泡菜是中华民族最具特色和代表性的传统发酵制品之一,而四川泡菜风味独特,营养价值高,是一种含有丰富生物活性物质的天然功能性食品。其风味与功能都受到微生物群体强烈且复杂的影响,然而四川泡菜发酵体系缺乏系统深入的研究。本研究综合应用扩增子测序和宏转录组等测序手段,解析传统四川泡菜自然发酵过程中微生物的群落结构和消长规律;结合色谱分析技术对发酵过程中的有机酸、游离氨基酸和挥发性物质等主要风味物质进行监测,了解风味物质的含量及对泡菜主体风味的贡献;通过宏转录组技术和正交最小偏二乘回归分析等方法系统研究发酵过程中风味物质和功能微生物之间的关联,在微观与宏观层面上探讨功能微生物的基因表达和关键酶对四川泡菜风味物质代谢通路的调控作用,期望通过优化四川泡菜群落结构、调整群落功能,为挖掘相关功能微生物、工业化生产四川泡菜及改进传统发酵工艺提供重要的理论依据,为弘扬中华民族食品文化奠定理论基础。主要研究结果如下:1、扩增子测序结果表明:四川泡菜自然发酵过程中,厚壁菌和变形菌是整个过程的优势微生物;在属水平上,乳杆菌属、肠杆菌属、乳球菌属、明串珠菌属、魏斯氏菌属等为优势属;而戊糖乳杆菌为优势菌种。基于微生物多样性分析结果可知:发酵初期微生物丰度与多样性最高,随着发酵的进行,菌群丰富度逐步降低并趋于稳定。消长规律可总结为:发酵初期,肠杆菌属及其他环境微生物如不动杆菌属和假单胞菌属等为主要微生物,魏斯氏菌属少量增长。发酵至中期,柠檬杆菌属、乳球菌属与明串珠菌属丰度逐渐增加。进入发酵后期,乳杆菌属占据了绝对的优势地位。2、泡菜发酵过程中风味物质的检测结果表明:四川泡菜中共有239种挥发性化合物、17种游离氨基酸、6种有机酸被检出;苹果酸为发酵初期的主要有机酸,乳酸和乙酸为发酵后期主要的有机酸,在第7天浓度分别为3.0mg/m L和1.41 mg/m L;氨基酸在发酵前6天迅速积累(0.71 mg/m L),经历小幅波动后下降至0.50 mg/m L。丝氨酸、天冬氨酸和谷氨酸是四川泡菜中三种主要的氨基酸。239种挥发性物质中,硫化合物、醇类、萜类和酯类是在四川泡菜中检测到的最丰富的四类化合物。根据气味活度值筛选得到16种关键挥发性化合物,其中硫化物有9种,萜烯类2种、醇类2种、烷基苯1种、酮类1种和酯类1种。含硫化合物、酯类、醇类为四川泡菜中提供丰富独特的气味;谷氨酸和天冬氨酸为四川泡菜提供鲜味和酸味;乳酸、乙酸、苹果酸为泡菜提供酸味。3.O2PLS分析表明,微生物与风味物质关联紧密。4种有机酸,17种游离氨基酸和22种挥发性物质与32个菌属呈现强关联性。与风味物质相关性最强的有8个菌属;其中肠杆菌属和23种风味物质呈现负相关关系,乳杆菌属与21种风味物质正相关;13个菌属与柠檬酸、乳酸、乙酸、甲酸相关联。21个菌属影响氨基酸的合成与代谢,其中乳杆菌属最为关键;29个菌属与挥发性物质相关联,而乳杆菌属、肠杆菌属、柠檬酸杆菌属和果胶杆菌属都与超过10种挥发性物质相关。4、宏转录组学测序分析表明:四川泡菜发酵过程中三个时期(第1、3、7天)共9个样品的宏转录组测序数据量介于6.39至7.28Gbp之间,每个样本获得4260万至4910万个高质量序列。拼接得到140795个Unigenes。物种注释结果显示肠杆菌属、乳杆菌属、明串珠菌属、乳球菌属为优势微生物;其结果在属水平上与16s扩增子测序结果保持一致。微生物功能注释上,PICRUST可对菌群功能进行预测并初步了解其功能轮廓,但是在基因表达量以及不同层级类别的注释上与宏转录组测序结果差别较大。5、将四川泡菜微生物表达基因与四大数据库相匹配进行功能注释。KEGG匹配分析表明发酵过程中碳水化合物代谢和氨基酸合成与代谢通路最为活跃。CAZy功能基因注释结果表明糖苷水解酶和糖基转移酶基因表达量最高。GO功能基因注释表明代谢过程、单组织过程、结合、细胞过程、催化活性五个功能最为突出。Egg NOG功能基因注释表明能量、信号转运、碳水化合物及氨基酸代谢最为活跃。6、不同发酵阶段的差异表达基因聚类分析表明:发酵中后期差异基因数量远远少于前期和中期;差异基因表达主要涉及碳代谢、氨基酸生物合成、嘌呤代谢、双组分系统、ABC转运蛋白、嘧啶代谢、丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生转运蛋白家族;前期与后期、中期与后期分别富集到220和182条代谢通路,碳代谢和氨基酸合成为差异基因富集最多的代谢通路;根据四川泡菜中的糖酵解、丙酮酸代谢和氨基酸生物合成与代谢重新构建以乳杆菌科与肠杆菌科为主的四川泡菜发酵代谢网络。7、四川泡菜中微生物对关键风味物质的调控结果表明:乳杆菌目、肠杆菌目和假单胞菌目为有机酸合成代谢的功能微生物,丙酮酸代谢为有机酸合成的主要途径。90个基因和5种酶涉及调节乳酸合成代谢;153个基因8种酶涉及乙酸的调节;353个基因调控的4种酶参与调节苹果酸的合成与代谢;乳杆菌目、肠杆菌目、假单胞菌目和气单胞菌目为调控谷氨酸、天冬氨酸的合成与代谢的功能微生物;谷氨酸的合成代谢涉及369个基因6种酶,天冬氨酸的合成与代谢涉及317个基因12种酶;真菌也参与天冬氨酸代谢的调节;乳杆菌目和肠杆菌目对于挥发性硫化物的调节起主要作用。甲硫氨酸与半胱氨酸分解为硫化物的反应涉及4种酶187个基因。微生物产生的脂酶可催化芳樟醇和甲酸的酯化反应生成芳樟醇甲酯。