《Food Chemistry》：Aeration rate regulates organic acid metabolism during cereal vinegar solid-state fermentation: Insights from quantitative metagenomics and targeted metabolomics
编辑推荐：
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曝气速率影响酸的产生，进而影响酶的活性。
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绝对定量分析可以揭示被相对丰度掩盖的微生物数量下降。
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高曝气速率会促进乙酸的产生，同时限制乳酸和GABA的合成。
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建议采用分阶段调节曝气速率的方法来控制有机酸的组成。
引言
谷物醋
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曝气速率影响酸的产生，进而影响酶的活性。
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绝对定量分析可以揭示被相对丰度掩盖的微生物数量下降。
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高曝气速率会促进乙酸的产生，同时限制乳酸和GABA的合成。
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建议采用分阶段调节曝气速率的方法来控制有机酸的组成。
引言
谷物醋是一种传统的中国发酵食品，通过多个发酵阶段生产，其中乙酸发酵（AAF）是形成有机酸的主要过程。在AAF过程中，微生物的代谢产生了有机酸，这些有机酸之间的相互作用决定了最终的酸谱（Wu et al., 2021）。乙酸赋予了谷物醋清新、略带刺激性的风味，而乳酸则提供了温和的酸度（Nie et al., 2017）。其他有机酸，包括γ-氨基丁酸（GABA）和苹果酸，具有不同的生物活性（Dinkel et al., 1998; Lin et al., 2025; Sasaki et al., 1999）。因此，控制有机酸的组成对于改善谷物醋的风味和功能性非常重要。随着封闭式固态发酵器的工业应用，曝气已成为一个可控的过程参数，它影响着微生物的代谢和酸的形成。然而，曝气如何调节有机酸的代谢仍不明确，特别是在复杂的多物种固态发酵（SSF）系统中。
宏基因组学方法被广泛用于研究发酵食品生产过程中的微生物演替和代谢功能（Unno et al., 2021; Wu et al., 2021; Zepeda-Mendoza et al., 2018）。大多数研究依赖于相对群体分析，这种方法只能描述比例变化，但不能量化关键微生物的绝对丰度。因此，很难建立特定微生物的丰度与其代谢功能之间的直接定量关系。相对丰度的增加可能反映了实际的增长或竞争性物种的减少，从而掩盖了代谢网络中功能性物种的贡献（Jiang et al., 2019; Maghini et al., 2023）。这一限制在谷物醋的SSF过程中尤为重要，因为氧气可用性和酸的积累会不断重塑微生物群落。在这些动态条件下，某种微生物或功能基因的相对丰度增加并不一定意味着其绝对丰度或代谢潜力的增加，而可能是由于其他群组成员的减少所致。绝对定量宏基因组学通过使用内部标准将测序数据转换为绝对拷贝数，从而区分了微生物和功能基因丰度的实际变化和群体内的比例变化（Tang et al., 2025）。因此，我们假设曝气通过改变关键功能性微生物的绝对丰度和代谢潜力来调节有机酸的代谢，并且对氧供应的响应会随着底物可用性、微生物丰度和代谢活性的变化而变化。因此，针对不同发酵阶段的特定曝气策略可能有助于更精确地调节微生物代谢和有机酸的组成。
在本研究中，我们结合了绝对定量和相对定量宏基因组学以及靶向有机酸代谢组学，以探究曝气速率如何调节谷物醋SSF过程中的微生物生长和有机酸代谢。通过将微生物丰度和代谢潜力与有机酸谱联系起来，我们试图阐明曝气是如何控制酸代谢的。我们还评估了一种针对不同发酵阶段的特定曝气策略，以支持有机酸谱的方向性调节并提高醋的质量。
章节片段
化学品和试剂
甲醇（MeOH）购自默克公司（德国达姆施塔特）。所有实验中使用的MilliQ水（Millipore，美国布拉德福德）。所有标准品均购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。甲酸也购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。标准品的储备溶液在甲醇中的浓度为1 mg/mL。所有储备溶液均储存在-20°C。分析前用甲醇将储备溶液稀释为工作溶液。
固态发酵器中谷物醋发酵过程中的主要物理化学参数动态变化
TTA、乙醇、还原糖、氨基氮、非挥发性酸、温度和水分是谷物醋发酵的主要物理化学参数，其动态变化如图1所示。TTA的含量呈逐渐增加的趋势，而乙醇的含量在整个发酵过程中呈现相反的趋势（图1A-B）。在发酵结束时，高曝气率和中等曝气率组的TTA含量显著高于低曝气率组。
讨论
传统上，谷物醋是在陶罐中通过SSF方法生产的（Zhang, Wang, et al., 2025）。手动搅拌Cupei可以增强氧气交换，但这项工作耗时且难以控制。近期在谷物醋工业固态发酵器方面的技术进步提高了过程控制能力（Zhang, Li, et al., 2025）。这些发酵器可以调节曝气速率，进而影响关键代谢产物的形成。有机酸尤为重要，因为它们决定了醋的特性。
结论
本研究结合了绝对定量和相对定量宏基因组学以及靶向代谢组学，阐明了曝气如何调节多物种谷物醋SSF过程中的有机酸代谢。增加曝气速率提高了发酵效率：在高曝气条件下，酸的产生强度比低曝气条件下高15.38%，尽管发酵结束时细菌的丰度降低了59.7%。大多数与有机酸相关的代谢途径的绝对丰度降低了85-98%，表明
CRediT作者贡献声明
Ao Zhang:撰写——初稿、方法论、概念构建。Na Li:实验研究、数据分析。Wenjing Zhang:软件开发、实验研究、概念构建。Xinping Huo:数据可视化、验证、数据分析。Ruize Zhang:实验研究、数据分析。Yaao Zhou:数据可视化、验证、软件开发、实验研究。Jingli Zhou:数据可视化、软件开发、资源管理、数据分析。Jia Song:项目监督、方法论、概念构建。Min Wang:
未引用的参考文献
Li et al., 2024Li et al., 2023Viesser et al., 2021Zhang et al., 2020
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了天津市自然科学基金（25JJJJC0021）、国家自然科学基金（32472321）、天津市关键技术研究项目（25ZXWCSY00190）以及山西省创新研究团队的支持。
Ao Zhang|Na Li|Wenjing Zhang|Xinping Huo|Ruize Zhang|Yaao Zhou|Jingli Zhou|Jia Song|Min Wang|Yu Zheng
