发酵乳中风味物质指纹图谱的构建及其相关功能基因调控机理的研究

The subjects used in this study include 20 flavor-contributing strains selected from the existing 333 strains of Streptococcus thermophilus and 411 strains of Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus from the Lactic Acid Bacteria Collection Center of Inner Mongolia Agricultural University. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)and ultra performance liquid chromatography/quadrupole-time-of-flight mass spectrometry (UPLC-Q-TOF-MS) were conducted for the qualitative and quantitative analyses of the flavors produced in the fermentation of a single or composite lactic acid bacteria. Principal component analysis, cluster correlation analysis, cluster analysis, and other methods were used for fingerprinting. The dynamic changes in the principal volatile flavors and their influence on the quality of fermented milk were analyzed. Bioinformatics was employed to predict and analyze the metabolic pathways of the principal characteristic flavors. q-PCR technology was used to identify related functional genes. The expression levels of genes related to characteristic flavor production were compared. This study elucidated the presence of genes related to characteristic flavor production in lactic acid bacteria and found a correlation between the biological characteristics of lactic acid bacteria and functional genes. The results of this study could serve as a theoretical basis for increasing the quality of fermented milk for industrial-grade production.

这项课题依托内蒙古农业大学乳酸菌菌种资源库资源，结合已筛选出来的具有良好风味的12株嗜热链球菌和8株保加利亚乳杆菌，开展以下研究工作：首先，使用气相色谱-质谱联用(GC-MS)、超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱(UPLC-Q-TOF-MS)等技术对单一或复合乳酸菌在发酵过程中产生的风味物质进行定性、定量分析，构建指纹图谱；其次，采用主成分分析、聚类相关性分析以及聚类分析等方法分析指纹图谱，确定其特征性风味物质，探讨主要特征性风味物质的动态变化及其与发酵乳品质的互作效应；之后，采用生物信息学方法，预测、分析主要特征风味物质的代谢通路，同时采用q-PCR技术对相关功能基因进行分析，比较分析和特征性风味物质生产相关的基因表达的差异，完成乳酸菌生产特定风味物质功能基因的精细定位，最终实现乳酸菌生物学特性与功能基因关联分析，为发酵乳的品质评价和工业化生产提供原始数据和理论指导。

嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌是制作发酵乳制品最重要的发酵剂菌种，具有重要的经济价值和应用研究潜力。这两种酸奶发酵剂通过共生互作使牛奶快速酸化，并且赋予酸奶特有的风味和良好的质地。本研究以内蒙古农业大学乳酸菌菌种资源库中保藏的从不同地区和不同乳源分离的嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌为研究对象，采用固相微萃取与气相色谱-质谱联用技术（SPME-GC-MS）相结合的方法，探讨发酵乳中挥发性风味物在发酵和贮藏期间的动态变化，并结合香味活性值（OAV）、主成分分析和相似度分析等方法探讨单一和复配菌株发酵乳在发酵及贮藏各阶段关键性风味物质的变化和色谱指纹图谱相似性。在此基础上，对具有不同风味物质形成特性的代表性菌株进行了功能基因q-PCR定量分析，研究不同菌株，在不同贮藏时间点关键基因表达变化与表型指标变化之间的关系。主要取得以下成果：①筛选出具有良好风味的嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌，并建立了一套可行的具有良好风味乳酸菌的筛选评价体系。②发现来自同一地域的嗜热链球菌或保加利亚乳杆菌发酵乳中风味化合物之间具有较高的相似性，而来自不同地域的菌株发酵乳中风味化合物之间相似度较低，证明了生长环境压力能够对菌株发酵乳的产香特性产生影响。③发现复配菌株中复配比例的改变对风味物质的种类和含量影响较大，且随着发酵的进行和贮藏时间的延长，发酵乳中风味物质的种类、含量和关键性物质呈现出显著差异。④通过对具有不同风味物质产量特性的代表性菌株进行功能基因q-PCR定量分析，发现pdc、lld、ald等基因在嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的乙醛代谢过程中发挥着重要作用。通过四年的实施本研究发表论文12篇，其中SCI论文5篇；申请发明专利2项，培养硕士研究生4名。本项目的完成为发酵剂的筛选及发酵乳挥发性风味物质检测分析提供理论依据与数据基础。