《Food Chemistry》：Integrated multi-omics and machine learning analysis of 3-phenyllactic acid variation across diverse kimchi types
编辑推荐：
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白菜、春菜和萝卜 Kimchi 的 PLA 水平相对较高。
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水分较多的 Kimchi 类型由于稀释效应，PLA 水平非常低。
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芥末和郭德卢佩吉（Godeulppaegi）Kimchi 由于前体物质不平衡，PLA 水平较低。
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PLA
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白菜、春菜和萝卜 Kimchi 的 PLA 水平相对较高。
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水分较多的 Kimchi 类型由于稀释效应，PLA 水平非常低。
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芥末和郭德卢佩吉（Godeulppaegi）Kimchi 由于前体物质不平衡，PLA 水平较低。
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PLA 的产生取决于苯丙氨酸和乳酸之间的平衡。
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仅W. koreensis的数量并不能保证高 PLA 产生。
引言
3-苯乳酸（2-羟基-3-苯丙酸；PLA；C?H??O?；166.17?g/mol）是一种由乳酸菌（LAB）产生的有机酸（Chaudhari & Gokhale, 2016）。PLA 以 D-PLA 和 L-PLA 的形式存在，这两种形式都对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、丝状真菌以及酵母具有广谱抗菌活性，尤其是在酸性条件下（Chaudhari & Gokhale, 2016; Jung et al., 2019）。最近的研究进一步表明，PLA 可以促进宿主健康并延长模型生物的寿命，包括秀丽隐杆线虫和小鼠（Kim, Jo, et al., 2024; Shelton et al., 2023）。这些效果与激活保守的应激反应和代谢途径有关，包括蛋白 skinhead-1/核因子 erythroid 2–相关因子 2、激活与应激相关的转录因子以及过氧化物酶体增殖激活受体 gamma 信号通路（Kim, Jo, et al., 2024）。据报道，PLA 还可以防止代谢功能障碍、肠道屏障损伤和炎症（Shelton et al., 2023）。这些发现增加了人们对 PLA 作为功能性相关微生物代谢物以及改善发酵食品生物和防腐特性的潜在目标的兴趣。
Kimchi 是一种传统的韩国发酵食品，以其益生菌活性和发酵过程中产生的有益代谢物而闻名（Cha et al., 2024; Lee et al., 2025; Park et al., 2014）。Kimchi 中的主要发酵剂是乳酸菌（LAB），它们参与了生物活性化合物的生成，包括 PLA、2-羟基异己酸（HICA）和 N-乳酸酰氨基酸（Christa et al., 2022; Jung et al., 2019; Jung et al., 2024; Kim, Jung, et al., 2024; Park et al., 2017）。这些代谢物增强了 Kimchi 的健康益处、功能性、保质期和感官特性。先前的研究阐明了这些化合物的代谢途径，并确认了它们与特定乳酸菌种类的关联（Jung et al., 2019; Jung et al., 2024; Kim, Jung, et al., 2024; Park et al., 2017）。然而，这些化合物在复杂食品基质中的产生不能仅由潜在的生产微生物的存在来解释，因为底物的可用性和发酵条件也会影响代谢活性。
Kimchi 中功能代谢物的产生受到所用原材料和主导发酵过程的微生物群落的影响（Choi et al., 2023; Song et al., 2020）。成分组成、预处理过程以及发酵条件（如盐浓度、温度和红辣椒粉含量）在塑造代谢物谱型中起着关键作用（Jung et al., 2021; Jung et al., 2025）。主要植物组织的生理特性也可能影响其初始的碳水化合物和氨基酸池，从而为微生物代谢提供不同的底物。因此，使用茎部、根部或高水分成分制成的 Kimchi 可能表现出不同的发酵轨迹和代谢物组成（Jung et al., 2025; Song et al., 2021）。
尽管大多数先前的研究都集中在以白菜为基础的 Kimchi（白菜，Brassica rapa subsp. pekinensis）上，但许多其他 Kimchi 品种以其主要成分而区别开来。这些包括萝卜、芥末（Brassica juncea）和郭德卢佩吉（Crepidiastrum sonchifolium）。此外，Kimchi 可以根据水分含量分为常规类型或水分较多类型，例如 dongchimi 或 nabak（Jeong et al., 2013; Kyung et al., 2015; Patra et al., 2016）。鉴于原材料、水分含量和发酵条件的差异，预计不同类型 Kimchi 的代谢物谱型会有很大差异（Song et al., 2021）。然而，同时评估多种 Kimchi 类型的代谢物组成、乳酸菌演替和功能代谢物积累的比较研究仍然有限。先前的研究通常分别考察单独的 Kimchi 类型或分别评估微生物和代谢组特征，尚未解决是否可以根据共同的 PLA 相关微生物和代谢特征系统地对多样化的 Kimchi 类型进行分类的问题。
