FOOD RES INT | 16S+LC-MS代谢组学助力分析发酵饮料ogi中细菌菌群和真菌毒素

2022-05-26 01:41:54, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

前言

2021年02月，伊犁山雷莫巴布科克大学的Ihuoma E. Chibuzor-Onyema教授课题组在FOOD RESEARCH INTERNATIONAL期刊发表的题为 “Metataxonomic analysis of bacterial communities and mycotoxin reduction during processing of three millet varieties into ogi, a fermented cereal beverage ”的研究成果，通过16s rRNA测序、LC-MS代谢组学研究方法，发现了谷物中细菌群落和霉菌毒素特征，探究了谷物在加工成ogi过程中真菌毒降低的机理，描绘了ogi中菌群结构图谱。为寻找低污染、安全的代替食品提供了理论依据。

基本信息

中文标题：三种谷物加工成发酵饮料ogi过程中细菌群落和真菌毒素减少的宏分类分析

研究对象：谷物

发表期刊：FOOD RESEARCH INTERNATIONAL

影响因子：6.475

发表时间：2021年02月

合作单位：伊犁山雷莫巴布科克大学

运用生物技术：LC-MS靶向代谢组学、16s rRNA基因测序

研究背景

Ogi主要是由玉米制成的发酵饮料，但很少用谷物制成，而谷物在生产过程中的细菌群落和真菌毒素尚不清楚。文章采用16s rRNA高通量基因测序和LC-MS靶向代谢组学进行研究，表明谷物在加工阶段的细菌群落显著分化，真菌毒素明显降低。

研究思路

研究方法

1. 实验分组/研究材料

（1）WF；D.exilis：2kg

（2）BF；D.iburua：2kg

（3）FM；E.coracana：2kg

2. 技术路线

2.1 理化方法：pH计测定pH值；酚酞指示剂测定TTA

2.2生物技术：16S rRNA基因测序

2.3 LC-MS靶向代谢组：测定谷物及ogi中6种真菌毒素

3. 统计分析

3.1 生物信息学分析：FastQC软件、DADA2去噪器、Silva 16S rRNA分类法、QIIME2软件

3.2 细菌群落数据统计分析：R 软件、GraPhlAn软件

研究结果

ogi生产过程中的物化性质

三种谷物浸泡期间，pH值均降低分别为WFpH 5.1至pH4.1，BFpH 5.4至pH4.2，FM pH5.9至pH5.1（图1a）。变酸阶段，谷物品种发酵成ogi的pH值在24小时急剧下降至pH3.5（WF为pH3.4），在变酸72小时达到pH3.5（WF和BF）和pH3.4（FM）（图1a）。ogi在变酸期间，TTA也相对增加，在72小时最高（图1b），其中FM中的TTA最高为0.83%。

图1 | 三种谷物发酵（浸泡和变酸）成ogi期间的pH值和TTA

ogi生产发酵阶段相关的细菌ASV

2.1 ASV的多样性和动态性

样本获得的16S rRNA序列、物种丰富度（Chao1）和ASV数量（ASV丰富度，R）能够描述细菌多样性。谷物浸泡阶段，FM中ASV的R和多样性最低，发酵12小时的BF有最高的ASV丰富度（R）和H''值，WF中的R和H''值始终较高。变酸期间FM的R和H''值最低，变酸48小时能观察到最高的R和H''值。谷物在浸泡和变酸期间的R和H''的趋势都是不同的。浸泡期间，WF的R和H''水平在前36小时升高， 48小时后降低；FM的R和H''水平降低；BF出波动模式。变酸期间，FM的R和H''水平在72小时内增加，BF的R和H''水平在48小时前增加，72小时下降；WF的R和H''水平在24小时前增加，然后在变酸结束前降低（表1）。

表1 |三种谷物发酵成ogi过程中ASV的多样性

谷物在每个采样时间点特有的ASV数量高于两个或多个时间点之间共享的ASV数量（图2a-c和2e-g）。浸泡期间，WF在四个采样时间点有最多的ASV（图2a）。WF和BF变酸期间，四个采样时间点ASV数量都较高（图2e-g）。变酸结束时，三种谷物ogi的ASV数量都是不同的（图2d和图2h）。

图2 | 三种谷物发酵至ogi期间的采样时间点/间隔中常见ASV/物种

2.2 细菌群落组成

BF和FM的细菌群落组成密切相关，浸泡过程中与WF的细菌群落组成不同。多变量空间中观察，谷物品种之间的差异是显著的。成对后Hocpermanova分析表明，只有FM和WF之间存在显著差异（图3a和图3c）。WF和BF变酸期间的细菌群落组成密切相关，但与FM不同（图3b和图3d）。多变量空间中，FM和BF之间及FM和WF之间微生物群落存在显著差异。多变量分析表明，近亲谷物品种WF和BF的群落组成相似，尤其是在变酸期间，不同于远亲谷物品种。

