文献解读 | 去辣生香：多组学研究锁定9种菌类决定泡姜风味！

一、背景介绍

生姜属于典型的药食同源食材，具有重要食用与药用价值，但其辛辣味制约了其作为即食食品的应用，西南地区利用发酵技术制作泡菜生姜，提升其适口性与功能性，不过目前对这类传统发酵姜制品的组学研究有限，缺乏对其品质形成机制的系统研究。已有研究表明，乳酸菌和酵母菌在泡菜、酸菜等蔬菜发酵中起核心作用，通过代谢糖类、蛋白质和脂质生成风味化合物，然而小黄姜发酵过程中细菌与真菌群落演替，何种代谢物质主导风味形成？菌落与代谢物之间关联如何？多个问题尚未被阐明，因此通过整合代谢与菌群鉴定，可以揭示发酵风味形成的微生物-代谢机制，为开发即食生姜调味品形成理论和技术支持。

 

二、材料方法

研究以云南小黄姜为原料，采用模拟传统工艺的自然发酵体系（40g/L食盐，25°C避光发酵42天），在0、7、14、21、28、35和42天共7个时间点采集样本。研究整合理化测定、代谢物检测（UHPLC-Q Exactive HF-X平台）及全长16S rRNA/ITS PacBio高通量测序，全面追踪发酵过程中品质指标（pH、可滴定酸度、硬度、色泽、亚硝酸盐）、风味成分（糖类、有机酸、游离氨基酸、姜辣素、黄酮等）及微生物群落动态。数据处理方面，代谢原始数据通过Progenesis QI软件进行峰提取与对齐，结合HMDB、METLIN及自建Majorbio数据库进行代谢物注释；差异积累代谢物（DAMs）依据VIP>1、log₂FC>1且校正P<0.05筛选，并用于KEGG通路富集与STEM时序聚类分析（P<0.001）。微生物序列经FASTP质控、FLASH拼接后，使用UPARSE以97%相似度聚类OTUs，RDP Classifier结合SILVA数据库完成物种注释；α/β多样性、PCoA、NMDS、Venn图等Majorbi云平台完成。微生物与代谢物关联网络通过Cytoscape构建，实验数据采用GraphPad Prism进行单因素ANOVA或t检验，并辅以Pearson相关性分析。

 

三、结果讨论

研究揭示了小黄姜在发酵过程中品质、代谢与微生物群落的协同演变，理化分析显示，发酵显著降低pH、提高可滴定酸度并富集乳酸菌，风味分析表明，糖类持续消耗为微生物提供能量，而游离氨基酸、总黄酮、姜辣素和姜黄素均显著积累，表明发酵改善适口性，提升营养价值。代谢检测鉴定出数百种差异代谢物，STEM聚类识别出5种显著时序模式，其中持续积累的代谢物显著富集于黄酮和萜类生物合成通路，功能成分在中后期大量形成，微生物群落分析显示，细菌多样性早期下降后稳定，真菌群落相对稳定，植物乳杆菌、发酵毕赤酵母和克鲁维酵母成为优势种，具备产酸、产香及分泌果胶酶/纤维素酶的能力，与理化及风味变化高度一致。整合网络分析识别出4细菌与5真菌的“基石物种”，与有机酸、游离氨基酸、黄酮等功能代谢物及硬度、酸度等品质指标存在显著相关性，例如植物乳杆菌正向驱动乳酸生成并软化组织，发酵毕赤酵母则与酯类和黄酮积累密切相关。

 

四、研究结论

研究揭示了小黄姜自然发酵过程中“微生物群落演替—代谢物动态积累—品质形成”三者之间的内在关联机制，识别出植物乳杆菌、发酵毕赤酵母和克鲁维酵母等核心功能菌株，为后续开发定向发酵剂或复合益生菌奠定了基础。对产业而言，多组学的应用直接推动了高附加值功能性调味品的开发，助力小黄姜从初级农产品向健康食品升级，为智能化、可控化发酵装备与工艺设计提供理论支撑，促进传统泡菜/泡姜产业向绿色、高效、高质方向转型，具有显著的经济潜力与市场推广价值。

