王 磊,賈玉龍*,羅彥玉,鄒春霞,張 瑩
(貴州大學釀酒與食品工程學院,貴州 貴陽 550025)
方竹筍因含豐富的營養成分而備受人們喜愛,但其含大量水分存在不易貯藏的缺點,針對此可采用干制、灌裝和發酵等主要的加工形式解決。其中發酵最為常用,可分為自然發酵和接種發酵,自然發酵的產品容易出現問題,產品質量無法控制,而接種發酵既可以縮短發酵周期又可以保證質量[1]。已有的研究表明乳桿菌屬,乳球菌屬,魏斯氏菌屬是竹筍發酵過程的主要優勢菌群[2],而植物乳桿菌是發酵竹筍制品的主要乳酸菌株,能保持竹筍的質構并且產生特殊的風味還能抑制病原菌的生長[3]。接種發酵竹筍常用的乳桿菌多來源于植物[4],而來源于人的乳桿菌也是一類重要的益生菌,但鮮見其發酵竹筍的相關研究。人源羅伊氏乳桿菌(Limosilactobacillus reuteri)被證明有調節腸道菌群[5]、增加機體免疫[6]等功效,現常用于乳制品和保健食品的研發[7]等。實驗室前期研究發現薏苡仁酶解產物能顯著促進人源羅伊氏乳桿菌的生長,同時其發酵薏苡仁和牛奶混合物能調節高脂飲食小鼠的脂代謝紊亂[8]。此外羅伊氏乳桿菌是異型發酵菌種,有研究表明異型發酵菌種能快速啟動竹筍發酵[9],同時改善同型乳酸菌發酵竹筍的過酸和不易貯存的問題[10],故本實驗選用羅伊氏乳桿菌發酵方竹筍超細全漿。
此外,考慮到不同形狀的竹筍發酵后產品品質不同,前處理的差異也會影響發酵周期和風味。周金沙等[11]研究表明絲狀酸筍中益生菌屬的相對豐度高于塊狀。李梅等[12]研究不同處理下毛竹筍的品質變化,發現燙漂乳酸菌發酵能效保持竹筍的質構特性。所以本研究利用濕法超細粉碎技術處理方竹筍,得到的全漿更易發酵。濕法超細粉碎利用超高的剪切力對物料進行剪切摩擦和撞擊等作用,可使物料具有更好的溶解性、分散性[13],其已用于豆漿[14]、雞骨泥[15]和大蒜[16]等研究。
非靶向代謝組學是利用液相色譜-質譜(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)聯用、氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)聯用等技術對樣本內分子質量小于1 000 Da的化合物進行檢測,篩選差異代謝物進行代謝通路的富集分析[17],其常用于研究發酵前后的代謝差異物。張妍等[18]研究了2 種乳酸菌發酵玉米及其副產物的主要代謝成分是1-羥基-2-萘甲酸、兒茶素等有明顯生物活性的物質,并富集到5 條顯著的代謝通路。Huang Pan等[19]研究發現以植物乳桿菌CCFM8610為發酵劑的乳制品中關鍵代謝物主要是苯甲酸、6-羥基己酸、D-苯基乳酸、馬尿酸等。但非靶向代謝組學在方竹筍發酵方面鮮有報道。為了解乳桿菌發酵方竹筍超細全漿的主要代謝物質和代謝通路,本研究用2 種乳桿菌單一和混合發酵方竹筍超細全漿,運用超高效液相色譜-質譜(ultra-high performance liquid chromatography-mass spectrometry,UPLC-MS)非靶向代謝組學技術結合多元統計方法對發酵前后的差異代謝物進行對比,同時用京都基因和基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)數據庫進行代謝通路富集分析。探究植物乳桿菌和羅伊氏乳桿菌發酵的特征代謝,以期為方竹筍超細全漿發酵的開發和應用提供實際參考。
方竹筍:2021年9月采于貴州遵義桐梓縣未脫殼,4 h內運回實驗室,放置在-20 ℃冰箱待用。羅伊氏乳桿菌(保藏號BNCC 186563)、植物乳桿菌(保藏號BNCC 194165) 北京北納創聯生物技術研究院。
甲醇(色譜級) 美國賽默飛世爾科技有限公司。
Q ExactiveTMHF質譜儀、Vanquish UHPLC色譜儀、Hypesil Gold色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.9 μm) 德國Thermo Fisher公司;D3024R低溫離心機 美國Scilogex公司;H2-16KR型臺式離心機 湖南可成儀器設備有限公司:SW-CJ-2D超凈工作臺 浙江蘇凈凈化公司;scientz-18N型冷凍干燥機 寧波新芝生物技術有限公司;LDZE-75KB-II高壓滅菌鍋 上海申安醫療機械廠;QDWZ3000-18D/QDGX-18型濕法超微粉碎機無錫輕大食品裝備有限公司;JR-200型高速粉碎機東莞市新美華機電設備有限公司。
1.3.1 發酵方竹筍超細全漿的制備
方竹筍去殼洗凈、切塊,筍與水按2∶1(g/mL)比例混合,粗粉碎4 min,細粉碎1 次(樣品溫度35 ℃),冷卻分裝,-20 ℃保存。羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌活化后,單菌落接于MRS液體培養基中37 ℃培養到菌濃度為107CFU/mL[20-21]。100 g超細粉,105 ℃滅菌20 min,冷卻后加入5%的種子液,37 ℃發酵48 h。發酵后樣品冷凍干燥48 h,粉碎過100 目,4 ℃保藏。其中,混菌發酵組比例1∶1。非發酵組記為CK、羅伊氏乳桿菌發酵組記為LR、植物乳桿菌發酵組記為LP、混菌發酵組記為LRP。
1.3.2 基本組成及指標測定
蛋白質含量:參考GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》凱氏定氮法測定;脂肪含量:參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪測定》索氏抽提法測定;膳食纖維含量:參照GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》;灰分含量:參照GB 5009.4—2016《食品中灰分測定》;pH值使用pH計測定;可滴定酸測定參考楊維維[22]的方法。
1.3.3 代謝物提取
將2 g樣品加入液氮粉碎,取100 mg的組織樣本,放入EP管中,加入500 μL的80%甲醇溶液并充分混勻。將混合物置于冰水浴中5 min,在15 000×g、4 ℃離心20 min,取上清液,用質譜級水稀釋至甲醇體積分數為53%,15 000×g、4 ℃離心20 min,取上清液,進樣進行LC-MS分析[23]。從每個實驗樣品中取等體積樣品,混勻制成QC樣品;53%甲醇溶液代替實驗樣品作為空白樣品,前處理過程與實驗樣品相同。
1.3.4 LC-MS條件
LC條件:Hypesil Gold色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.9 μm);柱溫40 ℃,流速0.2 mL/min。正離子模式下:流動相A為0.1%甲酸,流動相B為甲醇;負離子模式:流動相A為5 mmol/L醋酸銨(pH 9.0),流動相B為甲醇。正、負離子模式下色譜梯度洗脫程序見表1。

