《Food Chemistry: X》：Comparative multi-omics analysis of microbial succession, metabolite profiles, and antioxidant properties in fermented black and yellow highland barley
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有色谷物富含生物活性化合物，但与发酵相关的微生物、代谢物及抗氧化特性之间的关联尚不明确。研究人员采用微生物群落分析、非挥发性代谢组学及抗氧化测定方法，对黑青稞（BHB）和黄青稞（YHB）进行了比较发酵研究。两个品种均表现出微生物多样性降低、乳酸菌富集、真菌群落
有色谷物富含生物活性化合物，但与发酵相关的微生物、代谢物及抗氧化特性之间的关联尚不明确。研究人员采用微生物群落分析、非挥发性代谢组学及抗氧化测定方法，对黑青稞（BHB）和黄青稞（YHB）进行了比较发酵研究。两个品种均表现出微生物多样性降低、乳酸菌富集、真菌群落以Saccharomycopsis属为主导、酚类物质和花色苷含量增加以及黄酮类化合物减少的趋势。BHB保留了更高的黄酮类和花色苷含量以及更强的自由基清除活性，而YHB在总酚含量和抗氧化能力方面表现出更大幅度的提升。两个品种在发酵后期均以Pediococcus属为主导，但YHB形成了更为密集的正相关性细菌网络，而BHB则表现出更高的模块化程度以及黄酮类和酚酸类相关代谢物的富集。YHB相对更多地与氨基酸和肽类代谢物相关联。Lactiplantibacillus和Levilactobacillus与特定的酚类代谢物呈正相关。这些发现揭示了有色青稞发酵过程中微生物演替、代谢物变化及抗氧化特性之间共有的和品种特异的关联。
研究背景与科学问题
彩色谷物因富含多种生物活性化合物而备受关注，其中青稞作为青藏高原的重要谷类作物，广泛用于传统发酵食品和饮品（如青稞酒）的生产。不同颜色的青稞品种在初始化学组成和抗氧化特性上存在显著差异，尤其是黑青稞（BHB）和黄青稞（YHB）差异最为突出。然而，发酵过程中微生物群落动态演替、非挥发性代谢物转化与最终产品抗氧化品质之间的内在联系尚未被系统阐明。具体而言，品种依赖性的微生物群落结构、差异代谢物及抗氧化属性三者之间的关系缺乏整合性分析。因此，本研究旨在通过多组学联合分析，揭示BHB和YHB在相同发酵条件下是否呈现品种特异性的微生物演替模式、代谢物变化轨迹及抗氧化指标差异，从而为开发功能性发酵青稞产品提供理论依据。该论文发表于《Food Chemistry: X》。
关键技术方法
研究人员采用了整合多组学的研究策略：利用Illumina Nextseq 2000平台对细菌16S rRNA基因和真菌ITS区域进行高通量测序，分析微生物群落结构；采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-ESI-MS/MS）技术进行非挥发性代谢组学检测；同时测定了总酚、总黄酮、花色苷含量以及DPPH、ABTS、羟基自由基和超氧阴离子自由基清除能力等抗氧化指标。所有样品均来自甘南藏族自治州农业科学研究所统一试验田（海拔约2960米），于2023年收获。数据统计与分析借助SPSS、Majorbio云平台及R语言完成。
研究结果
3.1 抗氧化特性的动态变化
未发酵原料中，BHB的蛋白质、粗膳食纤维、脂肪及抗氧化相关化合物含量均高于YHB，其总黄酮、总酚和花色苷含量约为YHB的两倍。发酵过程中，两个品种的总酚含量整体上升，YHB在后期增幅更大；总黄酮含量则持续下降，但BHB始终维持较高水平；花色苷在前中期增加并于48小时达峰后略有回落。抗氧化活性方面，BHB的总抗氧化能力（T-AOC）、DPPH、ABTS、羟基自由基和超氧阴离子自由基清除能力普遍强于YHB，尽管YHB在总酚和总抗氧化能力上的相对增长更为显著。
3.2 微生物多样性的动态特征
细菌α多样性（Shannon指数）在两个品种中均持续下降，表明细菌群落逐步简化。细菌丰富度（Chao指数）在BHB中先升后降，而在YHB中先降后升，呈现品种特异性模式。真菌群落的丰富度和多样性均低于细菌，且在中后期Shannon指数趋近于零，显示极少数真菌类群占据主导地位。两个品种在0小时即已存在显著的α多样性差异，表明初始微生物群落本就不同。
3.3 微生物群落结构组成分析
