熟普茶发酵过程中微生物演替、功能动态及其与品质形成的关系

《Foods》:Microbial Succession, Functional Dynamics, and Their Relationship with Quality Formation During Ripened Pu-Erh Tea Fermentation

【字体: 时间:2026年09月09日 来源:Foods 6.0

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  理化分析显示,发酵显著降低了水浸出物、茶多酚、游离氨基酸、可溶性糖及大多数儿茶素(catechins)含量(p < 0.05),而黄酮类(flavonoids)与茶色素(tea pigments)显著积累。扩增子测序(amplicon sequencing)显

  
理化分析显示,发酵显著降低了水浸出物、茶多酚、游离氨基酸、可溶性糖及大多数儿茶素(catechins)含量(p < 0.05),而黄酮类(flavonoids)与茶色素(tea pigments)显著积累。扩增子测序(amplicon sequencing)显示,潘多拉菌属(Pantoea)与芽孢杆菌属(Bacillus)分别为发酵早、晚期优势细菌属,最大相对丰度分别为97.89%与63.66%;曲霉属(Aspergillus)与嗜热霉属(Thermomyces)为优势真菌属,最大相对丰度分别为98.34%与62.59%。发酵过程中细菌多样性先升后降,真菌多样性骤降后趋稳。共现网络(co-occurrence network)分析表明微生物互作以合作为主,网络复杂度随发酵推进逐渐降低。功能预测显示中晚期氨基酸与碳水化合物代谢增强。关键阶段微生物群落与不同风味物质显著相关,塑造熟普茶最终香气特征,这些动态变化解释了茶叶品质变异,并为优化发酵工艺提供依据。
研究背景方面,茶由山茶属(Camellia sinensis)鲜叶加工而成,云南普洱分生普与熟普(RpPT)。熟普属后发酵茶(dark tea),靠加水、控温及微生物作用进行渥堆发酵(pile fermentation)。现有研究多关注单种或少数微生物,对种群水平上的细菌—真菌群落多样性、组成、结构、功能演替及其与品质形成关系认识不足;纯培养困难,实际生产为多菌株协同,因此需要从微生物群组(microbiome)层面研究。研究人员提出假设:后发酵中整个微生物群落动态演替是化学转化与最终品质形成的首要驱动,单物种无法完全解释该过程。为此,研究人员从四条独立发酵线采集75份样本做扩增子与功能预测,关联理化、感官与挥发物,论文发表于《Foods》。
主要技术方法上,研究人员于2023年11月至2024年1月从勐海六渡茶山茶厂与云南农业大学茶学院两条地点、四条发酵线(DF、TF、SG、HK)按五点取样法在多时间点采样,分初、早、中、晚、终五阶段,建生物重复并冻存;用国标法测水浸出物、茶多酚(TP)、游离氨基酸(FAA)、可溶性糖、黄酮、儿茶素、咖啡因及茶黄素(TFs)、茶红素(TRs)、茶褐素(TBs);由5名认证评茶员按GB/T 23776-2018感官评审,并用电子鼻(E-nose)和顶空固相微萃取(HS-SPME)联用全二维气相色谱—飞行时间质谱(GC×GC-TOF-MS)分析挥发物;以16S rRNA V3-V4与ITS2扩增子测序在Majorbio平台做OTU聚类(97%相似)、SILVA注释、PICRUSt2功能预测、PCoA、LEfSe、共现网络与O2PLS关联分析。
3.1 发酵过程中理化性质变化:研究人员通过理化测定发现,水浸出物、TP、FAA、可溶性糖与多数儿茶素显著下降,黄酮与TFs、TRs、TBs积累,TB升幅最大;CG变化不一致,GA在SG/TF升高、DF/HK降低,说明原料与工艺导致化学转化差异。
3.2 感官特性变化:研究人员经传统感官与电子鼻分析发现,生普青黄、苦涩清香,熟普汤色橙红至深红、醇甜滑顺;TF、SG、HK外观无显著差异但与DF不同,HK香气与其余三批差异显著;电子鼻W2S、W1W、W1S响应可区分批次。
3.3 真菌与细菌群落组成的动态变化:研究人员对75份样本扩增子分析发现,细菌以变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteriota)为主,早期Pantoea可达97.89%,晚期Bacillus达63.66%,Staphylococcus在SG/TF末期较高;真菌子囊菌门(Ascomycota)占84.10–99.95%,Aspergillus早段83.94–98.34%,中晚Thermomyces升至32.79–62.59%;核心真菌含Aspergillus、Thermomyces、Rhizomucor。