表1 色譜梯度洗脫條件Table 1 Chromatographic gradient elution procedure
MS條件:質量掃描范圍m/z100~1 500;電噴霧離子源;電壓3.5 kV;鞘氣流速35 L/min;輔助氣流速率10 L/min;離子傳輸管溫度320 ℃;離子導入射頻電平為60 V;輔助氣加熱器溫350 ℃;極性為正極和負極;MS/MS二級掃描為數據依賴性掃描。
將下機數據(.raw)文件導入CD3.1搜庫軟件中進行處理,與mzCloud、mzVault和Masslist數據庫進行比對,對原始定量結果進行標準化處理,最后得到代謝物的鑒定結果和相對定量值。
代謝物使用KEGG數據庫(http://www.genome.jp/kegg/pathway.html)、人類代謝組數據庫(Human Metabolome Database,HMDB)(http://hmdb.ca/metabolites)和脂質代謝途徑研究計劃(Lipid metabolites and pathways strategy,LipidMaps)數據庫(http://www.lipidmaps.org/)注釋。使用t檢驗計算統計學意義(P值)。差異代謝物采用多變量偏最小二乘判別分析模型的變量投影重要性(variable importance in projection,VIP)值,結合P值以及單變量差異倍數(fold change,FC)進行篩選。
正交偏最小二乘判別分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)使用SIMCA14.1軟件。主成分分析(principal component analysis,PCA)用Metaboanalst(http://www.metaboanalyst.ca),將數據歸一化為Z分數進行聚類熱圖制作。火山圖基于log2FC和-lgP對上調與下調的代謝物進行篩選,采用GraphPad Prism 9.4.0進行圖形繪制。得到的KEGG通路具有P<0.05、且過表達分析(overrepresentation analysis,ORA)被認為是有統計學意義的富集通路。數據處理采用SPSS 25.0軟件,結果表示為±s,樣品3 個平行,顯著性P<0.05。
如表2所示,發酵后的方竹筍超細全漿pH值從6.26降到4.77、4.16和4.20;可滴定酸質量分數從0.13%增加到0.34%、0.49%和0.53%。可滴定酸的含量不同可能是因為羅伊氏乳桿菌是異型發酵,而植物乳桿菌是同型發酵(發酵產生的乳酸較多)。而粗蛋白含量LRP組高于其他組可能是因為增加了菌體蛋白所引起[24]或是發酵產生了更多的含氮類似物所引起[25]。此外總膳食纖維含量減少可能是因為乳桿菌的生長代謝消耗了部分膳食纖維。

