前言

2021年02月，伊犁山雷莫巴布科克大學(xué)的Ihuoma E. Chibuzor-Onyema教授課題組在FOOD RESEARCH INTERNATIONAL期刊發(fā)表的題為 “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，通過(guò)16s rRNA測(cè)序、LC-MS代謝組學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)了谷物中細(xì)菌群落和霉菌毒素特征，探究了谷物在加工成ogi過(guò)程中真菌毒降低的機(jī)理，描繪了ogi中菌群結(jié)構(gòu)圖譜。為尋找低污染、安全的代替食品提供了理論依據(jù)。

中文標(biāo)題：三種谷物加工成發(fā)酵飲料ogi過(guò)程中細(xì)菌群落和真菌毒素減少的宏分類分析

研究對(duì)象：谷物

發(fā)表期刊：FOOD RESEARCH INTERNATIONAL

影響因子：6.475

發(fā)表時(shí)間：2021年02月

合作單位：伊犁山雷莫巴布科克大學(xué)

運(yùn)用生物技術(shù)：LC-MS靶向代謝組學(xué)、16s rRNA基因測(cè)序

研究背景

Ogi主要是由玉米制成的發(fā)酵飲料，但很少用谷物制成，而谷物在生產(chǎn)過(guò)程中的細(xì)菌群落和真菌毒素尚不清楚。文章采用16s rRNA高通量基因測(cè)序和LC-MS靶向代謝組學(xué)進(jìn)行研究，表明谷物在加工階段的細(xì)菌群落顯著分化，真菌毒素明顯降低。

研究思路

研究方法

1. 實(shí)驗(yàn)分組/研究材料

? （1）WF；D.exilis：2kg

（2）BF；D.iburua：2kg

（3）FM；E.coracana：2kg

2. 技術(shù)路線

2.1 理化方法：pH計(jì)測(cè)定pH值；酚酞指示劑測(cè)定TTA

2.2生物技術(shù)：16S rRNA基因測(cè)序

2.3 LC-MS靶向代謝組：測(cè)定谷物及ogi中6種真菌毒素

3. 統(tǒng)計(jì)分析

3.1 生物信息學(xué)分析：FastQC軟件、DADA2去噪器、Silva 16S rRNA分類法、QIIME2軟件

3.2 細(xì)菌群落數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：R 軟件、GraPhlAn軟件

研究結(jié)果

ogi生產(chǎn)過(guò)程中的物化性質(zhì)

三種谷物浸泡期間，pH值均降低分別為WFpH 5.1至pH4.1，BFpH 5.4至pH4.2，F(xiàn)M pH5.9至pH5.1（圖1a）。變酸階段，谷物品種發(fā)酵成ogi的pH值在24小時(shí)急劇下降至pH3.5（WF為pH3.4），在變酸72小時(shí)達(dá)到pH3.5（WF和BF）和pH3.4（FM）（圖1a）。ogi在變酸期間，TTA也相對(duì)增加，在72小時(shí)最高（圖1b），其中FM中的TTA最高為0.83%。

圖1 | 三種谷物發(fā)酵（浸泡和變酸）成ogi期間的pH值和TTA

ogi生產(chǎn)發(fā)酵階段相關(guān)的細(xì)菌ASV

2.1 ASV的多樣性和動(dòng)態(tài)性

樣本獲得的16S rRNA序列、物種豐富度（Chao1）和ASV數(shù)量（ASV豐富度，R）能夠描述細(xì)菌多樣性。谷物浸泡階段，F(xiàn)M中ASV的R和多樣性最低，發(fā)酵12小時(shí)的BF有最高的ASV豐富度（R）和H'值，WF中的R和H'值始終較高。變酸期間FM的R和H'值最低，變酸48小時(shí)能觀察到最高的R和H'值。谷物在浸泡和變酸期間的R和H'的趨勢(shì)都是不同的。浸泡期間，WF的R和H'水平在前36小時(shí)升高， 48小時(shí)后降低；FM的R和H'水平降低；BF出波動(dòng)模式。變酸期間，F(xiàn)M的R和H'水平在72小時(shí)內(nèi)增加，BF的R和H'水平在48小時(shí)前增加，72小時(shí)下降；WF的R和H'水平在24小時(shí)前增加，然后在變酸結(jié)束前降低（表1）。??

