传统食醋酿造乳酸合成代谢网络及其发酵机制研究

Lactic acid (LA) is the most important compound for the composition and flavors of traditional vinegars. The concentration of LA and its ratio to acetic acid are key indexes for taste and quality of vinegar products. Lactic acid bacteria (LAB) are the main microorganisms which exist throughout the whole brewing process. Thus, to comprehend the LA anabolic network and fermentation mechanism is the basis for scientifically understanding the formation mechanism of flavor compounds within a complicated brewing system. In this project, the idea of community systems microbiology will be applied to reveal the LA anabolic network and fermentation mechanism during traditional vinegars brewing. The LAB community is the main research object to study the relationship among LAB community, their enzymes transcription and LA anabolism using the method of metatranscriptome, and to construct the LA anabolic network during the Shanxi aged vinegar brewing process. Furthermore, the dynamic change and relationship between LAB composition and lactic acid anabolism will be analyzed by disturbing LA anabolism, and the method of Canonical Correspondence Analysis (CCA) will be used to reveal the key enzymes and points for LA anabolism. The result of this project will provide the scientific basis and technology for regulate and control the LA formation during traditional vinegars brewing. Also, the method and the idea of this research could provide experience and methods for some other components of traditional vinegars.

乳酸是我国传统食醋的重要组分和风味物质，乳酸合成量及其与醋酸浓度的比值是影响食醋口感柔和性和产品品质的关键指标。乳酸菌贯穿食醋酿造的全过程，认识乳酸合成代谢网络及其发酵机制，是科学理解传统食醋多菌种共存的复杂酿造体系中风味物质发酵机理的重要基础理论问题。本项目采用群体微生物系统生物学的研究思路，以乳酸菌群体为研究对象，以宏转录组学分析为纽带，分析山西老陈醋乳酸合成代谢途径，分析乳酸菌群体组成及其酶系表达与乳酸合成代谢之间的关系，构建复杂体系下乳酸合成代谢网络；利用代谢工程扰动技术和典范对应分析，解析乳酸菌菌种以及环境因素对乳酸菌群体组成、乳酸合成代谢通量与乳酸合成量的动态变化规律，阐明代谢的关键节点与关键酶系，进而阐明乳酸发酵机制。研究成果将为食醋生产过程中乳酸合成的代谢调控提供理论依据和技术支撑，同时也为食醋重要组分合成机理与调控技术研究提供技术方法和研究思路。

食醋是世界上消费量最大的酸性调味品。我国食醋多以谷物为原料，采用固态发酵工艺酿造，有机酸是食醋最重要的风味物质，其中乳酸是最重要的不挥发性有机酸，是影响食醋风味和产品品质的关键指标，乳酸菌是浓度和多样性最多的一类微生物，但对其在食醋发酵过程中的演替机制以及乳酸代谢特征认识仍不够深入。发酵过程乳酸合成代谢网络及其发酵机制是深入解析科学理解传统食醋复杂酿造机理的重要基础理论问题。本项目采用群体微生物系统生物学的研究思路，综合采用原位发酵分析与体外模拟发酵试验的方法阐明了食醋发酵过程乳酸菌菌群演替机制，重点分析了发酵条件变化、乳酸菌多样性等对发酵过程乳酸合成代谢的调节机制。结果表明，传统食醋发酵过程随底物组成、温度、酸度等发酵条件的变化，乳酸菌浓度和多样性呈现先增加后降低的趋势，其中乳杆菌属是最主要的乳酸菌，对发酵过程菌群演替和底物代谢有重要影响。在酒精发酵初始阶段，主要是糖类组成驱动了乳酸菌的演替；酒精发酵末期和醋酸发酵初期，主要是糖类组成和乙醇驱动了乳酸菌的演替；醋酸发酵中期和末期，主要是乙酸和温度驱动了乳酸菌的演替。10 g / L乙酸，70 g / L乙醇和47°C温度发酵过程驱动乳酸菌菌群演替的临界条件。食醋固态发酵过程乳酸、乙酸、苹果酸、柠檬酸、酒石酸和琥珀酸等主要有机酸的代谢网络，主要由146个点和206条有向边相连组成，参与主要有机酸代谢的化合物有57个，涉及89个酶，其中乙酰辅酶A和丙酮酸是有机酸代谢网络中的核心化合物，琥珀酰辅酶A：乙酸辅酶A转移酶是有机酸代谢网络中的核心酶。乳酸代谢主要微生物为乳杆菌属，醋杆菌属，链球菌属和明串珠菌属。乙醇是醋酸发酵初期（第1天和第3天）的主要环境压力，主要影响乳杆菌属的乙酰磷酸和丙酮酸途径；进入发酵中期（第5天），醋醅温度增加抑制了乙酰磷酸和丙酮酸途径，乳酰谷胱甘肽成为乳酸合成的主要途径；在发酵后期（第7天和第9天），受到较高酸度的影响乳酸的代谢主要通过D-乳酸脱氢酶催化的丙酮酸途径完成。