综述：发酵肉制品中的代谢组学研究方法：聚焦乳酸菌与发酵剂

《Microorganisms》：Metabolomic Approaches in Fermented Meat Products: Focus on Lactic Acid Bacteria and Starter Cultures

　　

乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）及其他发酵剂在发酵肉制品中通过调控发酵进程、保障产品安全性、塑造感官特性及驱动代谢产物生成发挥关键作用。基于质谱技术的代谢组学方法，涵盖气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）与毛细管电泳-质谱联用（CE-MS），联合核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）技术，为挥发性与非挥发性代谢产物的表征、产品质量监控及候选生物标志物筛选提供了有效工具。本叙述性综述系统梳理了近七年应用于发酵肉制品的代谢组学研究进展，重点关注乳酸菌、发酵剂，以及与品质、安全及发酵过程相关的代谢产物。总体而言，代谢组学可支撑发酵肉制品的整体特征解析，深化研究人员对发酵与成熟阶段微生物代谢活动的认知。

1. Introduction

乳酸菌是一类革兰氏阳性、过氧化氢酶阴性、耐酸、非呼吸型、不产芽孢的球菌或杆菌，其基因组鸟嘌呤+胞嘧啶（G+C）含量较低，核心代谢特征是以乳酸作为碳水化合物发酵的主要终产物。乳酸菌通常被认定为非致病微生物，具有公认安全（Generally Recognized as Safe, GRAS）或食品级地位，但链球菌属、肠球菌属、乳球菌属及肉食杆菌属中存在例外菌株，因此安全性评价需针对特定物种甚至菌株开展，不可泛化至整个类群。乳酸菌广泛应用于乳制品（发酵乳、酸奶、菲达干酪等）、发酵果蔬及果蔬汁、肉制品（如干发酵香肠、酸肉）及葡萄酒等食品体系。特定菌株仅经充分研究证实其对宿主的健康益处后，方可界定为益生菌。在发酵肉制品中，部分乳酸菌菌株已高度适应肉类基质环境，能够显著影响挥发性化合物谱。乳酸菌可合成有机酸、细菌素、氨基酸、胞外多糖及维生素等代谢产物，维持肠道菌群平衡与稳定性。鉴于食品基质的复杂性，代谢组学、蛋白质组学等组学技术可单独或联用，实现对接种乳酸菌肉制品的整体表征：一是阐明影响肉品质的分子机制与通路，二是识别差异代谢物与候选标志物，三是建立感官特性、遗传起源等新型品质评价指标。乳酸菌代谢组学可通过监测氨基酸消耗、有机酸及挥发性有机物积累实现菌株溯源，而代谢物谱联合多元统计分析可有效区分自然发酵与人工接种样品。当前代谢组学研究主要依托两大分析平台：质谱（MS）平台与核磁共振平台。质谱平台通常耦合色谱或电泳分离技术（GC、LC或CE）进行检测，灵敏度高且代谢物覆盖广；核磁共振平台为非破坏性检测，样品前处理简单，可快速获取代谢指纹，但灵敏度较低且存在谱峰重叠现象。两类平台结合统计与生物信息学工具，可挖掘食品质量监控的生物标志物，解析关键代谢物的分子通路。本综述旨在系统总结发酵肉制品中聚焦乳酸菌、发酵剂及相关代谢物的代谢组学研究，检索策略基于Scopus数据库，采用“代谢组学与肉制品”“代谢组学与乳酸菌”“代谢组学与肉制品及乳酸菌”组合关键词，梳理组学技术在乳酸菌与肉制品研究中的最新进展。

