基于微生物组-代谢组学联用分析揭示巴氏杀菌羊奶冷藏腐败机制

《Journal of Dairy Science》：Characterization of chilled spoilage in pasteurized goat milk using an integrated microbiome-metabolomics analysis

本研究针对巴氏杀菌羊奶冷藏期间易腐败问题，通过16S rRNA测序和UPLC-MS/MS技术，结合WGCNA和Spearman相关性分析，揭示了以变形菌门和假单胞菌属为优势菌群、嗜麦芽窄食单胞菌为关键腐败菌的微生物演替规律及其通过甘油磷脂代谢和嘌呤代谢等途径导致品质劣化的机制，为延长羊奶货架期提供了理论依据。

　　

随着生活水平的提高，消费者对羊奶这种富含蛋白质、必需氨基酸、矿物质和维生素的优质乳制品需求日益增长。特别是经过巴氏杀菌处理的羊奶，既能有效杀灭致病菌延长保质期，又最大程度保留了营养成分，成为许多乳糖不耐受或牛奶蛋白过敏人群的理想选择。然而，看似安全的巴氏杀菌羊奶在冷藏储存过程中仍面临严峻挑战——即使放在4℃的低温环境下，它们依然会悄然变质，出现风味劣化、酸度上升和微生物超标等问题。这背后的罪魁祸首，正是那些耐低温的腐败微生物及其代谢活动。

目前，虽然已知低温储存的羊奶腐败与微生物活动密切相关，但究竟哪些细菌在冷藏条件下主导腐败过程？这些细菌如何通过代谢途径破坏羊奶品质？微生物与代谢产物之间存在着怎样的复杂网络关系？这些问题始终缺乏系统性的解答。正是为了揭开巴氏杀菌羊奶冷藏腐败的黑箱，西北农林科技大学动物科技学院的研究团队在《Journal of Dairy Science》上发表了最新研究成果，创新性地采用微生物组与代谢组学联用分析方法，深入揭示了巴氏杀菌羊奶在13天冷藏过程中菌群演替规律和代谢物变化特征。

研究人员运用了几项关键技术：通过16S rRNA基因测序解析微生物群落结构，利用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)进行代谢物检测，并采用加权基因共表达网络分析(WGCNA)和Spearman相关性分析来构建微生物与代谢物之间的关联网络。所有实验样本均来自西北农林科技大学育种场的莎能奶山羊，在2023年10月采集后经72℃、15秒巴氏杀菌处理，随后在4℃冷藏条件下于0、3、5、7、10、13天分别取样，共获得30份样本进行多组学分析。

微生物群落随时间变化特征

通过16S rRNA测序共识别出5,201个扩增序列变异(ASV)。α多样性分析显示微生物多样性在腐败过程中呈现先升后降的趋势，表明初期多种微生物共同繁殖，后期优势菌群占据主导地位。β多样性分析的主坐标分析(PCoA)和非度量多维尺度分析(NMDS)均显示，储存0天和3天的样本与更长时间储存的样本明显分离。在门水平和属水平上，优势菌群分别为变形菌门(Proteobacteria)和假单胞菌属(Pseudomonas)，同时拟杆菌门(Bacteroidota)和埃默里杆菌属(Empedobacter)也表现出较高丰度。

重要腐败菌的鉴定

通过方差分析筛选出37个在储存期间丰度差异显著的菌属，进一步聚焦到7个平均相对丰度大于1%的重要菌属。其中嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas)、埃默里杆菌属(Empedobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)和特鲁佩菌属(Trueperella)呈现增长趋势，而不动杆菌属(Acinetobacter)、绿杆菌属(Chlorobacterium)和鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)则呈现下降趋势。这些菌株被认为具有作为羊奶新鲜度监测生物标志物的潜力。

代谢谱随时间变化分析

利用UPLC-MS/MS技术共检测到863种代谢物。主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)表明冷藏储存显著改变了巴氏杀菌羊奶的代谢组组成。通过OPLS-DA S-plot筛选出182种差异代谢物，热图聚类显示不同储存组别间代谢物含量存在明显差异。

微生物组与代谢组学数据的WGCNA分析

WGCNA将863个代谢物聚类为4个模块，其中青绿色模块包含335个代谢物，与嗜麦芽窄食单胞菌呈强正相关，与不动杆菌属、绿杆菌属和鞘氨醇杆菌属也呈显著正相关。通路富集分析显示，青绿色模块中的代谢物显著富集于甘油磷脂代谢、细菌趋化性、癌症中的胆碱代谢、ABC转运蛋白和嘌呤代谢等5条通路。

重要菌属与代谢物相关性分析

从青绿色模块中筛选出75个关键代谢物，包括溶血磷脂酰胆碱(LPC)、溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)、丁酸等脂质水解和氧化产物，以及多种氨基酸衍生物和小肽。Spearman相关性热图显示，嗜麦芽窄食单胞菌、不动杆菌属和绿杆菌属与这些关键代谢物存在强烈相关性。特别是嗜麦芽窄食单胞菌在储存期间活性显著上调，表明它可能是主要的腐败菌。

这项研究通过多组学整合分析，首次系统揭示了巴氏杀菌羊奶冷藏腐败过程中微生物群落与代谢物的动态变化关系。研究发现，嗜麦芽窄食单胞菌作为主要腐败菌，可能通过甘油磷脂代谢和嘌呤代谢等途径驱动羊奶品质劣化。同时鉴定出的多种脂质水解产物和氧化产物，为理解脂肪降解机制提供了新视角。该研究不仅为监测羊奶新鲜度提供了潜在的生物标志物，也为食品工业制定更有效的保鲜策略奠定了理论基础，对提升乳制品质量和延长货架期具有重要实践意义。