3.4 发酵过程中微生物群落多样性和结构变化:研究人员用α/β多样性与NMDS发现,细菌丰富度总体随发酵上升,真菌丰富度0天最高后骤降;细菌NMDS1随发酵时间离散,真菌开局骤变后缓变,说明二者演替模式完全不同。
3.5 微生物群落物种差异与互作模式:研究人员用LEfSe与Spearman网络(|r|>0.6)发现,s段真菌标志为Cladosporium/Debaryomyces,e段Aspergillus富集,m段Thermomyces/Rhizomucor,t段Trichomonascus/Thermomyces;细菌标志随阶段转为Shimwellia、Mycobacterium、Kocuria、Bacillus等;共现网正关联系数多于负关联,模块化指数超0.44,节点与边随发酵减少,说明互作以共生、合作、营养互养(syntrophy)为主,网络复杂度下降。
3.6 细菌与真菌群落功能:研究人员用PICRUSt2联COG、KEGG、MetaCyc预测发现,细菌功能未知类最高,氨基酸转运与代谢、碳水化合物转运与代谢在中晚期增强;真菌注解876种酶,半乳糖降解、甲壳素降解、棕榈酸合成等通路后期上调,漆酶(laccase)、β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)、纤维素酶(cellulase)、果胶酯酶(pectinesterase)、蛋白酶(protease)等参与多酚氧化、多糖与蛋白降解。
3.7 熟普茶香气成分谱:研究人员用GC×GC-TOF-MS与ROAV发现,挥发物以有机杂环、烃、苯类、酮、酯、醇为主;四批共有1509种化合物,关键呈香物含(E)-2-壬烯醛、庚醛、2-十一酮、2,3-丁二酮、2-戊基呋喃、三甲基吡嗪(trimethyl-pyrazine)、1-辛烯-3-酮等;TF陈香与醇味代谢物积累更高,HK具α-松油醇(α-terpineol)与苯乙醛特征,DF整体偏弱,SG富集十六酸乙酯。
3.8 微生物与特征风味代谢物关系:研究人员用O2PLS与Pearson网(|r|>0.6)发现,s段Cladosporium、Methylobacterium–Methylorubrum、Alternaria贡献大,e段Streptomyces、Kocuria、Staphylococcus、Rhizomucor,m段Cryptococcus、Curtobacterium、Acinetobacter,a段Shimwellia、Brachybacterium、Kocuria、Bacillus、Enterococcus,t段Pseudomonas、Shimwellia、Virgibacillus、Rhizomucor;Luteibacter与醛酮吡嗪正相关,Methylobacterium–Methylorubrum与2-乙基-6-甲基吡嗪强正相关。
3.9 理化性质与微生物群落相关分析:研究人员做Spearman相关发现,Aspergillus与TFs正、与FAA负,Thermomyces与TBs正(ρ=0.913),Rhizomucor与TRs正、与可溶性糖负,Bacillus与TBs正,Pantoea与TFs负;表明群落演替关联底物消耗与色素积累。
讨论部分总结:研究人员指出四条发酵线在原料产地、堆量、时长、翻堆频率、温控与模式(传统/数字)上不同,会通过氧、热、水、基质利用共同影响微生物演替与品质,不能把差异只归为群落演替;扩增子与会功能预测可指示潜在角色,但核心菌种与酶促机制仍待分离培养、接种调控与代谢验证。
结论部分翻译:综上,研究人员综合考察了四种熟普茶样本的微生物群落组成、结构、功能、互作模式与风味物质,并将关键风味物与相关微生物关联。不同发酵样本中存在一致现象:真菌群落多样性显著降低,Aspergillus与Thermomyces是熟普发酵中最优势微生物;微生物间关系以正关联为主,说明合作关系多于竞争关系;风味化合物丰度因批次而异但组成格局基本一致;Pantoea、Penicillium与Methylobacterium–Methylorubrum是熟普发酵关键微生物,并与多种风味化合物显著相关。本研究揭示了熟普发酵整体变化规律,并提供原料与发酵条件潜在差异的见解,为优化熟普发酵工艺与提升品质提供依据。需注意,扩增子测序与预测功能分析虽可有效推测微生物在普洱茶发酵中的潜在作用,未来仍须实验深入验证。
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