2. Omics Technologies in LAB

乳酸菌在代谢过程中可产生短链脂肪酸、胺类、细菌素、胞外多糖及维生素等代谢产物。部分乳酸菌高度适应肉类环境，通过调控发酵期代谢物水平影响肉制品挥发性成分组成。乳酸菌代谢组学可通过追踪氨基酸消耗、有机酸及挥发性有机物积累实现菌株溯源。乳酸菌通过硝酸盐/亚硝酸盐降解、分泌抗菌与抗氧化代谢产物及乳酸细菌素，改善发酵肉制品的理化特性。此外，乳酸菌还可提升食品营养价值、抑制有害微生物增殖、延长货架期、优化肉制品色泽、风味及pH值。在低钠盐肉制品研究中，相关性分析显示乳杆菌属（Lactobacillus）与片球菌属（Pediococcus）与醛类、酸类、醇类及多数酯类化合物呈显著正相关。二者通过乳酸脱氢酶分解碳水化合物生成乳酸——3-羟基-2-丁酮的前体物质；同时与亚麻酸、亚油酸呈正相关，而后两者与己醛、壬醛、庚醛及1-辛烯-3-醇等挥发性风味物质密切相关，源于发酵期脂质降解这一挥发性化合物的主要来源。乳杆菌属、乳球菌属（Lactococcus）与片球菌属还与缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等游离氨基酸呈正相关，显著影响发酵肉制品的整体风味。对哈尔滨干香肠分离的戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）开展的GC-TOF-MS代谢组学分析显示，氧化胁迫下共检测到326种代谢物（141种已知、15种未知），已知代谢物中氨基酸占比最高，依次为有机酸、碳水化合物、核苷酸、脂肪酸、脂质及烷基胺；74种差异代谢物分为11类，其中27种氨基酸变化最显著，其次为15种核苷酸、9种碳水化合物、9种有机酸、9种脂质及3种脂肪酸。在盘县火腿静置与成熟阶段，葡萄球菌属（Staphylococcus）为优势菌属，促进氨基酸与脂肪酸生成；其强酶活性（硝酸盐还原酶、过氧化氢酶、脂酶、蛋白酶）是火腿风味与滋味形成的关键，同时通过一氧化氮合酶延长货架期，拮抗不良微生物，传统自然发酵过程中可使病原微生物持续减少直至消失。针对西班牙传统干发酵香肠Fuet的研究表明，商业发酵剂因葡萄球菌物种多样性有限，无法复现传统香肠的代谢谱；接种香肠的代谢物变异源于商业发酵剂微生物组成的差异——未接种香肠中凝固酶阴性葡萄球菌（S. carnosus、S. xylosus、S. equorum、S. saprophyticus）与酯类、甲基醛及酮类生成密切相关，而接种香肠中仅S. carnosus、S. xylosus分别与醛类、酮类、酯类或酸类、醇类、酮类的生成呈正相关。对中国金华、宣威、如皋火腿，西班牙伊比利亚火腿及意大利帕尔玛火腿的代谢组学分析显示，葡萄球菌是非乳酸菌优势菌属，与乙酯十四烷酸酯、蓖麻油酸、肌苷酸、晁模酸、牛磺酸、亚油酸、油酸、焦磷酸及肌肽等品质相关代谢物呈正相关，参与火腿成熟期的氨基酸与脂肪酸生成。在低亚硝酸盐且添加没食子酸的中国发酵香肠中，葡萄球菌与二甲胺、三甲胺及特定肽段、游离氨基酸呈正相关，而格氏乳球菌（L. garvieae）、台湾乳球菌（L. formosensis）及乳酸乳球菌（L. lactis）与上述化合物呈负相关；没食子酸通过抑制腐败菌调控氨基酸代谢，同时促进乳酸菌生长。针对意大利萨拉米香肠的研究表明，木糖葡萄球菌（S. xylosus）、戊糖片球菌及清酒乳杆菌（L. sakei）对肉基质适应性优异，乳酸菌为整个成熟期优势菌群，适合作为发酵剂；三者代谢谱存在差异：清酒乳杆菌主要与脂质、蛋白相关变化关联，戊糖片球菌则与脂肪酰基、有机氮化合物及γ-谷氨酰肽的生成增加相关，且清酒乳杆菌是成熟期代谢谱改变的核心驱动因子。混合发酵剂（清酒乳杆菌、戊糖片球菌、木糖葡萄球菌）接种的萨拉米香肠经UHPLC-HRMS分析鉴定出144种判别代谢物，其中精氨酰丝氨酸为独有代谢物；混合发酵通过菌株间代谢互作显著提升氨基酸、肽类、嘧啶、嘌呤及咪唑类物质水平。在发酵干腌羊肉香肠中，添加乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）可提升香肠风味，与酯类、醛类呈正相关；接种后8种氨基酸与4种肽类水平显著升高，促进缬氨酸、脯氨酸、鸟氨酸合成及苯乙醇、1-辛烯-3-醇等仲醇生成，同时提高乳酸菌总丰度，降低腐败菌数量。基于MS的代谢组学技术还可解析乳杆菌生长特性及乳酸发酵供能机制，明确糖、有机酸、氨基酸及腺苷衍生物在细胞生长过程中的动态变化，筛选出肉碱、磷酸丙糖、5-脱氧甲硫腺苷、磷酸、苯丙氨酸、柠檬酸、塔罗糖、赖氨酸、肌醇及海藻糖等10种核心代谢物及5-脱氧甲硫腺苷这一关键腺苷衍生物。