图3 | 浸泡和变酸阶段的非度量维标度图及UPGMA层次聚类树状图

2.3 优势物种和丰度差异

ASV共有16个门，包括放线菌门、拟杆菌门、蓝藻门、厚壁菌门和变形菌门等。三种谷物在发酵过程中，厚壁菌门占主导地位。WF浸泡过程中，拟杆菌门在浸泡开始12小时占主导地位，厚壁菌门在浸泡结束时占主导地位（图4a）。谷物样本中鉴定出43种主要类型菌，而这些乳酸菌构成ogi加工过程中的核心发酵微生物（图4b）。

样本中检测到的43个优势属中，丰度差异测试显示有15个属。狭义8型梭菌属、棒状杆菌属和链球菌属差异较多。发酵过程中，BF中的新鞘球菌和小球菌也比其他样品组更丰富。WF中的弯曲杆菌和邓加内拉菌的含量高于其他样品。其余8个差异丰度属，WF比其他样品的丰度差异更高（图4）。

图4 | 占优势的系统类型相对丰度

谷物加工成ogi过程中的真菌毒素减少

谷物及ogi中测定了曲霉、镰刀菌和青霉菌产生的6种主要真菌毒素，在FM、BF和WF中分别检出1种、3种和6种真菌毒素。生谷物中的真菌毒素水平通常较低，但高于在72小时变酸时的ogi。生谷物加工成ogi后，WF、BF和FM的真菌毒素减低百分比分别在52.1%-100%、57.6%-100%和100%。WF中的黄曲霉毒素B1减少100%，桔霉素和玉米赤霉烯酮减少百分比分别为100%和76.3%。白僵菌毒素是在三种谷物中均出现的真菌毒素，降低的百分比也很高（表2）。

表2 |三种谷物加工过程中真菌毒素的降低水平

相关讨论

谷物变酸是确定最终产品的决定性阶段，完全去除潜在的有害微生物，可能会促进微环境中的抗菌化合物。发酵利用系统16S rRNS测序微生物群的多样性，通过细胞壁结合、降解或生物转化等方法来减少真菌毒素。Ogi和谷物中的真菌毒素降低，可能不会对健康构成风险。发酵过程中涉及的细菌种类可作为益生菌加以利用，通过发酵培养提高以谷物为基础的ogi生产技术。

研究结论

本篇运用16S rRNS测序及LC-MS代谢组学研究表明，由谷物制成的ogi菌群具有多样性，且真菌毒素显著降低。而文章选用的三种谷物中，尤以FM品种对ogi加工阶段影响最大。通过数据和食品方面分析，谷物品种优于玉米，是一种可行的替代品。

小鹿推荐

本片文章通过LC-MS靶向代谢组学和16S rRNA基因序列分析，探究谷物在加工传统饮料ogi过程中真菌毒素的减少和细菌群落的动态变化。同时，从粮食安全方面考虑，谷物的污染水平低、较安全，又优于玉米，可以代替受真菌毒素污染的玉米品种。

文末看点｜lumingbio

欧易/鹿明生物推出的16s+代谢组学的多层组学研究思路继本篇文章前已先后助力了浙江工业大学、中国农科院、青岛农业大学等在微生物一区顶刊Microbiome、医学一区顶刊GUT发表文章。

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项目文章PBP | 浙江工业大学傅正伟运用GC-MS非靶向代谢组学和16S探究水稻根际微生物群落影响

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参考文献

1. Adebayo, C. O., & Aderiye, B. I. (2007). Ecology and antibacterial potential of lactic acid bacteria associated with cereals and cassava. Research Journal of Microbiology, 2, 426–435.

2. Ayeni, K. I., Akinyemi, O. M., Kovac, T., & Ezekiel, C. N. (2020). Aflatoxin contamination of maize vended in Ondo state, Nigerian and health risk assessment. Crotian. Journal of Food Science and Technology, 12(1), 123–129.

3. Huang, L., Duan, C., Zhao, Y., Gao, L., Niu, C., Xu, J., & Shengyu, L. (2017). Reduction of aflatoxin B1 toxicity by Lactobacillus plantarum C88: A potential probiotic strain isolated from Chinese traditional fermented food ‘Tofu’. PLoS One, 12, Article e0170109.

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END

小妮子|撰文

小久|排版

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