基于培养非依赖方法解析发酵色素米水微生物多样性及其代谢功能预测

《Journal of Microbiological Methods》：Deciphering microbial diversity and predicting metabolic functionalities in fermented pigmented rice water using culture-independent characterization

本研究针对发酵色素米水(FFRW)中自发发酵微生物群落不清的问题，通过16S rRNA和ITS测序技术，系统揭示了黑、棕、红三种色素米水在冷藏储存过程中的菌群动态变化和代谢功能差异。研究发现Weissella等乳酸菌(LAB)占主导，KEGG通路显示微生物代谢从氨基酸降解转向碳水化合物和脂肪酸代谢，同时多酚类化合物随储存时间递减。该研究为FFRW作为功能性饮料的开发提供了科学依据。

　　

在传统食品文化复兴和健康饮食潮流兴起的今天，发酵米水因其潜在的健康益处而逐渐受到关注。特别是由黑米、棕米和红米等色素米制成的风味发酵米水(FFRW)，被认为含有丰富的营养和功能成分。然而，这种通过自发发酵（即不人工添加特定菌种，依赖环境中天然微生物进行发酵）制成的饮品，其内部复杂的微生物世界——包括细菌和真菌的具体组成——却如同一座尚未被完全探索的“黑箱”。这些微生物不仅是发酵过程的驱动者，也直接决定了最终产品的风味、安全性以及可能的功能特性。因此，厘清FFRW中的微生物群落结构，阐明其在储存过程中的动态变化规律，并预测其代谢功能，对于提升产品品质、保障食品安全以及挖掘其作为功能性饮料的潜力具有至关重要的意义。正是为了回答这些问题，由Shruti Mishra、Asif Ali Vadakkethil、Mir Asif Iquebal、Sarika Jaiswal、Dinesh Kumar、Bhim Pratap Singh、Said Ajlouni、C. Senaka Ranadheera和S. Chakkaravarthi组成的研究团队开展了一项深入研究，其成果发表在《Journal of Microbiological Methods》上。

本研究主要运用了培养非依赖的分子生物学技术来规避传统培养方法的局限性。研究人员分别针对细菌和真菌，采用了16S rRNA（核糖体RNA基因，用于细菌分类鉴定）和内部转录间隔区(Internal Transcribed Spacer, ITS)（用于真菌分类鉴定）高通量测序技术，对来自黑、棕、红三种色素米制成的FFRW在冷藏储存的第0天和第30天的样本进行了微生物群落解析。此外，还通过非靶向代谢组学(untargeted metabolomics)分析了样品中的植物化学物（如多酚）及其代谢物的变化，并利用生物信息学工具（如KEGG，京都基因与基因组百科全书）对测序数据进行了功能预测，以揭示潜在的代谢通路。

微生物多样性分析

通过对16S rRNA和ITS序列的分析，研究人员详细描绘了FFRW中的细菌和真菌群落图谱。在细菌方面，研究发现在冷藏储存期间，黑米FFRW的细菌多样性表现出显著的差异(p < 0.05)，而棕米和红米FFRW的菌群则在第0天和第30天表现出相对的稳定性。乳酸菌(LAB)是绝对的优势菌群，其中Weissella（魏斯氏菌属）被大量检测到。在真菌（主要是酵母菌）多样性方面，也观察到了多种酵母菌的主导地位。这些发现表明FFRW是一个以LAB和特定酵母为优势菌群的复杂发酵体系，且不同原料和储存时间对菌群结构有显著影响。

预测功能与代谢通路

基于高通量测序数据的功能预测揭示了微生物群落潜在的代谢能力。分析共预测出23条重要的代谢通路。其中，占主导地位的通路涉及氨基酸代谢，特别是支链氨基酸(BCAAs)，如亮氨酸(leucine)、缬氨酸(valine)和异亮氨酸(isoleucine)，以及芳香族氨基酸如色氨酸(tryptophan)的代谢。此外，与糖胺聚糖（glycan）生物合成、多酚(polyphenols)、脂质(lipids)、辅因子和维生素相关的代谢物通路也非常活跃。值得注意的是，KEGG通路分析揭示了一个重要的代谢转变：在储存初期（第0天），微生物代谢以氨基酸降解通路为主；而到了第30天，代谢重心转向了碳水化合物和脂肪酸的代谢。一些关键酶的丰度也发生了变化，例如乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase)在储存后期（第30天）丰度增加，尤其在红米和黑米FFRW中更为明显。这提示随着储存时间的延长，微生物的代谢活动从利用蛋白质类物质转向了更多地利用糖类和脂肪。

植物化学物非靶向分析

除了微生物，研究还关注了FFRW中的功能成分。非靶向代谢 profiling 结果显示，三种FFRW中含有丰富的多酚类化合物，但其含量和种类存在差异：棕米FFRW中检测到的多酚相关化合物最为丰富，其次是黑米和红米FFRW。然而，一个普遍的趋势是，与第0天相比，在储存30天后，这些化合物（包括多酚）的含量均有所下降。这表明尽管FFRW富含有益的植物化学物，但其在储存过程中可能不够稳定，会发生降解或转化。

本研究通过综合运用16S rRNA/ITS测序、非靶向代谢组学和生物信息学分析，首次系统性地揭示了发酵色素米水(FFRW)这一传统发酵饮料中复杂的微生物生态系统及其代谢功能。研究结论主要包括：首先，FFRW的微生物群落以乳酸菌(LAB)（如Weissella）和酵母为优势菌群，且其多样性受米种和冷藏储存时间的影响，黑米FFRW的菌群变化尤为显著。其次，微生物的代谢活动在储存期间发生动态演变，从初期的氨基酸降解主导逐渐转向后期的碳水化合物和脂肪酸代谢，关键酶如乳酸脱氢酶的活性增强。最后，FFRW虽然富含多酚等功能性植物化学物，但这些成分在储存过程中会减少。这些发现不仅增进了我们对自发发酵米水微生物过程的理解，更重要的是，为优化其发酵工艺、控制产品质量、延长货架期以及深入挖掘其作为具有特定氨基酸代谢（如BCAAs）、维生素合成等潜力的功能性饮料提供了坚实的理论依据和数据支持。该研究凸显了培养非依赖表征方法在解密传统发酵食品奥秘中的强大能力，为类似产品的开发与研究树立了典范。