水开菲尔核心微生物组及其代谢潜能的全景多组学解析：解锁发酵饮品的奥秘

　　水开菲尔（Water Kefir，WK）是一种用含糖水、水果和 WK 谷物发酵制成的传统饮品，近年来因其潜在健康益处受到越来越多关注。然而，目前关于 WK 的研究存在诸多不足。一方面，虽然在体外和动物模型中对其健康益处有所探索，但人体干预研究匮乏；另一方面，此前研究的 WK 样本数量有限，难以全面探究其核心微生物组，也无法在标准化条件下确定不同 WK 中微生物群落状态的存在。同时，对于 WK 发酵过程中微生物组成、发酵实践和发酵特性之间的相互作用，以及代谢产物与风味化合物的关联，人们的了解还不够深入。这些问题限制了 WK 的大规模生产和商业化发展，也阻碍了相关监管框架的建立。

为了解决这些问题，来自爱尔兰 Teagasc 食品研究中心、APC 微生物组爱尔兰、都柏林大学学院等机构的研究人员开展了一项全面的研究。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为 WK 的深入理解和应用提供了重要依据。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过鸟枪宏基因组测序（Shotgun Metagenomics）对 69 个 WK 谷物及其发酵液进行分析，以探究微生物组成。同时，对部分样本进行代谢组学（Metabolomic）包括挥发组学（Volatilomic）分析，研究代谢产物和挥发性化合物。此外，还运用了宏基因组组装基因组（MAGs）技术来鉴定潜在的新物种，并通过自定义的 WK 特定数据库进行分类学分析，确定物种的存在和丰度。

研究结果如下：

1. 样品来源与发酵特性：69 个 WK 谷物来自 21 个不同国家，提供者分享了发酵实践的自我报告数据。发酵时长、发酵方式（有氧或厌氧）、使用的水果和糖种类多样。发酵过程中，pH 值下降，新鲜运输的谷物比干燥运输的谷物生长更显著，且谷物生长不受冷冻显著影响。
2. MAGs 与潜在新物种：MAGs 组装获得 485 个高质量细菌 MAGs 和 97 个真菌 MAGs。通过 95% 平均核苷酸同一性（ANI）阈值分析，发现 18 个潜在新物种，分属于多个
【水开菲尔核心微生物组及其代谢潜能的全景多组学解析：解锁发酵饮品的奥秘】
【为探究水开菲尔（WK）微生物组成与功能，研究人员通过多组学分析，揭示其微生物奥秘，为生产提供指导。】
【水开菲尔 | 微生物组 | 代谢潜能 | 多组学 | 发酵饮品 | 核心属 | 社区状态 | 新型物种 | 风味化合物 | 发酵实践】
【国外】
【在发酵饮品的世界里，水开菲尔（Water Kefir，WK）宛如一颗神秘的明珠，散发着独特魅力。它是一种由含糖水、可选水果以及 WK 谷物发酵而成的传统饮品，近年来，因其被认为具有潜在的健康益处，吸引了众多消费者的目光，研究热度也不断攀升。然而，这颗明珠背后却隐藏着诸多未知。

尽管在体外实验和动物模型研究中，水开菲尔展现出了一些健康功效，但在人体干预方面的研究却少之又少，就像一座尚未被完全探索的神秘岛屿。而且，以往对水开菲尔的微生物组成研究，大多局限于单个或少数几个样本，犹如管中窥豹，难以全面了解其真实面貌。研究样本数量的不足，使得确定水开菲尔的核心微生物组变得困难重重，也无法在统一标准下探究不同水开菲尔中微生物群落状态的差异。同时，发酵过程中微生物组成、发酵实践和发酵特性之间的关系错综复杂，如同一张尚未理清的网；代谢产物与风味化合物之间的关联也模糊不清，这一系列问题严重阻碍了水开菲尔的大规模生产和商业化进程，相关监管框架的建立也因此缺乏有力支撑。


为了揭开这些谜团，来自爱尔兰 Teagasc 食品研究中心、APC 微生物组爱尔兰、都柏林大学学院等多个机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具价值的研究。该研究成果发表于《Communications Biology》，为人们深入了解水开菲尔提供了宝贵的钥匙。


研究人员运用了一系列先进的技术方法。首先，鸟枪宏基因组测序（Shotgun Metagenomics）技术就像一把精准的 “显微镜”，帮助研究人员全面分析了 69 个 WK 谷物及其发酵液的微生物组成。同时，研究人员还对部分样本进行了代谢组学（Metabolomic）分析，其中包括挥发组学（Volatilomic）分析，以此来探究代谢产物和挥发性化合物的奥秘。此外，宏基因组组装基因组（MAGs）技术也发挥了重要作用，它能够帮助研究人员鉴定潜在的新物种。研究人员还通过构建自定义的 WK 特定数据库进行分类学分析，从而准确确定物种的存在和丰度。