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表1 |三種谷物發(fā)酵成ogi過(guò)程中ASV的多樣性

谷物在每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)特有的ASV數(shù)量高于兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間共享的ASV數(shù)量（圖2a-c和2e-g）。浸泡期間，WF在四個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)有最多的ASV（圖2a）。WF和BF變酸期間，四個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)ASV數(shù)量都較高（圖2e-g）。變酸結(jié)束時(shí)，三種谷物ogi的ASV數(shù)量都是不同的（圖2d和圖2h）。

圖2 | 三種谷物發(fā)酵至ogi期間的采樣時(shí)間點(diǎn)/間隔中常見ASV/物種

2.2 細(xì)菌群落組成

BF和FM的細(xì)菌群落組成密切相關(guān)，浸泡過(guò)程中與WF的細(xì)菌群落組成不同。多變量空間中觀察，谷物品種之間的差異是顯著的。成對(duì)后Hocpermanova分析表明，只有FM和WF之間存在顯著差異（圖3a和圖3c）。WF和BF變酸期間的細(xì)菌群落組成密切相關(guān)，但與FM不同（圖3b和圖3d）。多變量空間中，F(xiàn)M和BF之間及FM和WF之間微生物群落存在顯著差異。多變量分析表明，近親谷物品種WF和BF的群落組成相似，尤其是在變酸期間，不同于遠(yuǎn)親谷物品種。

圖3 | 浸泡和變酸階段的非度量維標(biāo)度圖及UPGMA層次聚類樹狀圖

2.3 優(yōu)勢(shì)物種和豐度差異

ASV共有16個(gè)門，包括放線菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、厚壁菌門和變形菌門等。三種谷物在發(fā)酵過(guò)程中，厚壁菌門占主導(dǎo)地位。WF浸泡過(guò)程中，擬桿菌門在浸泡開始12小時(shí)占主導(dǎo)地位，厚壁菌門在浸泡結(jié)束時(shí)占主導(dǎo)地位（圖4a）。谷物樣本中鑒定出43種主要類型菌，而這些乳酸菌構(gòu)成ogi加工過(guò)程中的核心發(fā)酵微生物（圖4b）。

樣本中檢測(cè)到的43個(gè)優(yōu)勢(shì)屬中，豐度差異測(cè)試顯示有15個(gè)屬。狹義8型梭菌屬、棒狀桿菌屬和鏈球菌屬差異較多。發(fā)酵過(guò)程中，BF中的新鞘球菌和小球菌也比其他樣品組更豐富。WF中的彎曲桿菌和鄧加內(nèi)拉菌的含量高于其他樣品。其余8個(gè)差異豐度屬，WF比其他樣品的豐度差異更高（圖4）。

圖4 | 占優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)類型相對(duì)豐度

谷物加工成ogi過(guò)程中的真菌毒素減少

谷物及ogi中測(cè)定了曲霉、鐮刀菌和青霉菌產(chǎn)生的6種主要真菌毒素，在FM、BF和WF中分別檢出1種、3種和6種真菌毒素。生谷物中的真菌毒素水平通常較低，但高于在72小時(shí)變酸時(shí)的ogi。生谷物加工成ogi后，WF、BF和FM的真菌毒素減低百分比分別在52.1%-100%、57.6%-100%和100%。WF中的黃曲霉毒素B1減少100%，桔霉素和玉米赤霉烯酮減少百分比分別為100%和76.3%。白僵菌毒素是在三種谷物中均出現(xiàn)的真菌毒素，降低的百分比也很高（表2）。

表2 |三種谷物加工過(guò)程中真菌毒素的降低水平

相關(guān)討論

谷物變酸是確定最終產(chǎn)品的決定性階段，完全去除潛在的有害微生物，可能會(huì)促進(jìn)微環(huán)境中的抗菌化合物。發(fā)酵利用系統(tǒng)16S rRNS測(cè)序微生物群的多樣性，通過(guò)細(xì)胞壁結(jié)合、降解或生物轉(zhuǎn)化等方法來(lái)減少真菌毒素。Ogi和谷物中的真菌毒素降低，可能不會(huì)對(duì)健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)酵過(guò)程中涉及的細(xì)菌種類可作為益生菌加以利用，通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)提高以谷物為基礎(chǔ)的ogi生產(chǎn)技術(shù)。

研究結(jié)論

本篇運(yùn)用16S rRNS測(cè)序及LC-MS代謝組學(xué)研究表明，由谷物制成的ogi菌群具有多樣性，且真菌毒素顯著降低。而文章選用的三種谷物中，尤以FM品種對(duì)ogi加工階段影響最大。通過(guò)數(shù)據(jù)和食品方面分析，谷物品種優(yōu)于玉米，是一種可行的替代品。

小鹿推薦

本片文章通過(guò)LC-MS靶向代謝組學(xué)和16S rRNA基因序列分析，探究谷物在加工傳統(tǒng)飲料ogi過(guò)程中真菌毒素的減少和細(xì)菌群落的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，從糧食安全方面考慮，谷物的污染水平低、較安全，又優(yōu)于玉米，可以代替受真菌毒素污染的玉米品種。

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