卷心菜泡菜中微生物群落与挥发性风味化合物的特征分析及相关性研究

《Food Science & Nutrition》：Characterization and Correlation of Microbial Communities and Volatile Flavor Compounds in Cabbage Kimchi

Kimchi发酵过程中，通过NGS和HS-SPME/GC-MS分析发现，优势菌群包括Lactiplantibacillus（23.44%）、Membranomyces（85.63%），并检测到102种挥发性化合物，其中乙酸（6.76%）和二甲基二硫醚（7.32%）含量最高。研究表明，细菌和真菌群落的多样性与挥发性化合物存在显著正相关（r>0.9），揭示Lactiplantibacillus等乳酸菌主导风味形成，而Membranomyces等真菌参与硫化合物代谢。

　　
本研究通过整合高通量测序（NGS）与顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC-MS）技术，系统解析了白菜 Kimchi 发酵过程中微生物群落演替规律及其与挥发性风味化合物动态变化的关联机制。研究覆盖发酵全周期（第1至10天），重点揭示关键时间节点（第3、5、7、9天）的微生物-代谢物协同作用模式，为传统 Kimchi 工艺的优化调控提供理论依据。

**微生物群落动态特征**
1. **细菌多样性**：通过16S rRNA V3-V4区测序，共鉴定115个细菌属，其中乳酸菌属（Lactiplantibacillus）以23.44%的平均相对丰度成为优势菌群，其丰度从第3天（12.3%）持续上升至第10天（45.7%）。Firmicutes（芽孢杆菌纲）在后期发酵（第7-10天）占比达35%，与酸耐受型乳酸菌的增殖显著相关。Cyanobacteria（蓝菌纲）呈现脉冲式波动，第1天占比达80.28%，但在第5天骤降至19.21%，随后在第9-10天回升至50%以上，提示环境酸度变化对蓝菌的适应性影响。

2. **真菌多样性**：ITS1区域测序显示176个真菌属，其中Membranomyces（膜状酵母属）以85.63%的平均丰度占据主导地位。真菌α多样性（香农指数）呈现阶段性上升，第10天达到峰值（1.48），暗示次级代谢产物的协同作用。Basidiomycota（担子菌门）与Ascomycota（子囊菌门）构成核心菌群，前者在发酵后期占比稳定于92.36%，后者（如Aureobasidium）与挥发性硫化合物呈显著正相关。

**挥发性风味化合物演化规律**
1. **硫化合物主导**：总硫化合物（包括二甲基硫醚、甲硫醇等）在发酵第3天达到峰值（25.95%），随后缓慢下降至第10天的17.35%。值得注意的是，甲硫醇（Methanethiol）在第1天占比5.06%，但在第3天骤降至0.14%，可能与其氧化为更稳定的二甲基化合物有关。

2. **醇类持续积累**：以linalool（香茅醇）、α-pinene（α-蒎烯）为代表的萜烯类化合物在发酵后期（第7-10天）占比稳定在18%-23%，可能与乳酸菌乙醇脱氢酶活性增强相关。其中，n-丁醇等醇类在第10天占比达23.44%，成为主要风味贡献者。

3. **酸类动态平衡**：乙酸作为核心酸性成分，其相对含量从第1天的1.94%逐步上升至第7天的9.05%，在第9天略有回落（7.62%），最终稳定在第10天的7.3%。这种波动可能与不同菌株的产酸特性及环境pH变化有关。

**微生物-代谢物关联网络**
1. **细菌-风味关联**：
- Lactiplantibacillus与乙醛（0.996）、二乙酰（0.864）强正相关，提示其参与脂质代谢途径；
- Staphylococcus与1,3-二噁烷（0.934）和正丁醛（0.848）显著关联，暗示其在硫代谢和短链脂肪酸合成中的关键作用；
- Tetragenococcus对二乙酰（0.965）和1,3-二噁烷（0.899）的调控作用，显示其代谢网络对风味复杂性的贡献。

2. **真菌-风味协同**：
- Membranomyces（膜状酵母属）与二甲基二硫醚（r=0.897）、甲基烯丙基二硫醚（r=0.712）呈强正相关，揭示其作为硫代谢核心菌属的功能；
- Aureobasidium（褐曲霉属）对甲苯（r=0.893）和月桂烯（r=0.876）的显著调控，说明其定殖与芳香气味形成直接相关；
- Scedosporium（链格孢属）与三甲基二硫醚（r=0.623）的关联，提示其可能通过氧化还原反应参与硫化物合成。

**发酵阶段划分与功能菌群解析**
研究将发酵划分为两个功能阶段：
1. **酸化适应期（第1-5天）**：
- 细菌群落以Cyanobacteria（蓝菌）和Firmicutes（革兰氏阳性菌）为主导，伴随pH从4.2降至3.8；
- 硫化物（如甲硫醇、二甲基硫醚）快速积累，反映此时期环境硫负荷较高；
- 挥发性酸类（乙酸）与醇类（n-丁醇）呈现同步上升趋势。

2. **风味成熟期（第7-10天）**：
- 乳酸菌（Lactiplantibacillus）占比超过40%，形成以酸-醇-硫三联风味为特征的核心代谢网络；
- 真菌Membranomyces通过硫代谢途径持续释放硫化物，而Aureobasidium等通过萜烯氧化途径生成芳香气味前体；
- 挥发性酸类（乙酸）与醇类（香茅醇）达到动态平衡，形成稳定的风味基线。

**工艺优化启示**
1. **菌种调控策略**：通过接种Lactiplantibacillus和Membranomyces的复合菌系，可提前3天（第5天）实现乙酸峰值突破，缩短发酵周期。
2. **pH阈值控制**：当环境pH稳定在3.6-3.8时，硫代谢菌（如Scedosporium）活性提升42%，促进二甲硫醚生成；
3. **基质协同效应**： garlic（大蒜）与 ginger（生姜）的协同添加可使α-pinene含量提升2.3倍，且其挥发性特征与Lactiplantibacillus丰度呈正相关（r=0.789）。

**创新性发现**
1. **真菌代谢网络**：首次证实Membranomyces通过硫转移酶（ST）催化途径将蛋氨酸转化为二甲基硫醚，其酶活性与发酵第5天达到峰值；
2. **细菌代谢交叉**：Lactiplantibacillus分泌的短链脂肪酸（如丙酸）可被真菌Aureobasidium转化为酯类化合物（如乙酸异戊酯），形成风味增强效应；
3. **环境因子耦合**：发酵容器密封度（<5%气体交换）与Membranomyces丰度（r=0.91）呈显著正相关，为后续发酵设备优化提供参数支持。

该研究突破了传统发酵产物分析局限，首次建立微生物功能菌群（115+176个属）与挥发性代谢物（102种化合物）的多维度关联模型，为功能性发酵食品开发提供了新的理论框架。特别在揭示硫代谢菌与挥发性硫化物的定量关系（如Membranomyces每增加1%丰度，二甲硫醚生成量提升0.38%）方面具有重要应用价值。