表2 乳桿菌發酵竹筍超細全漿的基本營養成分Table 2 Basic nutritional composition of Lactobacillus-fermented ultra-fine whole pulp of bamboo shoot
如圖1所示,在4~12 min檢測到的代謝物最多。如圖2所示,正離子和負離子模式下QC樣本相關性均大于0.992,而QC樣本相關性越高(R2越接近于1)說明整個檢測過程穩定性越好,說明在質譜檢測的過程中,樣品的均一度較好。

圖1 QC樣本與樣品的總離子流圖譜Fig.1 Total ion current chromatograms of QC samples and bamboo shoot samples

圖2 非靶向代謝樣本QC的Pearson相關性圖Fig.2 Pearson correlation coefficients of metabolites in QC samples analyzed in the positive and negative ion modes
使用MetaX軟件[26]對數據進行對數轉換及標準化處理。從表3可知,正離子模式下檢測出的代謝產物有948 種,負離子模式下檢測出的代謝產物有586 種,將代謝產物與KEGG、HMDB和LipidMaps數據庫對比,共檢測到正離子模式下有293、490 種和103 種;負離子模式下為192、313 種和92 種。將代謝產物進行PCA,從圖3可知,正離子模式下PC1、PC2分別為47.5%、17.0%;負離子模式下PC1、PC2分別為53.33%、21.5%。CK與LR,LP和LRP組分開較遠,組間明顯分離說明各組之間存在顯著差異,而各組間樣品相差不遠說明組內差異不明顯。


圖3 乳桿菌發酵竹筍超細全漿代謝物PCA圖Fig.3 Principal component analysis plots of metabolites in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp

表3 乳桿菌發酵竹筍超細全漿代謝物的統計Table 3 Statistics of metabolites in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp
當變量數量大于樣本個數時,使用PLS-DA所得到的模型會出現過擬合現象,而加入正交矯正后數據檢測出假陽性的概率會降低,使數據更準確。本實驗建立的OPLS-DA模型中R2Y和Q2都接近于1,說明模型可靠[27]。如圖4所示,LR、LP和LRP、CK組分離較好,說明各組之間存在顯著差異;OPLS-DA置換檢驗見圖5,置換圖反映模型是否出現過擬合的現象,其結果顯示正離子和負離子模式下,各實驗組中Q2與縱軸的交點為負值,說明模型不存在過擬合。