3. Omics Technologies in Meat Products or Cured Meat Products Inoculated with LAB

传统干腌肉制品的风味形成依赖发酵与成熟阶段的微生物及酶促活动。微生物群落多样性可导致代谢行为差异，进而影响发酵肉制品的挥发性与非挥发性代谢物谱——例如商业发酵剂（戊糖片球菌、木糖葡萄球菌）可赋予肉制品温和的“地中海”风味，而清酒乳杆菌（Latilactobacillus sakei）、弯曲乳杆菌（Latilactobacillus curvatus）与木糖葡萄球菌联用可调控发酵香肠的挥发性组谱。除发酵香肠外，鸡肉制品等即食肉制品易受食源性致病菌与腐败菌污染，影响货架期与食品安全，而成熟期末期代谢物发生显著变化，因此代谢组学被广泛应用于肉品质评估与品质性状解析。无硝酸盐萨拉米的UHPLC-QTOF-MS分析鉴定出111种代谢物，以脂肪酰基（31种）与甘油磷脂（27种）为主，其次为萜类脂质（10种）及甾体、羟基脂肪酸等，证实冷风干燥成熟工艺可生产无添加剂（硝酸盐/亚硝酸盐）干发酵香肠。中国传统酸肉的低钠盐发酵GC-MS研究显示，低钠与传统酸肉分别鉴定出68种与77种差异代谢物（含机酸、氨基酸、肽酰胺、酮类、醛类、糖类、脂质、核酸及其衍生物）；低钠酸肉发酵末期游离氨基酸水平高于传统酸肉，表明减盐可促进蛋白质水解，加速产品成熟并提升营养价值，且游离氨基酸积累与低钠发酵期更高的微生物多样性相关。¹H NMR技术表征了发酵姜糊腌制鸡肉的抗菌活性相关生物活性代谢物，共检出25种代谢物（13种脂肪族化合物、10种糖类、2种芳香族化合物），蔗糖浓度低于葡萄糖与果糖，源于发酵过程中的蔗糖利用及单糖生成。Fuet香肠的代谢组学比较显示，自然发酵香肠与两种商业发酵剂（戊糖片球菌、乳酸片球菌、木糖葡萄球菌、肉葡萄球菌组合；或戊糖片球菌、木糖葡萄球菌组合）接种香肠分别鉴定出142、149、120种差异代谢物（含氨基酸、二肽、碳水化合物、有机酸、脂肪酸及磷酸胆碱衍生物），三者代谢谱差异显著；接种发酵与氨基酸、脂肪酸、鹅肌肽及肌肽水平呈正相关，可促进氨基酸、脂肪酸积累与二肽生成。盘县火腿自然发酵的GC-TOF-MS分析共检出226种代谢物，31种显著差异代谢物涵盖15种氨基酸、6种脂肪酸、3种有机酸、2种糖类、2种多元醇、2种核酸及1种其他代谢物。CE-MS技术分析干腌火腿亲水性分子显示，氨基酸（谷氨酰胺、半胱氨酸、天冬酰胺、亮氨酸）、有机酸、肽类、核苷酸及中间代谢物浓度随成熟期递增，提升感官评分，且成熟期可从680天缩短至540天而不影响风味与品质。黑猪干腌火腿SPME GC-MS分析在成熟期共检出407种挥发性化合物，210天为关键生成节点；醛类与醇类为主要风味物质，源于脂肪酸氧化与氨基酸降解。传统干发酵香肠salchichón的¹H HR-MAS NMR代谢组学分析鉴定出177种代谢物（含氨基酸、肽及其类似物、碳水化合物、有机酸及其衍生物、核苷、核苷酸及其类似物、脂肪酸及其他物质），可有效监控发酵进程并按成熟期分类样品，证实NMR代谢组学可同步监测微生物活动、蛋白水解与脂解过程。