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，研究整合了自行采集与中国海南、四川等地的样本以及来自NCBI数据库的公开样本，构建了一个涵盖六大类发酵食品的跨国别、跨地域样本队列。其次，利用鸟枪法宏基因组测序与MetaPhlAn3等生物信息学工具，对样本中的微生物群落进行了从属到种的全面剖析，并计算了香农指数(Shannon index)和逆辛普森指数(InvSimpson index)等α多样性指标。接着，通过主坐标分析(PCoA)和线性判别分析效应大小(LEfSe)分析，揭示了群落结构的β多样性差异以及具有地域指示意义的标志性物种。然后，研究从样本中分离出关键菌株——植物乳杆菌，在实验室可控条件下进行发酵实验，测定其生长曲线、发酵终点pH值、活菌数以及游离氨基酸谱等生理与品质指标。最后，利用基因组草图对菌株进行COG（同源蛋白簇）功能基因注释，并通过斯皮尔曼相关性分析，将菌株的表型数据（如活菌数、氨基酸含量）与其基因功能模块进行关联，从基因型-表型关联的角度阐释地域性差异的内在机制。
3.1. 热带与非热带区域来源发酵食品中的微生物多样性
研究首先对345份样本进行了微生物组成分析。在属水平上，乳杆菌属(Lactobacillus)在各类发酵食品中均占主导地位，尤其在发酵肉制品和蔬菜中相对丰度最高，体现了其广泛的环境适应性和底物利用能力。在种水平上，共鉴定出101个物种，其中植物乳杆菌(L. plantarum)、发酵乳杆菌(L. fermentum)等是共同的优势种。进一步的α多样性分析显示，无论是基于香农指数还是逆辛普森指数，热带地区发酵食品中的微生物多样性在物种水平上均显著高于非热带地区(p≤ 0.001)。这一结果直观地展示了热带发酵食品中微生物世界的丰富性与复杂性。
3.2. 发酵食品中热带与非热带来源的PCoA分析、LEfSe分析
为了探究微生物群落结构的差异，研究进行了主坐标分析(PCoA)。结果显示，热带与非热带地区的样本在坐标轴上呈现出显著的地理聚类趋势(p= 0.001)，表明地理因素是塑造发酵食品微生物群落结构的关键驱动力。这种聚类可能与不同地区的气候条件（温度、湿度）、原料特性和传统工艺密切相关。为了找出导致这种差异的具体微生物，研究进行了LEfSe分析。结果发现，有75个分类单元在两类地区间存在显著差异。其中，发酵乳杆菌(L. fermentum, LDA = 4.85)和植物乳杆菌(L. plantarum, LDA = 4.66)被显著富集于热带来源的样本中。这些菌株可能更适应热带的高温高湿环境，从而在发酵过程中占据优势地位。
3.3. 生长特性
既然植物乳杆菌在两地均为优势菌且被显著富集于热带，那么其生理特性是否有差异呢？研究人员测定了来自热带和非热带地区的植物乳杆菌的生长特性。结果发现，虽然两者的世代时间无显著差异，但热带来源的植物乳杆菌的最大生长量显著高于非热带来源的菌株(p≤ 0.01)。这意味着在同等条件下，热带菌株能生长得更“茂盛”，具备更强的生物量产潜力，这为其在发酵工业中的应用提供了优势。
3.4. 发酵食品质量影响分析
3.4.1. 热带与非热带来源乳酸菌发酵食品发酵终点pH值、活菌数分析
理论上的生长优势能否转化为实际的发酵效能？研究人员选取了来自两地的植物乳杆菌，以海南特产黄灯笼椒为底物进行发酵实验。结果印证了热带菌株的优越性：由热带植物乳杆菌发酵的产物，其终点pH值显著更低(pH = 3.42, p≤ 0.001)，而活菌数则显著更高(8.81 × 108CFU/mL, p≤ 0.001)。更低的pH意味着更强的产酸能力和对杂菌的抑制效果，更高的活菌数则直接关系到发酵剂的活力和产品的益生潜力。这表明热带来源的菌株在特定底物发酵中确实表现出更佳的代谢活性和环境适应性。