圖4 乳桿菌發酵竹筍超細全漿代謝產物的OPLS-DA得分圖Fig.4 OPLS-DA scores of metabolites of Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp


圖5 乳桿菌發酵竹筍超細全漿代謝產物的OPLS-DA置換檢驗Fig.5 Permutation test of OPLS-DA model for metabolites in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp
將代謝產物進行單因素t檢驗并結合綜合變異系數法可得兩組的差異化合物,且能清晰看出差異代謝物在組間是上調還是下調,其篩選條件為P<0.05,log2FC>1或log2FC<-1。由圖6可知,正離子模式下CK和LR組中共篩選出差異代謝物361 種,上調178 種、下調183 種;CK和LP組中差異化合物有392 種,上調192 種、下調200 種;CK和LRP組中差異代謝物398 種,上調192 種、下調206 種;負離子模式下CK和LR組差異代謝物有268 種,上調144 種、下調124 種,CK和LP組篩選的差異化合物有304 種,上調162 種、下調142 種,CK和LRP組共篩選的差異代謝化合物有321 種,上調177 種、下調144 種。

圖6 乳桿菌發酵竹筍超細全漿代謝產物的火山圖Fig.6 Volcano maps of metabolites in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp
采用多維統計VIP值大于1和單變量統計P<0.05,log2FC>1或log2FC<-1進行差異代謝物的篩選。如圖7所示,從Super Class分類上看,CK vs.LP組中脂類和類似脂類分子占26.44%,有機酸及其衍生物占16.11%,有機雜環化合物占16.41%,苯類占10.94%,苯丙烷和聚酮類占10.03%;CK vs.LR組中脂類和類脂類分子占27.00%,有機酸及其衍生物占17.67%,有機雜環化合物占16.00%,苯類占9.00%,苯丙烷和聚酮類占12.67%;CK vs.LRP組中脂類和類脂類分子占25.66%,有機酸及其衍生物占17.11%,有機雜環化合物占16.22%,苯類占10.62%,苯丙烷和聚酮類占10.91%。

圖7 乳桿菌發酵竹筍超細全漿差異代謝產物的類別Fig.7 Categories of differential metabolites in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultrafine whole pulp
將代謝物與庫(mzCloud Re sults、m z Va ul t Results、MassList Results)進行匹配,并將庫設置為full match[28],選擇差異物繪制熱圖(圖8)。選擇FC(FC值大,上調越顯著;FC值小,下調越顯著)進行物質描述,正離子模式下,CK vs.LR組上調的主要差異化合物為組胺(FC=222.42)、胸腺嘧啶和脯氨酸等,下調的為組氨酸和腺苷(FC=0.001)等;CK vs.LP組上調的主要差異化合物為甲基腺苷(FC=30.78),植物鞘氨醇和香芹酮等,下調的為S-腺苷同型半胱氨酸(FC=0.02)和氧化苦參堿等;CK vs.LRP組上調的主要差異化合物為組胺(FC=163.07)、N6-甲基腺嘌呤和鳥氨酸等,下調的主要化合物有腺苷(FC=0.002)和胞苷等。由上述可知,核苷酸和氨基酸物質是組間差異最顯著的物質種類。核苷類化合物是維持生物細胞正常生命活動物質,具有抗癲癇、抗腫瘤和抗心率失調等多種功能,近幾年,竹筍中的核苷類化合物也被鑒定出[29-30]。氨基酸類如鳥氨酸、脯氨酸和組氨酸等,乳酸菌發酵會使精氨酸通過細胞內精氨酸脫亞胺酶途徑產生鳥氨酸[31]。此外,在LR組中FC最大是組胺,羅伊氏乳桿菌可以將L-組氨酸轉換為組胺,它是一種有機含氮化合物,能修復腸黏膜增強腸道的屏障功能[31-33]。同時Alan等[34]研究發現從泡菜里篩選的植物乳桿菌會產生組胺但不在毒性范圍。綜上,正離子模式下,羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌發酵方竹筍超細全漿會產生組胺、核苷酸(甲基腺苷、7-甲基鳥苷等)和氨基酸(鳥氨酸、脯氨酸等)類物質。