骨骼肌代谢物（糖类、氨基酸）受遗传背景、饲喂方式、肌肉类型、宰后成熟及肉品加工过程影响，与肉色、持水力（WHC）、pH下降、风味及适口性等品质性状相关：肉色红度与褪色受肌红蛋白化学状态调控，持水力则受肌原纤维蛋白变性导致的持水能力下降影响。干腌火腿的多组学联合分析（高通量16S rRNA测序+UHPLC-Q/TOF-MS）共检出269种化合物（49种氨基酸、108种脂质及类脂分子、76种有机酸及其衍生物、9种核酸、核苷酸及其类似物），差异代谢物以肌肽、L-谷氨酸、L-正亮氨酸、α-亚麻酸、肉豆蔻脑酸、蓖麻油酸、L-组氨酸等氨基酸为主，且与微生物显著相关；干腌火腿氨基酸水平显著高于鲜肉对照，是风味形成的前体物质。低亚硝酸盐中国发酵香肠中没食子酸的UHPLC-MS/MS分析鉴定出719种代谢物（285种有机酸及其衍生物、157种脂质及类脂分子、78种有机磷化合物、54种有机氧化合物、13种有机氮化合物及其他类别），51种差异代谢物以有机酸及其衍生物、脂质及类脂分子为主，证实没食子酸可通过调控脂质代谢控制二甲胺与三甲胺水平。添加0.5%葡萄糖与混合发酵剂的意大利萨拉米UHPLC-HRMS分析检出1841种代谢物（含氨基酸、肽、甘油脂质、核酸），凸显葡萄糖添加与发酵剂接种的协同作用。金华火腿LC-MS/MS分析显示正常与腐败火腿代谢谱差异显著，42种差异代谢物以肽类与氨基酸衍生物为主；腐败火腿中Ile-Lys-Thr-Lys浓度为正常的2.2倍，导致苦味增强；α- licensing酸、2-羟基十六烷酸及11-氧代十八烷酸等有机酸含量升高，是腐败火腿酸味的主因；脂肪酸（2-羟基十六烷酸、16-羟基十六烷酸）含量上升反映脂肪降解加剧，嘌呤代谢、嘧啶代谢与蛋白质降解是腐败火腿的核心通路。发酵干腌羊肉香肠的代谢组学分析显示，接种乳酸片球菌与米根霉的混合发酵组共检出92种挥发性代谢物，46种为传统与接种组共有；接种组12种关键挥发性代谢物中5种醛类（(E)-2-癸烯醛、(E)-壬烯醛、2-十一碳烯醛、辛醛、E-2-辛烯醛）含量升高，为脂质氧化产物，主导风味形成；1-辛烯-3-醇及4种酯类（己酸乙酯、月桂酸乙酯、棕榈酸乙酯、庚酸乙酯）浓度较高，酯类源于酸醇酯化，贡献青香、果香、甜香与花香。非挥发性代谢物分析显示传统与接种组分别检出779种与350种代谢物，接种组39种显著差异代谢物涵盖20种脂质（12种多不饱和脂肪酸与磷脂）、8种氨基酸、4种肽、8种有机酸、4种肉碱、3种糖类及其他物质；磷脂氧化及其中间产物与美拉德反应互作生成多种香气活性物质，接种组磷脂水平降低，表明氧化脂解速率提升，加速成熟进程；8种差异氨基酸（L-鸟氨酸、L-谷氨酸、色氨酸、脯氨酸、缬氨酸、D-脯氨酸、L-组氨酸、L-蛋氨酸）改善感官特性；接种组糖类4天后显著下降，有机酸含量上升，调控风味形成，整体缩短成熟期，提升功能性化合物水平。

