Геномика и метаболомика микроорганизмов в ферментированных продуктах питания (аннотация)Геномика и метаболомика микроорганизмов в ферментированных продуктах питания
Ферментированные продукты и напитки занимают неотъемлемую часть рациона человека, самая ранняя история которых датируется 13 000 годами до нашей эры.
В ходе развития цивилизации люди использовали технические ноу-хау ферментации продуктов питания для получения питательных и полезных веществ, повышения безопасности продуктов и улучшения органолептических характеристик. Исторические свидетельства говорят о том, что на развитие практики ферментации влияли свойства сырья и преобладающие климатические условия. Кроме того, религиозные, культурные, социальные и экономические аспекты местного региона также оказывали влияние на эти практики.
Появление омических технологий (секвенирование ампликонов, метагеномика, метатранскриптомика, метапротеомика и метаболомика) позволило современным исследователям использовать эти технологии для пересмотра экосистем, основанных на продуктах питания. Недавнее развитие омических подходов и доступность технологий привели к смене парадигмы в науке о продуктах питания. Использование машинного обучения и других передовых статистических подходов чрезвычайно полезно для изучения процессов ферментации и прогнозирования метаболических последствий микробных экосистем пищевых продуктов (Galimberti et al., 2021). В этом обзоре представлены несколько научных статей, основанных на омике, которые посвящены изучению процессов микробной ферментации в некоторых очень важных традиционных ферментированных продуктах и напитках по всему миру.
Одним из древнейших в мире дистиллированных алкогольных напитков является китайский ликер, для получения которого характерно использование ферментационных заквасок дацюй. Deng и др. оценили микробное разнообразие в дацюй - традиционно приготовленной стартовой культуре, используемой для ферментации традиционного алкогольного напитка под названием Nongxiang Baijiu, и установили корреляцию между микробным разнообразием и вкусовыми соединениями. В этом исследовании временной анализ метагеномики выявил бактериальное и грибковое разнообразие, связанное с производством летучих веществ во время ферментации дацюй (Deng et al.).
Ли и др. оценили динамику грибкового сообщества из шести климатически различных регионов производства марселана в Китае, чтобы установить их роль в спонтанной ферментации при производстве красного вина, и сообщили, что доминирующей группой грибов является фила Ascomycota и род Aureobasidium. На основе данных высокопроизводительного секвенирования и метаболических профилей была установлена корреляция между потенциалом спонтанной ферментации, содержанием полифенолов и таксономическим составом грибов в образцах.
Пробиотические микроорганизмы являются важнейшими компонентами ферментированных пищевых продуктов, включая молочные продукты, ферментированные овощи, соленья и некоторые безалкогольные ферментированные/неферментированные напитки. В этом контексте Gopal и др. использовали метагеномный подход для выявления присутствия пробиотических микроорганизмов в кальпарасе - свежем оздоровительном напитке, приготовленном из сока спадикса кокосового ореха.
Они сообщили, что в свежем кальпарасе наблюдалось более высокое содержание пробиотического Leuconostoc, а также равные доли пробиотических родов Acetobacter, Gluconobacter и Fructobacillus. Они также сообщили о значительном увеличении численности Gluconobacter и заметном снижении численности Leuconostoc через 12 ч. Это исследование также позволило предположить, что ферментация кальпараса, вероятно, была обусловлена симбиотической культурой бактерий и дрожжей, особенно уксуснокислых бактерий и несахаромицетовых дрожжей (Gopal et al.).
Сравнительный анализ традиционных и современных методов ферментации сюэцай - местного ферментированного овощного продукта Китая - был описан Zhang et al. Твердофазная микроэкстракция в головном пространстве с последующей газовой хромато-масс-спектрометрией выявила разное присутствие ароматических соединений в сюэцай, полученном с помощью традиционных и современных технологий ферментации. Группа сообщила о значительной корреляции между структурой бактериального сообщества (полученной с помощью высокопроизводительного ампликонного секвенирования) и вкусовыми компонентами ферментированного сюцая. Количество основных вкусовых соединений, таких как аллил изотиоцианат, этилацетат, 3-бутененитрил, фенол, этанол и 3-(2,6,6-триметил-1-циклогексен-1-ил) акрилальдегид, значительно отличалось между сюэцаем, произведенным традиционным и современным способом ферментации (Zhang et al.).
Yao и др. описали структуру микробного сообщества и профили метаболитов ферментированного черного соевого творога суфу-а (приготовленного с использованием Rhizopus microsporus, Rhizopus oryzae и Actinomucor elegans в качестве инокулянтов) на разных стадиях процесса ферментации. Целевое секвенирование ампликонов 16S V3-V4 региона и ITS1 региона показало наличие основного ферментирующего микробного сообщества, состоящего из Enterococcus, Enterobacter, Rhizopus и Monascus. В статье также сообщается о более высоком разнообразии бактерий по сравнению с грибами в суфу. Далее авторы использовали сетевой анализ для выявления положительных и отрицательных взаимодействий между бактериальными и грибковыми сообществами, которые необходимы для формирования базовой структуры сообщества в суфу.
Понимание микробных взаимодействий в ферментационных культурах является важной темой для проектирования новых процессов для разработки продуктов. Xu и др. использовали комплексный анализ транскриптомики и протеомики для описания белкового метаболизма в Lactobacillus helveticus. Для определения того, как L. helveticus использует белок, были применены транскриптомный анализ de novo и анализ протеома с использованием изобарических меток для относительной и абсолютной количественной оценки. В данном исследовании описан молекулярный механизм утилизации, транспорта и ферментативного гидролиза белка в L. helveticus, что позволяет снизить потребление энергии.
В аналогичном исследовании Canon и др. продемонстрировали роль специфических пептидов в положительном взаимодействии между протеолитическими и непротеолитическими штаммами молочнокислых бактерий (МКБ). Анализ протеомики на основе тандемной масс-спектрометрии (LC-MS/MS) выявил группу гидрофобных и содержащих аминокислоты с разветвленной цепью пептидов, которые оказались важными для взаимодействия. Данное исследование предоставляет важную информацию для проектирования стартовых культур на основе МКБ с целью разработки новых продуктов ферментации.
