植物乳杆菌菌株水平二乙酰产量差异揭示发酵乳制品风味形成的遗传驱动机制

针对发酵乳制品中关键风味物质二乙酰产量不足的问题，研究人员对351株植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)进行大规模筛选，结合GC-MS、电子鼻(E-nose)和qPCR技术，发现高产菌株WJ108的二乙酰产量达26.85±0.72 mg/kg，并揭示α-乙酰乳酸合成酶(ALS)和NADH氧化酶(NOX)基因的上调是风味形成的关键遗传基础，为精准选育优质发酵菌种提供了科学依据。

在追求健康饮食的今天，发酵乳制品因其独特风味和益生功能备受青睐。然而，这类产品的感官品质高度依赖微生物代谢产生的挥发性物质，其中二乙酰作为赋予黄油香气的核心化合物，其产量往往成为制约产品风味的瓶颈。传统发酵工艺中，菌株水平的代谢差异长期被忽视，导致风味调控存在"盲区"。针对这一难题，上海应用技术大学香料香精技术与工程学院的研究团队展开了一项开创性研究，成果发表在《Journal of Dairy Science》上。

研究人员采用多组学联用策略：首先从中国传统发酵食品中分离351株植物乳杆菌，通过邻苯二胺法筛选二乙酰产量；选取高、中、低产菌株进行气相色谱-质谱(GC-MS)挥发性成分分析；利用电子鼻传感器阵列进行香气特征识别；最后通过定量PCR(qPCR)检测丙酮酸代谢关键基因表达。所有实验均设置三重生物学重复，数据经主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)处理。

筛选产香菌株

地理溯源显示菌株主要源自四川、安徽等传统泡菜消费区。高产菌WJ108的二乙酰产量达26.85±0.72 mg/kg，是既往报道高产菌株1-34的2倍。三组菌株(低/中/高产)平均产量分别为1.44 mg/kg、10.91 mg/kg和22.62 mg/kg，呈现显著梯度差异。

发酵乳风味特征

GC-MS检出45种风味物质，其中酮类占主导。高产组富含二乙酰、乙偶姻等奶油香物质，而低产组以2-辛酮为主。PCA分析显示PC1(53.15%)和PC2(17.18%)有效区分三组样本，中产组风味谱与商业发酵剂YF-L904最接近。关键差异物鉴定显示，菌株WJ108的发酵乳具有显著黄油香，而SC-4菌株则富含醛类物质。

电子鼻分析

传感器阵列实现82.31%累计方差贡献率，W1C、W3C传感器对酮类响应强烈。高产组形成独立聚类，与低产组在x轴上完全分离，证实电子鼻可有效区分菌株香气特征。

基因表达分析

以GAPDH为内参(qPCR Ct值CV<0.05)，发现高产组ALS和NOX表达量达对照组的2.94倍和1.92倍，而低产组乳酸脱氢酶(LDH)、乙醇脱氢酶(ADHE)表达升高2.29倍。代谢流分析表明，ALS/NOX上调促使丙酮酸流向二乙酰合成途径，而LDH/ADHE高表达则导向乳酸/乙醇生成。

多组学关联

相关性分析揭示W1C、W3C传感器信号与二乙酰含量呈强正相关(r>0.8, P<0.001)，NOX表达量与乙偶姻产量显著相关，验证了基因-代谢物-感官特征的级联调控网络。

这项研究首次系统揭示了植物乳杆菌菌株水平的风味形成机制，建立了ALS/NOX基因表达与二乙酰产量的定量关系。不仅为发酵乳制品风味定向调控提供了分子标记，更开创了"基因组-代谢组-感官组"联用的菌株筛选新模式。未来通过调控丙酮酸代谢节点基因，有望实现发酵风味的精准定制，推动清洁标签食品开发。菌株WJ108已展现出工业化应用潜力，其遗传特征可为合成生物学改造提供重要靶点。