细菌群落主要由Pediococcus、Lactococcus、Sphingobium、Massilia等属组成。Pediococcus在发酵后期（72小时）成为两个品种的共同优势菌。Lactococcus在24小时丰度最高后逐渐下降。主坐标分析（PCoA）显示细菌群落结构在两个品种间无显著分离，但真菌群落存在有限差异。线性判别分析效应大小（LEfSe）筛选出品种特异性生物标志物：BHB在24小时富集Gordonia和Frigoribacterium，48小时富集Enterococcus，72小时富集Levilactobacillus；YHB则在24小时富集Lactococcus和Flavobacterium。
3.4 共现网络分析
细菌共现网络显示，YHB网络具有更多边、更高平均度、更高网络密度和聚类系数，且正相关比例更高，表明其细菌群落连接更紧密、拓扑结构更复杂。BHB网络则具有更高的模块化程度和略高的负相关比例，呈现出更明显的区室化结构。关键种（keystone taxa）也存在差异：BHB网络的关键种为Bacillus和Zoogloea，而YHB网络的关键种包括Lactococcus、Enterococcus和Aquabacterium。
3.5 预测微生物功能谱的比较分析
基于PICRUSt2的功能预测表明，两个品种的微生物群落均以代谢相关功能为主，碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢和膜转运等功能丰度较高且相对稳定。在72小时，部分低丰度功能通路（如细胞运动、环境适应等）在品种间存在差异，且多数在YHB中预测丰度更高。但研究人员指出这些结果为基于分类组成的预测，需谨慎解读。
3.6 非挥发性代谢物的差异分析
主成分分析（PCA）和层次聚类清晰地将BHB与YHB分开。BHB含有更多品种特异性代谢物。差异代谢物（DAMs）主要分为12大类，BHB中上调的代谢物以黄酮类和酚酸类化合物为主，包括异夏佛塔苷衍生物、麦黄酮衍生物、金圣草黄素衍生物、咖啡酰类化合物等；而YHB则相对富集氨基酸和小肽类代谢物。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，差异代谢物主要涉及黄酮类生物合成通路，如金圣草黄素苷元生物合成、芹菜素C-糖苷生物合成、花青素生物合成等。
3.7 抗氧化特性、差异代谢物与微生物群落间的关联
Mantel检验和Spearman相关分析表明，抗氧化指标与黄酮类和酚酸类代谢物呈显著正相关，而与肽类代谢物呈负相关。Lactiplantibacillus和Levilactobacillus与多种黄酮和酚酸衍生物（如芹菜素-7-O-新橙皮苷、新樱花苷、6,7,8-四羟基-5-甲氧基黄酮等）呈正相关；而Flavobacterium和Saccharomycopsis则与这些抗氧化代谢物呈负相关。Pediococcus虽为后期优势菌，但与所选前50个差异代谢物的相关性较弱或不显著。
讨论与结论总结
讨论部分指出，发酵对抗氧化特性的影响存在品种依赖性：YHB在总酚和总抗氧化能力上增幅更大，可能与其结合态酚类释放有关；BHB则凭借更高的初始黄酮和花色苷含量维持了更强的自由基清除能力。微生物群落简化、乳酸菌富集及Saccharomycopsis主导是真菌群落的共同特征，但网络结构差异暗示BHB和YHB中微生物互作模式不同——YHB网络更紧密、协作潜力更强，BHB网络模块化更高。代谢组学进一步证实，BHB在发酵后期仍保持黄酮和酚酸类代谢物的优势，而YHB则更多转向初级代谢产物积累。相关性分析虽识别出Lactiplantibacillus和Levilactobacillus与抗氧化代谢物的正关联，但研究人员强调这仅为统计关联，因果关系有待验证。
研究结论翻译如下： 本研究通过多组学整合分析，探讨了有色青稞发酵过程中微生物演替、代谢物变化及抗氧化特性之间的关联。发酵在两个品种中展现出共同效应，包括微生物多样性降低、乳酸菌富集、真菌群落以Saccharomycopsis为主导、总酚和花色苷总体增加以及总黄酮下降。然而，BHB保留了更高的总黄酮和花色苷含量以及更强的总抗氧化能力、DPPH、ABTS、羟基自由基和超氧阴离子自由基清除活性，而YHB在发酵过程中总酚含量增幅更大。细菌演替模式总体相似，两个品种均在后期富集Pediococcus，但观察到品种特异性生物标志物和网络结构：YHB显示出更密集且正相关比例更高的细菌网络，而BHB则表现出更大的网络模块化程度。BHB相对富集黄酮类和酚酸类化合物及相关黄酮生物合成通路，而YHB与氨基酸和肽类代谢物以及若干低丰度预测功能通路的关联更强。相关性分析表明Lactiplantibacillus和Levilactobacillus与特定黄酮和酚酸代谢物呈正相关。然而，本研究主要揭示了基于多组学数据的相关性，特定微生物、关键代谢物与抗氧化活性之间的因果关系仍有待进一步探究。
