关于两种单菌种发酵的豆瓣酱代谢组学方面差异研究

生活离不开柴米油盐酱醋茶，其中酱油是中国传统的调味品，主要是由大豆经过发酵酿造而成。酱油由酱演变而来，早在三千多年前，中国就有制作酱的记载了。

本期百趣代谢组学文献分享为大家分享的文献是百趣生物协助客户发表的关于两种单菌种发酵的豆瓣酱代谢组方面差异研究（IF=5.399 中科院工程2区），下面我们来看看具体研究内容吧。

1.代谢组学分享-研究背景

许多真菌已从一些天然发酵的豆瓣酱中分离并培养出来，如曲霉菌、青霉菌等。其中一些真菌在发酵过程中会产生各种酶等有机物，并分解大豆蛋白，使豆瓣酱营养丰富，口感独特，易于消化吸收。百趣代谢组学分享，发酵过程产生的氨基酸态氮（AAN）又称氨基氮，是测定发酵能力的重要指标。AAN是酱油质量的重要指标，AAN含量的高低可作为衡量鲜味程度的指标，也与酱油风味的形成密切相关。

目前大多数研究都是在工厂大规模混合发酵的豆瓣酱样品，而对单一菌种发酵豆瓣酱的代谢系统和途径的研究较少。代谢组学分享，在作者之前的研究中，从中国东北辽宁省的自制豆瓣酱样品中分离到具有蛋白酶活性的光滑青霉（Penicillium glabrum）GQ1-3和米曲霉（Aspergillus oryzae）HGPA20。本研究利用这两种菌株对大豆进行发酵，以测定发酵过程中AAN的含量。利用代谢组检测发酵系统中的代谢物，以确定两株菌株发酵过程中代谢物的差异。

2.代谢组学分享-研究方法

实验分组：P. glabrum GQ1-3、A. oryzae HGPA20

检测方法：GC-TOF-MS

数据分析：PCA、OPLS-DA、KEGG分析、通路分析（MetaboAnalys）

3.代谢组学分享-研究结果

（1）AAN含量随发酵时间的变化

从图1可以看出，随着发酵时间的增加，初始AAN含量稳步增加，且在发酵第40天达到最大值。随后，两种真菌的AAN含量逐渐下降。代谢组学分享，发酵开始时，HGPA20体系的AAN含量高于GQ1-3，但在发酵第40天同时达到最大值，GQ1-3的豆瓣酱发酵速度要快于HGPA20。两种真菌的AAN含量是动态变化的。因此选择AAN达到最大值的第40天发酵样品进行代谢组学分析。

图1 发酵豆瓣酱中氨基氮含量随时间的变化

（2）差异代谢物分析

从两组的PCA模型和OPLS-DA模型中，发现两组之间的差异显著，且样本均在置信区间内（图2a，2b）。

图2 PCA模型得分图（a）和OPLS-DA模型得分图（b）

对发酵第40天的样品进行代谢组学检测，共检测到350个代谢物，通过VIP＞1&P＜0.05筛选到的差异代谢物如图3所示。在图中可以观察到明显的代谢物分组差异。代谢组学分享，由图3可知，GQ1-3体系中有12种相对含量较高的氨基酸及其衍生物，而HGPA20体系中只有7种相对含量较高的氨基酸。GQ1-3中相对含量较高的有机酸有7种，HGPA20中相对含量较高的有15种。在GQ1-3中检测到4种相对含量较高的糖和醇，而在HGPA20中检测到3种糖和醇。此外，在HGPA20样品中还检出了相对含量较高的吡啶、醛、酮和酚类物质。且在两菌株的发酵体系中发现了不同的醇类。说明，两菌株在豆瓣酱发酵过程中的代谢产物丰富多样，且两组之间存在明显差异。

图3 GQ1-3和HGPA20层次聚类分析热力图

（3）通路分析

代谢途径分析的结果显示在气泡图中（图4），从图中可以看出，丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢与差异代谢产物和发酵过程的相关性最高。代谢组学分享，谷氨酸和天冬氨酸是食品中主要的两种含鲜味的游离氨基酸，均属于谷氨酸类鲜味物质，是豆瓣酱鲜味的重要来源。在两株菌株的发酵体系中，检测到的两种氨基酸及其衍生物的相对含量差异很大。GQ1-3中谷氨酰胺的相对含量较高，而HGPA20中天冬氨酸和天冬酰胺的相对含量较高，说明两株发酵的豆瓣酱中鲜味物质的组成存在差异。另一个重要的代谢途径是三羧酸循环，该代谢途径连接许多代谢过程。

图4 GQ1-3和HGPA20的通路分析图

另外，作者将两菌株的一些代谢途径及相关代谢产物进行整合（图5）。红色差异代谢物表示在GQ1-3体系中相对含量较高，蓝色差异代谢物表示在HGPA20体系中相对含量较高。如图5所示，部分氨基酸合成以2-酮戊二酸为底物来合成谷氨酸、谷氨酰胺等。

生成的谷氨酸由转乙酰酶等一系列酶合成鸟氨酸和瓜氨酸。GQ1-3中2-酮戊二酸、谷氨酰胺、鸟氨酸和瓜氨酸的相对含量明显高于HGPA20。氨基酸合成的另一部分以草酰乙酸为底物合成天冬氨酸、天冬酰胺等物质。

天冬氨酸是由一系列酶如天冬氨酸激酶合成的半醛，最终产生L-高丝氨酸。HGPA20体系中天冬氨酸、天冬酰胺和L-高丝氨酸的相对含量明显高于GQ1-3。代谢组学分享，因此推测，两株菌株中氨基酸的主要合成途径不同，在GQ1-3中，α -酮戊二酸衍生型（谷氨酸型）的氨基酸合成占优势，而在HGPA20中草酰乙酸衍生型（天冬氨酸型）的占优势。

图5 GQ1-3、HGPA20部分代谢通路及相关差异代谢物整合图

代谢组学分享，综上所述，反映了两种真菌代谢行为的差异。单菌种P. glabrum及其代谢产物的研究尚属首次报道，而A. oryzae作为一种广泛应用的发酵菌株，在酱油、米酒等相关发酵食品中已有报道。由于A.oryzae不同种类的发酵基质、发酵过程和发酵菌株的不同，发酵过程产生的代谢物也存在差异。本研究结果有助于补充和丰富米曲霉的发酵潜力。