3.4.2. 热带与非热带来源乳酸菌发酵食品游离氨基酸含量分析
发酵食品的营养价值很大程度上体现在其风味物质和营养成分上，游离氨基酸就是其中的关键指标。研究发现，虽然总游离氨基酸(TAA)含量无显著差异，但热带植物乳杆菌发酵的产品中，脯氨酸(Pro)、胱硫醚(Cys-s)、γ-氨基丁酸(GABA)以及必需氨基酸中的苏氨酸(Thr)、苯丙氨酸(Phe)、异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)含量均显著更高(p< 0.05)。GABA是一种具有神经调节作用的功能性氨基酸，而必需氨基酸对人体营养至关重要。这一发现凸显了热带菌株在提升发酵食品功能性与营养品质方面的巨大潜力。
3.5. 不同地理来源菌株功能基因与发酵食品质量的相关性分析
3.5.1. 热带与非热带区域发酵食品来源乳酸菌COG功能基因注释
为什么热带植物乳杆菌表现更优？研究从基因组功能层面寻找答案。通过对菌株进行COG功能基因注释，发现热带来源的植物乳杆菌拥有的COG基因总数(2972个)高于非热带来源菌株(2754个)和商业菌株LGG(2378个)。在具体功能类别上，热带菌株在转录(K)、未知功能(S)、碳水化合物代谢与转运(G)以及氨基酸代谢与转运(E)等相关类别上的基因更为富集。这表明热带菌株基因组编码了更丰富的代谢功能，特别是与糖类和氨基酸代谢相关的潜能更强，这为其旺盛的代谢活动提供了遗传基础。
3.5.2. 热带与非热带区域发酵食品来源乳酸菌菌株COG功能与表型的相关性分析
关键的一步在于将基因功能与实测表型相关联。相关性分析显示，发酵终点活菌数、总必需游离氨基酸(EAA)、Pro、Cys-s、Thr、Phe、Ile的含量与涉及细胞周期调控(D)、能量生产转化(C)、氨基酸代谢转运(E)等在内的19个COG功能类别呈显著正相关(p≤ 0.01)。而pH值与这些功能类别呈显著负相关。这意味着，热带菌株通过这些增强的能量合成、细胞分裂和氨基酸利用功能，实现了快速生长和高产酸，并合成了更多的特定氨基酸。此外，GABA和Leu的含量与碳水化合物代谢转运(G)类别基因正相关，提示其生成可能与活跃的碳代谢分支途径有关。
研究结论与重要意义
本研究的系统性工作最终揭示：热带地区发酵食品的微生物多样性显著高于非热带地区，这可能是长期高温高湿环境自然选择的结果。其中，植物乳杆菌等乳酸菌作为关键优势菌被显著富集。更重要的是，从热带环境中分离出的植物乳杆菌展现出了卓越的生理特性：在发酵中具有更高的最大生长量、更强的产酸能力（更低的终点pH）以及更高的活菌数。这些优良的表型直接转化为了产品品质的提升，即显著提高了包括GABA和多种必需氨基酸在内的游离氨基酸含量，增强了发酵食品的营养与功能价值。
从机制上看，热带植物乳杆菌的基因组蕴藏着更丰富多样的代谢功能基因，特别是与能量生产、氨基酸代谢和碳水化合物利用相关的基因模块更为活跃。正是这些增强的基因组功能潜能，通过促进细胞生长、代谢活力以及特定合成途径，共同驱动了其优越发酵性能的产生。
这项研究的意义深远。首先，它从宏观（微生物群落多样性）到微观（关键菌株基因功能）多个层面，清晰地阐明了地理气候如何通过塑造微生物组来影响发酵食品的品质，建立了“地域气候—微生物组结构—关键菌株功能—发酵产品品质”的关联链条。其次，研究筛选并深入表征了热带来源的植物乳杆菌，为其作为高性能发酵剂或益生菌应用于食品工业提供了坚实的理论和菌种资源支持，有助于开发具有独特风味和增强营养功能的区域性高端发酵产品。最后，该研究强调了保护热带微生物多样性对于维持传统发酵食品特色和促进可持续生产的重要性，并为未来通过调控微生物功能模块来精准提升发酵食品品质指明了新的研究方向。
