代謝組學在關于兩種單菌種發酵的豆瓣醬代謝組學方面差異研究中的應用
生活離不開柴米油鹽醬醋茶，其中醬油是中國傳統的調味品，主要是由大豆經過發酵釀造而成。醬油由醬演變而來，早在三千多年前，中國就有制作醬的記載了。
本期百趣代謝組學文獻分享為大家分享的文獻是百趣生物協助客戶發表的關于兩種單菌種發酵的豆瓣醬代謝組方面差異研究（IF=5.399 中科院工程2區），下面我們來看看具體研究內容吧。
許多真菌已從一些天然發酵的豆瓣醬中分離并培養出來，如曲霉菌、青霉菌等。其中一些真菌在發酵過程中會產生各種酶等有機物，并分解大豆蛋白，使豆瓣醬營養豐富，口感獨特，易于消化吸收。百趣代謝組學分享，發酵過程產生的氨基酸態氮（AAN）又稱氨基氮，是測定發酵能力的重要指標。AAN是醬油質量的重要指標，AAN含量的高低可作為衡量鮮味程度的指標，也與醬油風味的形成密切相關。
目前大多數研究都是在工廠大規模混合發酵的豆瓣醬樣品，而對單一菌種發酵豆瓣醬的代謝系統和途徑的研究較少。代謝組學分享，在作者之前的研究中，從中國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大豆進行發酵，以測定發酵過程中AAN的含量。利用代謝組檢測發酵系統中的代謝物，以確定兩株菌株發酵過程中代謝物的差異。
2.代謝組學分享-研究方法
實驗分組：P. glabrum GQ1-3、A. oryzae HGPA20
檢測方法：GC-TOF-MS
數據分析：PCA、OPLS-DA、KEGG分析、通路分析（MetaboAnalys）
3.代謝組學分享-研究結果
（1）AAN含量隨發酵時間的變化
從圖1可以看出，隨著發酵時間的增加，初始AAN含量穩步增加，且在發酵第40天達到最大值。隨后，兩種真菌的AAN含量逐漸下降。代謝組學分享，發酵開始時，HGPA20體系的AAN含量高于GQ1-3，但在發酵第40天同時達到最大值，GQ1-3的豆瓣醬發酵速度要快于HGPA20。兩種真菌的AAN含量是動態變化的。因此選擇AAN達到最大值的第40天發酵樣品進行代謝組學分析。
圖1 發酵豆瓣醬中氨基氮含量隨時間的變化
（2）差異代謝物分析
從兩組的PCA模型和OPLS-DA模型中，發現兩組之間的差異顯著，且樣本均在置信區間內（圖2a，2b）。
圖2 PCA模型得分圖（a）和OPLS-DA模型得分圖（b）
對發酵第40天的樣品進行代謝組學檢測，共檢測到350個代謝物，通過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。代謝組學分享，由圖3可知，GQ1-3體系中有12種相對含量較高的氨基酸及其衍生物，而HGPA20體系中只有7種相對含量較高的氨基酸。GQ1-3中相對含量較高的有機酸有7種，HGPA20中相對含量較高的有15種。在GQ1-3中檢測到4種相對含量較高的糖和醇，而在HGPA20中檢測到3種糖和醇。此外，在HGPA20樣品中還檢出了相對含量較高的吡啶、醛、酮和酚類物質。且在兩菌株的發酵體系中發現了不同的醇類。說明，兩菌株在豆瓣醬發酵過程中的代謝產物豐富多樣，且兩組之間存在明顯差異。
圖3 GQ1-3和HGPA20層次聚類分析熱力圖
（3）通路分析
代謝途徑分析的結果顯示在氣泡圖中（圖4），從圖中可以看出，丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝與差異代謝產物和發酵過程的相關性最高。代謝組學分享，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，均屬于谷氨酸類鮮味物質，是豆瓣醬鮮味的重要來源。在兩株菌株的發酵體系中，檢測到的兩種氨基酸及其衍生物的相對含量差異很大。GQ1-3中谷氨酰胺的相對含量較高，而HGPA20中天冬氨酸和天冬酰胺的相對含量較高，說明兩株發酵的豆瓣醬中鮮味物質的組成存在差異。另一個重要的代謝途徑是三羧酸循環，該代謝途徑連接許多代謝過程。
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代謝產物進行整合（圖5）。紅色差異代謝物表示在GQ1-3體系中相對含量較高，藍色差異代謝物表示在HGPA20體系中相對含量較高。如圖5所示，部分氨基酸合成以2-酮戊二酸為底物來合成谷氨酸、谷氨酰胺等。
生成的谷氨酸由轉乙酰酶等一系列酶合成鳥氨酸和瓜氨酸。GQ1-3中2-酮戊二酸、谷氨酰胺、鳥氨酸和瓜氨酸的相對含量明顯高于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。
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-高絲氨酸的相對含量明顯高于GQ1-3。代謝組學分享，因此推測，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）的氨基酸合成占優勢，而在HGPA20中草酰乙酸衍生型（天冬氨酸型）的占優勢。
圖5 GQ1-3、HGPA20部分代謝通路及相關差異代謝物整合圖
代謝組學分享，綜上所述，反映了兩種真菌代謝行為的差異。單菌種P. glabrum及其代謝產物的研究尚屬首次報道，而A. oryzae作為一種廣泛應用的發酵菌株，在醬油、米酒等相關發酵食品中已有報道。由于A.oryzae不同種類的發酵基質、發酵過程和發酵菌株的不同，發酵過程產生的代謝物也存在差異。本研究結果有助于補充和豐富米曲霉的發酵潛力。
