生活離不開(kāi)柴米油鹽醬醋茶，其中醬油是中國(guó)傳統(tǒng)的調(diào)味品，主要是由大豆經(jīng)過(guò)發(fā)酵釀造而成。醬油由醬演變而來(lái)，早在三千多年前，中國(guó)就有制作醬的記載了。
本期百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享為大家分享的文獻(xiàn)是百趣生物協(xié)助客戶(hù)發(fā)表的關(guān)于兩種單菌種發(fā)酵的豆瓣醬代謝組方面差異研究（IF=5.399 中科院工程2區(qū)），下面我們來(lái)看看具體研究?jī)?nèi)容吧。
1.代謝組學(xué)分享-研究背景
許多真菌已從一些天然發(fā)酵的豆瓣醬中分離并培養(yǎng)出來(lái)，如曲霉菌、青霉菌等。其中一些真菌在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種酶等有機(jī)物，并分解大豆蛋白，使豆瓣醬營(yíng)養(yǎng)豐富，口感獨(dú)特，易于消化吸收。百趣代謝組學(xué)分享，發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的氨基酸態(tài)氮（AAN）又稱(chēng)氨基氮，是測(cè)定發(fā)酵能力的重要指標(biāo)。AAN是醬油質(zhì)量的重要指標(biāo)，AAN含量的高低可作為衡量鮮味程度的指標(biāo)，也與醬油風(fēng)味的形成密切相關(guān)。
目前大多數(shù)研究都是在工廠大規(guī)模混合發(fā)酵的豆瓣醬樣品，而對(duì)單一菌種發(fā)酵豆瓣醬的代謝系統(tǒng)和途徑的研究較少。代謝組學(xué)分享，在作者之前的研究中，從中國(guó)東北遼寧省的自制豆瓣醬樣品中分離到具有蛋白酶活性的光滑青霉（Penicillium glabrum）GQ1-3和米曲霉（Aspergillus oryzae）HGPA20。本研究利用這兩種菌株對(duì)大豆進(jìn)行發(fā)酵，以測(cè)定發(fā)酵過(guò)程中AAN的含量。利用代謝組檢測(cè)發(fā)酵系統(tǒng)中的代謝物，以確定兩株菌株發(fā)酵過(guò)程中代謝物的差異。
2.代謝組學(xué)
實(shí)驗(yàn)分組：P. glabrum GQ1-3、A. oryzae HGPA20
檢測(cè)方法：GC-TOF-MS
數(shù)據(jù)分析：PCA、OPLS-DA、KEGG分析、通路分析（MetaboAnalys）
3.代謝組學(xué)
（1）AAN含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化
從圖1可以看出，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，初始AAN含量穩(wěn)步增加，且在發(fā)酵第40天達(dá)到最大值。隨后，兩種真菌的AAN含量逐漸下降。代謝組學(xué)分享，發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，HGPA20體系的AAN含量高于GQ1-3，但在發(fā)酵第40天同時(shí)達(dá)到最大值，GQ1-3的豆瓣醬發(fā)酵速度要快于HGPA20。兩種真菌的AAN含量是動(dòng)態(tài)變化的。因此選擇AAN達(dá)到最大值的第40天發(fā)酵樣品進(jìn)行代謝組學(xué)分析。
圖1 發(fā)酵豆瓣醬中氨基氮含量隨時(shí)間的變化
（2）差異代謝物分析
從兩組的PCA模型和OPLS-DA模型中，發(fā)現(xiàn)兩組之間的差異顯著，且樣本均在置信區(qū)間內(nèi)（圖2a，2b）。
圖2 PCA模型得分圖（a）和OPLS-DA模型得分圖（b）