PLA 由多种微生物产生，包括乳酸菌（LAB）、大肠杆菌 和真菌（Chaudhari & Gokhale, 2016; Rajanikar et al., 2021）。LAB 中的 PLA 合成来自氨基酸代谢，参与 PLA 合成的酸是苯丙氨酸和 ?-酮戊二酸。苯丙氨酸首先被转氨成为苯丙酮酸（PPA），然后 PPA 进一步还原为 PLA。PLA 主要通过苯丙酮酸途径从苯丙氨酸合成。在这个途径中，苯丙氨酸首先通过氨基转移酶介导的转氨基反应转化为苯丙酮酸，随后苯丙酮酸在 NADH 作为还原辅因子的情况下被乳酸脱氢酶相关酶还原为 PLA（Mu et al., 2012; Zhang et al., 2014）。例如，Lactiplantibacillus plantarum 和 Weissella koreensis 具有较高的 PLA 产生能力，而 Latilactobacillus sakei 产生的 PLA 水平明显较低（Jung et al., 2019）。这些差异也可能与 D-乳酸脱氢酶的存在和活性有关，这种酶能够将苯丙酮酸还原为 PLA（Kim, Jung et al., 2024）。然而，即使 PLA 相关乳酸菌的数量较多，如果前体物质的可获得性或发酵条件不利，也不一定能导致高 PLA 积累。因此，需要综合评估苯丙氨酸和乳酸的可用性、成分特性以及乳酸菌组成，以区分微生物关联与底物和基质对 PLA 积累的限制。
因此，一个重要的未解决的问题是：具有不同主要成分和服务方式的 Kimchi 类型之间的 PLA 积累有何差异，以及哪些代谢前体组合、成分基质和乳酸菌群落与这些差异相关。解决这个问题对于超越对单个 Kimchi 类型的研究以及建立一个更广泛的框架以理解和可能控制 Kimchi 发酵中的 PLA 积累至关重要。我们假设不同 Kimchi 类型的主要成分和发酵相关微生物群落的差异会导致不同的代谢物谱型和 PLA 水平，并且特定的微生物和代谢特征将与增强的 PLA 产生相关。在这项研究中，我们根据其主要成分和服务方式对七种 Kimchi 进行了表征。先前的研究已经报告了白菜 Kimchi、个别乳酸菌菌株或选定的发酵系统中的 PLA 产生（Jung, Hwang et al., 2019, Kim, Jung et al., 2024）；然而，PLA 在不同 Kimchi 类型中的分布及其与原材料基质、微生物组成和更广泛代谢物谱型的关系尚未得到充分描述。因此，本研究的创新之处不在于检测 PLA 本身，而在于综合解释来自不同植物材料的 Kimchi 产品中的 PLA 分布。为了研究 Kimchi 发酵的共有和独特特征，我们从市场上收集了广泛消费的、商业上可获得的样本。进行了代谢组学和基于 16S rRNA 基因的细菌群落分析，以比较这些类型中的 PLA 水平。然后应用多变量分析和机器学习模型对代谢物谱型进行分类和预测，包括 PLA。据我们所知，这是首次结合多组学和机器学习来研究不同 Kimchi 类型中的 PLA 分布。我们的发现表明，了解每种 Kimchi 类型的发酵特性可以指导成分和微生物组成的优化，从而提高 PLA 产生。
章节片段
Kimchi 样品的制备和发酵特性的测量
在一周内从市场购买了总共 21 种 Kimchi 产品，包括白菜（n = 4）、郭德卢佩吉（n = 2）、萝卜（n = 3）、春菜（n = 3）、芥末（n = 3）、dongchimi（n = 3）和 nabak（n = 3）（表 S1）。首次分析在购买后立即进行，并标记为第 1 周。剩余的样品在典型的冷藏条件下（4?°C）储存，随后每周对同一组 Kimchi 产品进行采样
发酵过程中不同 Kimchi 类型的 pH 值和酸度变化
不同 Kimchi 品种共有核心成分，通常包括盐渍的主要蔬菜、米糊，在大多数情况下还包括红辣椒粉。基于海鲜的酱料（jeotgal）也很常用，这些酱料是由发酵的凤尾鱼或虾制成的。白菜 Kimchi 主要由白菜的白色茎部组成，而春菜 Kimchi 主要含有小量的绿色茎部。郭德卢佩吉和芥末叶 Kimchi 则由绿色部分制成
讨论
PLA 是乳酸菌发酵过程中产生的关键代谢物，以其潜在的生物活性特性而受到认可，包括促进长寿的效果（Kim, Jo, et al., 2024; Shelton et al., 2023）。其生物合成依赖于乳酸和苯丙氨酸，这两种物质通过 ?-乳酸脱氢酶通过苯丙酮酸途径转化（Li et al., 2008; Zheng et al., 2011）。这些前体的可用性受 Kimchi 的主要成分的影响，同时也受到...
结论
本研究表明，七种 Kimchi 类型之间的 PLA 积累存在差异，这与前体物质的平衡、成分来源、发酵特性和乳酸菌的优势有关。这些关联通过多变量分析和机器学习得到了进一步的支持，这些分析揭示了代谢物谱型和微生物组成之间的明显聚类模式和预测关系。白菜、春菜和萝卜 Kimchi 通常表现出较高的 PLA 水平，而水分较多的...
CRediT 作者贡献声明
Hyun-Sung Kim：撰写——初稿、调查、数据管理。In Min Hwang:方法学、概念化。Jong-Hee Lee:撰写——审核与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了 世界 Kimchi 研究所（KEB2601-1-1-->) 的资助，该研究所由韩国科学和 ICT 部门资助。
Hyun-Sung Kim|In Min Hwang|Jong-Hee Lee