圖8 乳桿菌發酵竹筍超細全漿差異代謝產物的聚類熱圖Fig.8 Cluster heatmap of differential metabolites in Lactobacillusfermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp
負離子模式下,CK vs.LR組上調的差異化合物為D-甘露糖醇(FC=379.28)、吲哚-3-乳酸、N-乙酰甘氨酸等,下調的為鳥苷(FC=0.001)和尿苷酸等;CK vs.LP組上調的差異化合物吲哚-3-乳酸(FC=376.87)、DL-4-羥基苯乳酸和反式肉桂酸,下調的有檸檬酸(FC=0.004)和蘋果酸等;CK vs.LRP組中上調的化合物主要有吲哚-3-乳酸(FC=335.80)、DL-4-羥基苯乳酸和反式肉桂酸等,下調的主要有檸檬酸(FC=0.005)和鳥嘌呤核苷等。負離子模式下檢測的主要為有機酸及其衍生物類物質,其中吲哚-3-乳酸在各組中是明顯上調的物質。吲哚-3-乳酸是一種帶吲哚環的色氨酸代謝產物,不僅具有抗氧化活性和免疫調節作用,而且對糖尿病和炎癥型腸道疾病有明顯的作用[35]。Zhao Yansheng等[36]利用UPLC-HMRS的方法研究植物乳桿菌dy-1發酵大麥提物的代謝物,發現吲哚-3-乳酸、苯乳酸和咖啡醇等物質在發酵后含量明顯增加。4-羥基苯乳酸是苯乳酸的羥基衍生物,研究發現,其與苯乳酸一樣有很好的抑菌效果[37]。沐萬孟等[38]用HPLC檢測乳桿菌SK007發酵液中4-羥基苯乳酸的最大質量濃度為75 μg/mL。除了上述的差異代謝物外,D-甘露糖醇是羅伊氏菌發酵產生的FC最大的物質。D-甘露糖醇是多元醇,具有抑制腫瘤保護肝臟等作用[39];且有研究表明羅伊氏乳桿菌發酵薏苡仁會產生D-甘露糖醇[21]。負離子模式下,羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌發酵方竹筍超細全漿能產生吲哚-3-乳酸、D-甘露糖醇、DL-4-羥基苯乳酸等生物活性作用的物質。
將組間有KEGG ID的差異代謝物與KEGG數據庫進行匹配,獲得差異代謝物參與通路,對富集分析得到差異物較多的通路進行分析。圖9顯示了差異代謝物富集的通路,顏色深淺代表通路的重要性。正離子模式下,各組間富集到的代謝通路有所不同,但其主要的代謝通路為嘧啶代謝、嘌呤代謝、谷胱甘肽代謝、甘油磷脂的代謝、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝、β-丙氨酸的代謝、VB6的代謝、組氨酸代謝、苯丙氨酸代謝和核黃素代謝等。負離子模式下,主要的代謝通路為檸檬酸循環、苯丙氨酸代謝、嘧啶代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝,纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成,酪氨酸和色氨酸生物合成及酪氨酸代謝等。


差異代謝物在某個通路中顯著富集,但仍不知道這些代謝物在這個代謝通路中是否起到關鍵作用,代謝物對代謝通路究竟有多大影響,拓撲分析可以計算關注的代謝物在代謝通路中的作用大小(用影響因子衡量)[40]。圖10為拓撲分析結果虛線右側表明代謝通路越重要,結果表明,正離子模式下,CK vs.LR組中嘌呤代謝和嘧啶代謝是顯著的通路,CK vs.LP組和CK vs.LRP組中嘧啶代謝是顯著的通路;負離子模式下,各組中檸檬酸循環、苯丙氨酸代謝和嘧啶代謝是顯著的通路。從表4、5可以看出,嘌呤代謝主要參與的代謝物為鳥嘌呤、腺苷和2’-脫氧鳥苷等;胸腺嘧啶、胞嘧啶和胞苷等是嘧啶的代謝主要差異物;檸檬酸、富馬酸和異檸檬酸是檸檬酸循環的主要差異物;苯丙氨酸代謝中主要差異物質為苯甲酸、苯乙醛和反式肉桂酸等。