4. Discussion

发酵肉制品是在自然或可控条件下由特定微生物驱动的系列生化反应与物理变化的传统食品，风味形成依赖微生物与酶促活动。发酵剂常用微生物包括乳酸菌、微球菌、葡萄球菌、霉菌及酵母菌，接种可提升乳酸菌丰度，降低腐败菌数量。部分乳酸菌菌株经证实具有调节肠道菌群等宿主健康益处时可界定为益生菌，发酵肉制品中常见乳杆菌属、乳球菌属、明串珠菌属及片球菌属，辅以凝固酶阴性葡萄球菌、酵母与霉菌等技术相关微生物。发酵期乳酸菌可产生短链脂肪酸、胺类、细菌素、胞外多糖及维生素，驱动蛋白、脂肪与碳水化合物降解为小分子物质。部分乳酸菌高度适应肉类环境，通过调控代谢物水平影响挥发性成分组成，脂肪氧化、蛋白水解与糖原分解生成的代谢物互作形成酯类、醇类等物质，提升产品品质，其代谢组学可动态监测氨基酸消耗、有机酸及挥发性有机物积累。NMR与MS代谢组学平台联合统计方法已广泛应用于发酵肉制品研究：NMR快速、无损、前处理简单，但灵敏度低、谱峰易重叠；MS耦合色谱/电泳分离技术灵敏度高、代谢物覆盖广，尤其适用于次级代谢产物分析。两类平台互补而非替代，结合统计与生物信息学工具可支撑肉制品品质预测、掺假鉴别、加工效应评估与真实性溯源，通过生物标志物挖掘区分自然与人工接种样品。代谢组学可单独或联合基因组学、转录组学、蛋白质组学、肽组学、脂质组学实现发酵肉制品整体表征，解析品质调控通路、筛选差异代谢物与候选标志物，建立感官特性、新鲜度、遗传起源、地理起源等新型品质指标，未来可进一步结合感官分析解析地域特色产品的风味形成机制。现有研究仍存在局限性：MS平台（GC-MS、LC-MS、CE-MS及其高分辨变体）虽灵敏度高、覆盖广，但不同研究的样品前处理、分析流程与统计方法差异大；NMR平台虽快速重现性好，但灵敏度不足。氨基酸、肽类、有机酸、脂肪酸、醛类、酮类、酯类、核苷酸及生物胺是反复出现的代谢物类群，与微生物活动、成熟进程、风味形成及安全相关，主要源于蛋白水解、脂解、碳水化合物发酵、氨基酸代谢与脂质氧化，但多数生物标志物仍具研究特异性，需跨产品验证。未来需结合非靶向筛选与靶向验证，标准化样品制备、数据处理流程，整合微生物学与感官数据，提升结果的生物学解释力与可比性。乳酸菌发酵剂可稳定生成风味相关化合物，推动发酵工艺标准化，提升食品安全性与稳定性，但自然环境中微生物的发酵贡献仍需深入解析，需进一步明确乳酸菌与发酵剂的代谢通路与代谢谱，支撑产业应用。基于高分辨率质谱的代谢组学已可实现腐败检测、食品安全与真实性相关化合物的识别，牛肉渗出液代谢组学可监控腐败发展与沙门氏菌污染，鉴定出次黄嘌呤、黄嘌呤、三甲胺、酰基辅酶A、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、一磷酸腺苷（AMP）等49种腐败相关代谢物及40种沙门氏菌接种相关代谢物（以氨基酸与肽类为主）。非靶向代谢组学可有效检测肽类、游离氨基酸、核苷酸、有机酸等非挥发性小分子，GC-MS可全面解析挥发性化合物谱；从干香肠分离的S. vitulinus与S. equorum作为发酵剂可改善风味，葡萄球菌通过氨基酸代谢调控风味物质生成。茶多酚（尤其是没食子酸）作为天然添加剂可提升发酵肉制品的安全性与品质，通过促进格氏乳球菌生长、抑制粪肠球菌与弗氏柠檬酸杆菌等腐败菌，降低生物胺水平。植物乳植杆菌与汉逊德巴利酵母单菌及共发酵可调控酸化、蛋白水解与脂质重塑，酵母共接种可丰富香气复杂度、重塑小分子代谢，优化风味与质地；非靶向LC-HRMS/LC-MS代谢组学联合PCA、OPLS-DA、层次聚类、韦恩分析及KEGG通路富集可有效揭示不同接种比例下的微生物互作对代谢网络的重塑机制，明确氨基酸、肽、脂质及核苷酸代谢与感官、安全指标的关联。保加利亚乳杆菌乳酸亚种N102与清酒乳杆菌H1-5单菌及复合接种的¹H NMR代谢组学显示，二者可协同提升产品的工艺功能特性与生化组成；现代加工火腿的风味形成依赖游离氨基酸、小肽及有机酸等核心代谢物。清酒乳杆菌与非乳酸菌发酵剂肉葡萄球菌的单菌及复合发酵LC/MS代谢组学表明，二者代谢互作可增加共发酵香肠的功能代谢物丰度。

5. Conclusions

乳酸菌广泛应用于各类食品体系，部分物种高度适应肉类环境，可合成有机酸、细菌素、氨基酸、胞外多糖及维生素等代谢产物，提升发酵肉制品的风味与整体接受度。鉴于食品基质的复杂性，代谢组学等组学技术可单独或联用，实现对接种乳酸菌发酵肉制品的整体表征。质谱与核磁共振是当前主流代谢组学平台，可阐明肉品质相关分子机制与通路，识别差异代谢物与候选生物标志物，建立新型品质评价指标。明确乳酸菌与发酵剂在发酵肉制品中的代谢活动，可为产业优化生产工艺、标准化品质参数提供支撑。未来需整合多组学数据，系统解析品质变异的深层机制，组学技术在肉制品领域的应用前景广阔，将在乳酸菌驱动的肉制品安全生产、工艺开发与品质标准化中发挥核心作用。