不同等级填充烟叶发酵驱动的微生物群落演替与代谢重塑机制研究

本综述系统探讨了不同等级填充烟叶（FTLs）在发酵过程中微生物群落结构及代谢组的动态变化。通过宏基因组学（metagenomics）和非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）技术，揭示了等级依赖性微生物演替（如芽孢杆菌属Bacillus、棒状杆菌属Corynebacterium）与代谢通路（氨基酸生物合成、类胡萝卜素代谢等）重塑的关联，为雪茄工业优化原料分级与发酵工艺提供了理论依据与实践指导。

　　

引言：

雪茄烟叶作为一种具有重要经济价值的特殊烟草类型，其加工工艺和风味特性与普通卷烟存在显著差异。填充烟叶（Filler Tobacco Leaves, FTLs）作为雪茄生产的核心原料，约占总重量的75%，是风味的主要载体。发酵是雪茄烟叶加工中的关键环节，依赖天然微生物介导的温和生化反应，分为农业发酵和工业发酵两个阶段。近年来，高通量测序和代谢组学技术的发展为解析发酵过程中微生物群落的动态变化及其与烟草化学组成的互作提供了有力工具。然而，不同等级FTLs在发酵过程中的微生物结构、演替模式及功能角色仍缺乏系统研究。

材料与方法：

本研究以中国自主培育的优质雪茄品种“云雪一号”为材料，依据YC/T 588—2021标准选取高（X1）、中（X2）、低（X3）三个等级的FTLs，在温湿度控制条件下（40±1°C，80±2%）进行为期7天的工业发酵模拟。采用宏基因组测序分析微生物群落结构，并通过非靶向代谢组学（UHPLC–MS/MS）技术检测代谢物 profiles。数据分析包括Alpha多样性（ACE、Chao1、Shannon、Simpson指数）、Beta多样性（PCoA、NMDS）、LEfSe差异分析、KEGG通路富集及微生物-代谢物相关性网络构建。

结果：

微生物多样性及群落组成变化：

发酵前，中等级FTLs（X2）的微生物丰富度和多样性显著低于高、低等级。发酵后，高等级组（FX1）群落多样性增加，而低等级组（FX3）显著降低，Simpson指数降至0.50。Beta分析显示，发酵后样品在门和物种水平均发生明显分离，FX3沿PCo1轴位移最大。门水平上，放线菌门（Actinomycetota）在发酵后显著增加，在FX3中占比超70%；物种水平上，FX3中Corynebacterium ammoniagenes相对丰度达50%，而FX1保留了更复杂的群落结构，包括Brevibacterium sediminis、Bacillus subtilis、Pseudomonas putida和Escherichia coli等功能属。

功能预测与差异标志物：

NM分析显示，FX3在KEGG Level 2和3的功能组成中位置最远。富集通路包括“氨基酸代谢”、“碳水化合物代谢”、“ABC transporters”和“核糖体生物合成”。LEfSe分析鉴定出13个差异属，FX3中Corynebacterium和Aspergillus富集，FX1中Brevibacterium、Escherichia、Alternaria、Bacillus和Diaporthe等11个属显著富集。功能上，FX3富集“糖胺聚糖代谢”、“辅因子与维生素代谢”等通路，FX1则富集“信号转导”、“脂质代谢”和“ABC transporters”。

代谢物分类与整体变化：

代谢物化学分类显示，脂质及类脂分子（35.41%）、有机杂环化合物（19.03%）和有机酸衍生物（15.20%）为主要组分。PCA分析表明，PC1和PC2累计贡献60.2%方差，发酵后各组代谢 profile 发生显著位移但仍保持等级内聚集，提示初始等级对代谢背景具有主导作用。层次聚类进一步证实了等级内代谢轮廓的连续性。

差异代谢物与通路富集：

FX1与FX3比较筛选出1,436个差异代谢物（VIP≥1，p<0.05，|log?FC|≥0.58），其中FX1富含ponatinib、3-dehydrocholic acid、类胡萝卜素衍生物等，FX3富含nicotinamide、2-aminohexadecanoic acid等。KEGG富集分析表明差异代谢物主要涉及“泛醌与萜类醌生物合成”、“淀粉与蔗糖代谢”、“缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸生物合成与降解”及“类胡萝卜素生物合成”。热图显示21个关键代谢物中，FX1中D-fructose、trehalose、abscisic acid、chorismate、L-proline和α-tocotrienol等含量较高，FX3中hydroxyphenyllactic acid、3-dehydroquinic acid、isocitrate等更丰富。

微生物-代谢物相关性：

Pearson相关热图显示，Bacillus、Enterobacter和Klebsiella与trehalose、9,9′-dicis-zeta-carotene、abscisic acid等呈正相关；Corynebacterium、Brevibacterium和Alternaria与多种氨基酸、芳香族化合物及糖类代谢物负相关。

讨论：

发酵过程中微生物群落结构与代谢网络的共演变表现出明显的等级依赖性。高等级FTLs通过富集Bacillus、Escherichia等功能属，激活糖代谢、类胡萝卜素生物合成和信号转导通路，促进风味前体积累；而低等级FTLs中Corynebacterium的过度增殖可能导致氨等异味物质生成，损害感官品质。中等级FTLs发酵响应较弱，提示需通过微生物接种或参数优化激活其发酵潜力。Aspergillus在可控条件下可作为功能菌株定向改善风味，但失控时易导致劣变。等级并非决定发酵性能的唯一因素，微生物定殖能力、酶活及环境参数同样关键。

结论：

本研究阐明不同等级FTLs在发酵过程中呈现特异的微生物演替与代谢重塑模式。初始等级通过调控微生物群落结构（如Bacillus与Corynebacterium的平衡）及代谢通路（氨基酸、糖类、类胡萝卜素代谢）定向影响发酵品质。研究结果为雪茄工业的原料分级、发酵工艺优化及风味质量控制提供了理论基础与实践策略。