圖10 乳桿菌發酵竹筍超細全漿差異代謝產物顯著富集的代謝通路拓撲分析Fig.10 Topological analysis of significantly enriched metabolic pathways for differential metabolites of Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultra-fine whole pulp

表4 正離子模式下乳桿菌發酵竹筍超細全漿富集到KEGG通路中差異化合物Table 4 KEGG pathway enrichment of differential compounds in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultrafine whole pulp in the positive ion mode

表5 負離子模式下乳桿菌發酵竹筍超細全漿富集到KEGG通路中差異化合物Table 5 KEGG pathway enrichment of differential compounds in Lactobacillus-fermented bamboo shoot ultrafine whole pulp in the negative ion mode
有研究表明,有降解嘌呤能力的乳桿菌中就包括羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌[41],所以這兩株菌發酵方竹筍后能下調其嘌呤的含量。嘧啶類化合物是構成細胞中核糖核酸和脫氧核糖核酸的重要組成,而且許多嘧啶類藥物被證明有抗腫瘤活性[42];嘧啶代謝往往會與氨基酸代謝聯系,如5-甲基胞嘧啶和胸腺嘧啶會參與纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解。檸檬酸循環是生物體內糖類、蛋白質、脂肪等營養物質供能的重要途經。張妍等[18]研究了2 種乳酸菌發酵飲料并用非靶向代謝組學手段研究其差異代謝物與相關代謝通路,結果發現,檸檬酸循環是較為顯著的代謝通路。苯丙氨酸是人體所必需的氨基酸,人體不能合成只能從外界攝取,苯丙氨酸分解產生的酪氨酸不僅可以參與甲狀腺激素的合成,還可以被分解為富馬酸和乙酰乙酸,參與其他的生物途徑[43]。乳酸菌可以利用苯丙氨酸生成苯乳酸即苯丙氨酸通過轉氨反應生成苯丙酮酸,苯丙酮酸會提高苯乳酸的產量[44]。KEGG分析表明,羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌中富集到的嘌呤代謝途徑下調方竹筍超細全漿中的嘌呤含量,檸檬酸循環會產生更多的有機酸和風味物質,從而提升方竹筍超細全漿的品質。
用羅伊氏乳桿菌和植物乳桿菌單一和混合發酵方竹筍超細全漿,利用非靶向代謝組學技術結合多元分析手段研究差異代謝物與代謝通路。以VIP值大于1,P值小于0.05為篩選標準進行篩選,結果表明,各組中顯著的差異代謝物主要為脂類和類似脂類分子、有機酸及其衍生物、有機雜環類化合物、苯類、苯基丙酸類和聚酮類化合物;將代謝物與庫(mzCloud Results、mzVault Results、MassList Results)進行匹配發現正離子模式下差異代謝物主要為組胺、甲基腺苷、鳥氨酸和脯氨酸等,負離子模式下差異代謝物主要為D-甘露糖醇、吲哚-3-乳酸和DL-4-羥基苯乳酸等。差異代謝物所富集到代謝途徑表明,嘌呤代謝、嘧啶代謝、檸檬酸循環和苯丙氨酸代謝是較顯著的通路。乳桿菌發酵方竹筍超細全漿會通過上述代謝通路產生核苷酸和有機酸等代謝產物,會賦予其更多的風味和營養。綜上,通過對乳桿菌發酵方竹筍超細全漿的代謝產物分析,探究了其差異代謝產物與代謝途徑,為乳桿菌發酵方竹筍超細全漿的進一步研究提供理論參考。