新型胞外多糖生产菌Bacillus velezensis KUST4317的全基因组测序分析及其对酱油品质的影响机制研究

为解决传统发酵食品中功能微生物筛选与安全性评估不足的问题，研究人员对一株从酱油中分离的新型胞外多糖(EPS)生产菌Bacillus velezensis KUST4317(BVK)开展全基因组测序(WGS)及功能特性研究。结果表明该菌株仅含7个非关键抗生素抗性基因且无毒性因子，其高产EPS(250 mg/L)能显著提升酱油粘度(1–1.2 mPa·s)并具有强抗氧化活性(76.4% DPPH清除率)，代谢组分析揭示其独特产生苯甲醇、吡嗪等风味物质。该研究为开发兼具功能性与安全性的发酵食品菌种资源提供理论依据。

　　

在传统发酵食品工业中，微生物菌种的功能性与安全性始终是制约产业升级的双重瓶颈。酱油作为东方饮食文化的代表性发酵产物，其品质高度依赖微生物群落代谢产生的风味物质和功能成分。然而，传统发酵体系存在两大痛点：一方面，野生菌株可能携带病原基因或产毒风险；另一方面，现有工业菌种往往缺乏改良产品质构和营养特性的能力。针对这一现状，来自云南高原特色预制食品重点实验室的研究团队将目光投向了一种具有多重应用潜力的微生物资源——Bacillus velezensis。这种革兰氏阳性芽孢杆菌虽在农业生防领域广受关注，但其在食品发酵中的应用价值却长期被低估，特别是关于其胞外多糖(EPS)合成机制及对发酵产品品质的影响仍属研究空白。

研究人员从市售酱油中分离获得一株编号为KUST4317的B. velezensis菌株(BVK)，通过整合全基因组测序技术、代谢组学分析和功能验证实验，系统解析了该菌株的遗传特征与发酵性能。研究首次揭示该菌株通过ATP结合盒(ABC)转运蛋白依赖途径高效合成EPS的分子机制，证实其EPS产物能显著改善酱油流变特性并赋予抗氧化功能，同时通过特异性风味代谢通路提升产品感官品质。这些发现不仅为传统发酵食品的菌种改良提供了新思路，也为开发功能性发酵产品开辟了路径。相关成果发表在《Food Chemistry: X》期刊。

关键技术方法包括：1)采用Illumina HiSeq X Ten和PacBio RS II平台进行全基因组双测序；2)通过CARD和VFDB数据库进行抗生素抗性基因与毒力因子筛查；3)采用离子色谱(ICS-6000)分析EPS单糖组成；4)结合电子鼻、电子舌和GC-MS技术评估酱油风味特征；5)使用MCR102流变仪测定EPS粘度特性。

3.1 BVK的基因组特征
全基因组分析显示BVK含有4个质粒，GC含量46.07%，编码4189个基因。COG注释显示氨基酸转运代谢相关基因占比最高(309个)，KEGG分析揭示其富含糖代谢通路。值得注意的是，CAZy数据库注释发现43个糖基转移酶和49个糖苷水解酶基因，这为解释其高产EPS特性提供了遗传基础。

3.1.3 安全性评估
基因组筛查仅发现7个非关键抗生素抗性基因(如tet(L))，体外药敏实验证实其对8种临床抗生素敏感。VFDB分析未检出溶血素、肠毒素等毒力因子，这为其食品安全应用扫清了障碍。

3.2 EPS产量与功能特性
BVK的EPS产量达250 mg/L，是Bacillus circulans的3.8倍。流变学测定显示其EPS溶液粘度稳定在1–1.2 mPa·s，显著提升酱油产品质构。抗氧化实验证实10 mg/mL EPS的DPPH清除率高达76.4%，ABTS和FRAP活性分别为12.2%和19.2%。

3.3 EPS合成代谢通路
研究首次阐明BVK通过ABC转运蛋白依赖途径合成EPS，关键前体为dTDP-鼠李糖和UDP-N-乙酰-D-氨基甘露糖。该发现为定向改造菌株提高EPS产量提供了分子靶点。

3.4 EPS结构解析
离子色谱分析显示其EPS为杂多糖，主要含岩藻糖(26.9%)、阿拉伯糖(20.6%)和葡萄糖(25.5%)。分子量测定发现两个主要组分(2.07×10⁵ Da和1.03×10⁶ Da)，这种高分子量特性可能与其增强产品稳定性的功能相关。

3.6 对酱油品质的影响
GC-MS分析揭示BVK发酵显著增加吡嗪类物质(如2,5-二甲基吡嗪)和丁二酸二乙酯等风味成分，电子鼻数据PCA分析显示处理组与对照组差异贡献率达99.8%。值得注意的是，2,5-二甲基吡嗪既是风味物质又是降糖药物中间体，这为开发功能性酱油提供了可能。

这项研究通过多组学联用策略，首次系统阐明了B. velezensis KUST4317的基因组特征与发酵性能的构效关系。其创新性主要体现在三个方面：首先，从分子水平揭示了ABC转运蛋白依赖的EPS合成新机制；其次，证实了微生物EPS对传统发酵食品质构与功能性的双重提升作用；最后，建立了从基因到产品的完整评价体系，为发酵菌种的安全筛选提供了范式。该成果不仅为酱油等传统发酵食品的产业升级提供了优质菌种资源，其揭示的EPS合成通路也为合成生物学改造提供了新靶点。未来研究可进一步优化发酵工艺，并探索EPS在肠道健康等领域的潜在应用价值。