研究取得了一系列令人瞩目的结果：


1. 样品来源与发酵特性：研究收集的 69 个 WK 谷物来自全球 21 个不同国家，提供者详细分享了各自的发酵实践数据。发酵时长、发酵方式（有氧或厌氧）、所使用的水果和糖的种类丰富多样。在发酵过程中，一个明显的变化是 pH 值逐渐下降，而且新鲜运输的谷物在发酵时的生长情况要明显优于干燥运输的谷物，有趣的是，冷冻对谷物生长并没有显著影响。
2. MAGs 与潜在新物种：通过 MAGs 组装，研究人员获得了 485 个高质量细菌 MAGs 和 97 个真菌 MAGs。经过 95% 平均核苷酸同一性（ANI）阈值的严格筛选，发现了 18 个潜在的新物种，它们分属于多个不同的属。值得一提的是，其中两个新的双歧杆菌物种已经成功分离并鉴定出来。
3. 分类学分析：研究共检测到 96 个物种，它们来自 28 个属。像酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、副干酪乳杆菌（Lacticaseibacillus paracasei）等都是常见的物种；酵母属（Saccharomyces）、葡糖杆菌属（Gluconobacter）等则是普遍存在的属。不同样本中物种的丰度差异较大，部分样本在 48 小时时，双歧杆菌（Bifidobacterium）的丰度表现突出。
4. 多样性分析：研究发现，发酵液样本的 α 多样性（以香农指数衡量）在 8 小时和 48 小时后明显高于谷物样本；而干燥运输的谷物样本 α 多样性低于新鲜运输的样本。此外，之前的发酵实践对 α 多样性也有着显著影响。
5. 社区状态：发酵 48 小时后，经过层次聚类和 β 多样性分析，研究人员发现水开菲尔存在六种社区状态（CS），这些状态分别由不同的属主导，或者呈现相对平衡的状态。不过，在属水平上，不同社区状态的分离较为明显，但在物种水平上分离效果稍逊一筹。
6. 相关性分析：多种物种与 α 多样性指标以及发酵特性（如 pH 和相对谷物生长）之间存在显著的相关性。比如希氏乳杆菌（Lentilactobacillus hilgardii）等与 α 多样性和相对谷物生长呈正相关；部分醋酸杆菌（Acetobacter spp.）与 pH 呈负相关，与 α 多样性呈正相关。
7. 代谢物分析：研究人员对 15 个 WK 发酵液进行了 NMR 代谢组学分析，共检测到 29 种化合物。在发酵过程中，糖的含量逐渐减少，而醇和有机酸的含量则不断增加，多种代谢物在发酵过程中发生了显著变化。不同物种与代谢物之间也存在着关联，例如东方醋酸杆菌（A. orientalis）与异亮氨酸和亮氨酸呈正相关。
8. 风味分析：借助 GC-MS 挥发组学分析，研究人员检测到了 84 种挥发性有机化合物（VOCs）。发酵过程中，挥发性醇在 8 小时时增加，挥发性酸和酯在 48 小时时增加。不同物种与 VOCs 之间存在显著相关性，像布鲁塞尔酒香酵母（Br. bruxellensis）与一些酯类呈正相关，发酵毕赤酵母（Pi. fermentans）与一些酯类呈负相关。


综合研究结论和讨论部分，这项研究成果意义非凡。它首次全面且深入地剖析了水开菲尔的微生物组成和功能，为我们展现了其复杂而奇妙的微生物生态系统。新发现的 18 个潜在新物种极大地丰富了水开菲尔微生物的多样性，为后续深入研究微生物的生物学特性和应用提供了全新的起点。定义的水开菲尔核心微生物组涵盖了酵母、醋酸菌、乳酸菌和双歧杆菌等，为工业生产中合成或定向调控水开菲尔群落提供了关键参考。六种社区状态的确定，让人们对不同发酵条件下水开菲尔微生物群落的变化规律有了更清晰的认识，有助于优化发酵工艺。此外，研究揭示的代谢物和风味化合物与微生物之间的关联，为生产具有特定风味的水开菲尔产品提供了有力指导。同时，研究结果也为水开菲尔监管框架的制定提供了科学依据，推动了水开菲尔产业朝着规范化、标准化方向发展。


可以说，这项研究为水开菲尔的研究和应用打开了新的大门，在微生物学、发酵工程和食品科学等多个领域都具有重要价值，为后续的研究和商业开发奠定了坚实基础。