 

五、结果展开

图1. 显示小黄姜泡菜在42天发酵过程中理化参数的变化。

 

A. 显示在42天发酵期间于七个不同时间点采集的样品。

B. 显示在42天发酵期间pH值的变化。

C. 显示在42天发酵期间可滴定酸度（TA）的变化。

D. 显示在42天发酵期间乳酸菌（LAB）数量的变化。

E. 显示在42天发酵期间硬度的变化。

 

图2. 显示泡姜在42天发酵过程中风味属性的变化。

 

A. 显示泡姜在发酵过程中葡萄糖含量的变化。

B. 显示泡姜在发酵过程中多糖含量的变化。

C. 显示泡姜在发酵过程中总糖含量的变化。

D. 显示泡姜在发酵过程中可溶性蛋白含量的变化。

E. 显示泡姜在发酵过程中总游离氨基酸（FAAs）含量的变化。

F. 显示泡姜在发酵过程中具有鲜味、甜味和苦味活性的FAAs含量的变化。

G. 显示泡姜在发酵过程中总黄酮含量的变化。

H. 显示泡姜在发酵过程中姜辣素含量的变化。

I. 显示泡姜在发酵过程中姜黄素含量的变化。

 

图3. 显示泡菜在42天发酵过程中非靶向代谢数据分析结果。

 

A. 显示不同时间点样本代谢数据的主成分分析（PCA）得分图。

B. 显示不同时间点样本代谢数据的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）得分图。

C. 显示第7与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

D. 显示第14与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

E. 显示第21与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

F. 显示第28与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

G. 显示第35与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

H. 显示第42与第0天（基线）相比的代谢物谱火山图。

I. 显示差异积累代谢物（DAMs）重叠情况的维恩图。

J. 显示各组中共同鉴定出的前50种DAMs的热图。

K. 显示对各组共有的328种DAMs进行的KEGG通路富集分析结果。

 

图4. 显示泡姜在42天发酵过程中代谢物的时序积累趋势。

 

A. 显示通过短时间序列表达挖掘器（STEM）聚类鉴定出的五种具有统计学显著性的代谢模式，模式左上角标注为聚类ID，左下角标明为统计显著性值。

B. 显示Pattern 29中代谢物（n=80）的KEGG通路富集分析结果。

C. 显示Pattern 0中代谢物（n=136）的KEGG通路富集分析结果。

 

图5. 显示泡姜在42天发酵过程中微生物群落结构的动态变化。

 

A. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌α多样性指数。

B. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌群落的主坐标分析（PCoA）结果。

C. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌群落的非度量多维尺度分析（NMDS）结果。

D. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌α多样性指数。

E. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌群落的主坐标分析（PCoA）结果。

F. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌群落的非度量多维尺度分析（NMDS）结果。

G. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌群落在属水平上的分类组成。

H. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌群落在种水平上的分类组成。

I. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌群落在属水平上的分类组成。

J. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌群落在种水平上的分类组成。

 

图6. 显示泡姜在42天发酵过程中优势微生物群落的分类学分析。

 

A. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌属水平的组成。

B. 显示泡姜在42天发酵过程中细菌种水平的组成。

C. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌属水平的组成。

D. 显示泡姜在42天发酵过程中真菌种水平的组成。

 

图7. 显示发酵过程中核心微生物群与风味代谢物的整合网络分析。

 

中央节点表示核心微生物物种（包括细菌和真菌）；左侧圆圈表示理化参数；右侧圆圈表示泡菜中的风味代谢物；红线和蓝线分别代表正相关和负相关系数。

 

参考文献：

Wang J, He H, Lin L, Lin Y, Wang F. Quality attributes, metabolomics and microbial community dynamics of naturally fermented Xiaohuang ginger (Zingiber officinale cv. Xiaohuang): A ready-to-eat flavoring food. Food Chem X. 2025 Nov 3;32:103237.