對(duì)發(fā)酵第40天的樣品進(jìn)行代謝組學(xué)檢測(cè)，共檢測(cè)到350個(gè)代謝物，通過(guò)VIP＞1&P＜0.05篩選到的差異代謝物如圖3所示。在圖中可以觀察到明顯的代謝物分組差異。代謝組學(xué)分享，由圖3可知，GQ1-3體系中有12種相對(duì)含量較高的氨基酸及其衍生物，而HGPA20體系中只有7種相對(duì)含量較高的氨基酸。GQ1-3中相對(duì)含量較高的有機(jī)酸有7種，HGPA20中相對(duì)含量較高的有15種。在GQ1-3中檢測(cè)到4種相對(duì)含量較高的糖和醇，而在HGPA20中檢測(cè)到3種糖和醇。此外，在HGPA20樣品中還檢出了相對(duì)含量較高的吡啶、醛、酮和酚類(lèi)物質(zhì)。且在兩菌株的發(fā)酵體系中發(fā)現(xiàn)了不同的醇類(lèi)。說(shuō)明，兩菌株在豆瓣醬發(fā)酵過(guò)程中的代謝產(chǎn)物豐富多樣，且兩組之間存在明顯差異。
圖3 GQ1-3和HGPA20層次聚類(lèi)分析熱力圖
（3）通路分析
代謝途徑分析的結(jié)果顯示在氣泡圖中（圖4），從圖中可以看出，丙氨酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸代謝與差異代謝產(chǎn)物和發(fā)酵過(guò)程的相關(guān)性最高。代謝組學(xué)分享，谷氨酸和天冬氨酸是食品中主要的兩種含鮮味的游離氨基酸，均屬于谷氨酸類(lèi)鮮味物質(zhì)，是豆瓣醬鮮味的重要來(lái)源。在兩株菌株的發(fā)酵體系中，檢測(cè)到的兩種氨基酸及其衍生物的相對(duì)含量差異很大。GQ1-3中谷氨酰胺的相對(duì)含量較高，而HGPA20中天冬氨酸和天冬酰胺的相對(duì)含量較高，說(shuō)明兩株發(fā)酵的豆瓣醬中鮮味物質(zhì)的組成存在差異。另一個(gè)重要的代謝途徑是三羧酸循環(huán)，該代謝途徑連接許多代謝過(guò)程。
圖4 GQ1-3和HGPA20的通路分析圖
另外，作者將兩菌株的一些代謝途徑及相關(guān)代謝產(chǎn)物進(jìn)行整合（圖5）。紅色差異代謝物表示在GQ1-3體系中相對(duì)含量較高，藍(lán)色差異代謝物表示在HGPA20體系中相對(duì)含量較高。如圖5所示，部分氨基酸合成以2-酮戊二酸為底物來(lái)合成谷氨酸、谷氨酰胺等。
生成的谷氨酸由轉(zhuǎn)乙酰酶等一系列酶合成鳥(niǎo)氨酸和瓜氨酸。GQ1-3中2-酮戊二酸、谷氨酰胺、鳥(niǎo)氨酸和瓜氨酸的相對(duì)含量明顯高于HGPA20。氨基酸合成的另一部分以草酰乙酸為底物合成天冬氨酸、天冬酰胺等物質(zhì)。
天冬氨酸是由一系列酶如天冬氨酸激酶合成的半醛，最終產(chǎn)生L-高絲氨酸。HGPA20體系中天冬氨酸、天冬酰胺和L-高絲氨酸的相對(duì)含量明顯高于GQ1-3。代謝組學(xué)分享，因此推測(cè)，兩株菌株中氨基酸的主要合成途徑不同，在GQ1-3中，α -酮戊二酸衍生型（谷氨酸型）的氨基酸合成占優(yōu)勢(shì)，而在HGPA20中草酰乙酸衍生型（天冬氨酸型）的占優(yōu)勢(shì)。
圖5 GQ1-3、HGPA20部分代謝通路及相關(guān)差異代謝物整合圖
代謝組學(xué)分享，綜上所述，反映了兩種真菌代謝行為的差異。單菌種P. glabrum及其代謝產(chǎn)物的研究尚屬首次報(bào)道，而A. oryzae作為一種廣泛應(yīng)用的發(fā)酵菌株，在醬油、米酒等相關(guān)發(fā)酵食品中已有報(bào)道。由于A.oryzae不同種類(lèi)的發(fā)酵基質(zhì)、發(fā)酵過(guò)程和發(fā)酵菌株的不同，發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的代謝物也存在差異。本研究結(jié)果有助于補(bǔ)充和豐富米曲霉的發(fā)酵潛力。