《Fermentation》：Deciphering Northeast–Northwest Differences in Steamed Bread Microbiota and Flavor via Metagenomics and Untargeted Metabolomics
Qing Wu,
Heyu Zhang,
Shihua Xin,
Jianhong Guo,
Xiaoping Yang,
Qi Wang and
Haitian Fang
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本文综合运用宏基因组学与非靶向代谢组学手段，系统揭示了东北（黑龙江）与西北（宁夏同心）传统老面发酵剂相较于工业酵母在微生物菌群结构与风味代谢特征上的显著差异，明确了核心功能菌种（如 HLJ 中的发酵粘液乳杆菌与 TX 中的植物乳杆菌-旧金山果糖乳杆菌协同体系）驱动糖酵解、氨基酸代谢及甘油磷脂转化等代谢通路，从而塑造了各自独特的质构特性与风味化合物（如硫磺/辛辣或焦糖/烘烤香气）的分子基础，为传统发酵食品风味调控与工业化应用提供了科学依据。
物理化学特性分析
通过TPA（Texture Profile Analysis， 质构剖面分析）对黑龙江（HLJ）、宁夏同心（TX）和工业酵母（JM）组的发酵面团进行了系统的质构特性测量。结果显示，HLJ面团的硬度、胶着性、咀嚼性和弹性恢复力均显著高于TX和JM组。例如，HLJ的硬度达到了(9685.97 ± 1433.13) g，显著高于TX组的(8369.65 ± 1300.18) g和JM组的(6523.82 ± 1406.14) g。这种更致密、更具机械强度的质地特征，与HLJ菌群中特定的微生物（如乳酸菌和酵母）的代谢活动密切相关，其通过合成胞外多糖、酶促产生低分子量化合物以及重塑面筋网络来调节面团流变学。
宏基因组学分析
微生物群落分析揭示了不同来源发酵面团之间显著的生态分化。α多样性（Chao1指数、Shannon指数）和主坐标分析（PCoA）均表明，传统老面（HLJ、TX）与工业酵母（JM）的微生物群落结构形成了明显分离的簇。在属和种水平上，HLJ样品表现出对发酵粘液乳杆菌（Limosilactobacillus fermentum）的专一性富集，其相对丰度高达14.75%，而该菌在JM中几乎未检出，在TX中仅占0.25%。相反，TX样品则拥有一个功能更多样的乳酸菌（LAB）协同菌群，包括植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum， 4.47%）、旧金山果糖乳杆菌（Fructilactobacillus sanfranciscensis， 3.03%）和明登伴侣乳杆菌（Companilactobacillus mindensis， 3.14%）。JM组则以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为主。值得注意的是，两种传统老面中都含有相当丰度的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium spp.， HLJ: 5.99%; TX: 6.6%），可能在氮代谢中发挥协同作用。KEGG通路富集分析进一步揭示了HLJ和TX菌群在核心代谢功能上的特异性。与JM相比，HLJ和TX均在氨基酸生物合成、次级代谢物生物合成、ABC转运蛋白和磷酸转移酶系统（PTS）等通路上显著富集，这为风味增强建立了分子基础。具体而言，HLJ富集了与酵母增殖和应激适应相关的通路（如MAPK信号通路），而TX则更显著地富集了与细菌核心代谢、肽聚糖生物合成相关的通路，这反映了HLJ更依赖酵母活力，而TX则通过整合的细菌代谢与协作机制建立了卓越的风味化合物合成能力。
非靶向代谢组学分析
基于偏最小二乘判别分析（PLS-DA）的非靶向代谢组学揭示了不同组别之间系统的代谢差异。各组样品在得分图上呈现出明显的空间分离。差异代谢物（VIP>1， p<0.05）分析表明，HLJ与JM相比有193个代谢物发生显著变化，TX与JM有192个，而HLJ与TX之间的差异最大，达到202个。关键的差异代谢物解析了区域风味的分子基础。HLJ样品中戊基硫代葡萄糖苷（pentyl glucosinolate）和甲硫氨酸亚砜（methionine sulfoxide）的积累，可能通过微生物（如优势菌发酵粘液乳杆菌）的酶促转化产生异硫氰酸酯等化合物，贡献了特征性的硫磺/辛辣气味。而TX样品中则显著富集了水苏糖（stachyose）和2-（甲硫基甲基）呋喃（2-(methylthiomethyl)furan），后者被认为是水苏糖/木糖（xylose）衍生的美拉德反应产物，是TX样品呈现焦糖-烘烤香气（caramel–roasted aromas）的关键。在滋味方面，与JM相比，两个传统老面组都表现出更高的苦味和更低的鲜味感知。值得注意的是，HLJ的鲜味前体积累（如肌苷）略高于TX，而苦味肽水平略低于TX，这导致了HLJ的鲜味感知相对略高而苦味略低的感官特征。KEGG通路富集分析进一步支持了这些代谢差异：HLJ与JM相比，α-亚麻酸和亚油酸代谢通路被激活，与硫化物挥发性物质协同增强了硫磺感官。TX与JM相比，磷酸转移酶系统（PTS）通路显著上调，促进了寡糖积累，为美拉德反应提供了底物。1, p < 0.05). Red/blue bars indicate up/downregulated metabolites; (D–F) integrated VIP scatter plots and heatmaps: (D) HLJ vs. JM, (E) TX vs. JM, (F) HLJ vs. TX; left panels show VIP scores reflecting discriminatory power; right panels show relative metabolite expression with red/blue indicating up/downregulation, respectively. Metabolite names are abbreviated for clarity; full names are available upon request.">
微生物丰度与代谢物关联分析
斯皮尔曼等级相关分析揭示了特定微生物类群与关键代谢物丰度之间的显著关联。例如，酿酒酵母与复杂碳水化合物呈负相关，表明其优先利用这些底物合成乙醇和酯类前体。乳酸菌（如植物乳杆菌、短乳杆菌）与有机酸代谢高度协同，对调节面团酸度和风味平衡有贡献。发酵粘液乳杆菌与羟基化脂肪酸衍生物（如9,10-DHOME）呈极强的正相关，这些衍生物可通过酶氧化生成花香/果味醛酮。植物乳杆菌与柠檬酸和苹果酸呈显著负相关，共同参与调节酸度。这些相关性确认了各老面组（HLJ的发酵粘液乳杆菌、TX的植物乳杆菌/旧金山果糖乳杆菌、JM的酿酒酵母）优势微生物类群与其特征性风味相关代谢物之间的核心功能联系，从而建立了传统与工业发酵剂独特感官特征的微生物-代谢基础。
