导读

2026年2月24日，吉林农业大学食品科学与工程学院王玉华教授课题组在国际食品权威期刊《Trends in Food Science & Technology》（Q1，中科院1区Top，IF=15.4）发表题为“Integrating metabolomics, proteomics, transcriptomics, and genomics to enhance the flavor-modulating capacity of Lactic acid bacteria in fermented beverages”的综述性论文。该文通讯作者为吉林农业大学食品科学与工程学院王宇博士和王玉华教授。

近年来，随着消费者对营养价值、益生功能及多样化风味的关注提升，酸奶、酒类、植物基饮料及功能性果汁等发酵饮品的全球需求持续增长。风味作为决定产品市场竞争力和消费接受度的核心因素，其形成源于有机酸、酯类、醛类、醇类和酮类等挥发性与非挥发性代谢物的复杂组合。其中，乳酸菌（LAB）通过碳水化合物发酵、蛋白水解及氨基酸分解等多样代谢活动，主导香气活性物质的生成，是塑造发酵饮品感官特征的关键微生物。传统风味研究多依赖感官评价及GC-MS、电子鼻/舌等理化分析手段，虽可解析成分组成，却难以揭示风味形成的分子机制及菌株贡献差异。近年来，基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等多组学技术为解析风味生物合成路径、调控网络及前体物质提供了系统视角。然而，当前研究多停留于单一组学层面，缺乏跨层级整合，限制了对乳酸菌菌株特异性代谢网络及其风味调控机制的深入理解，也制约了精准发酵策略与优良菌株的理性筛选。该综述系统整合多组学研究进展，提出以组学整合为导向的风味调控框架，将功能基因预测与代谢调控机制相结合，以实现风味增强与异味抑制，并展望其在发酵饮品中的应用挑战与未来发展方向。

未来方向

高通量测序与整合组学工具的快速发展，极大深化了我们对发酵生态系统中乳酸菌（LAB）的认识。随着消费者对独特感官特征和“清洁标签”发酵产品需求的增长，行业正转向以数据驱动的精准策略，通过微生物生物转化实现风味增强。因此，以风味为导向的组学研究有望促进具有理想产香能力的乳酸菌菌株的理性筛选与工程化改造，使其在工业相关的高香气发酵饮品开发中实现定向应用。图4概述了未来基于组学指导的乳酸菌风味增强策略发展趋势，强调多组学筛选、菌株与工艺中心化设计以及人工智能辅助预测与动态控制的整合，以实现精准风味调控。

（1）以菌株为中心：多组学驱动的产香乳酸菌筛选与精准工程化

在分子层面，未来研究可利用多组学数据集鉴定风味生物合成相关的核心基因和特异性酶系统。将这些分子靶点与电子鼻/舌数据及代谢组学谱图整合，可构建“菌株–代谢物–风味通路”图谱，实现发酵饮品中乳酸菌的精准调控。在确定靶点后，可通过CRISPR-Cas9介导的基因增强或敲除强化特定风味代谢通路，同时结合随机诱变方法（如紫外或激光照射）扩展遗传多样性，以筛选优良产香乳酸菌变异株。该双重策略为高通量筛选和新一代精准发酵体系的构建奠定了坚实基础。

（2）以工艺为中心：发酵动态与基质靶向调控

除菌株工程外，还可基于多组学衍生的动力学模型实现对乳酸菌发酵过程的实时指导。通过整合代谢通量分析与定量蛋白质组学、转录组学数据，可预测温度、pH和氧水平对酯类、醛类、醇类及有机酸生物合成的影响。这些认知将支持动态控制策略，如分阶段温度控制、脉冲式底物补料及与互补乳酸菌的共培养。此外，还可根据乳制品、植物基及混合基质的理化与营养特性定制发酵参数，从而生成在常规条件下难以获得的新型芳香化合物。

（3）系统层面人工智能辅助：多组学整合与理性设计

在系统层面，借助变分自编码器（VAE）和生成对抗网络（GAN）等生成模型的人工智能辅助菌株优化，可实现虚拟基因型的体内构建以及具有最佳风味潜力的乳酸菌组合的自动筛选。人工智能指导的菌株设计平台有望加速从经验育种向数据驱动精准发酵的转变。在此基础上，可利用深度神经网络（DNN）或图神经网络（GNN）对整合多组学数据进行建模，精准预测乳酸菌调控风味化合物生物合成的关键代谢通路。这些预测能力还可通过机器学习回归模型拓展，将多组学数据与电子舌及人工感官评价结果关联，使风味特征既可预测，又可进行理性设计。同时，将电子鼻/舌系统与人工智能图像和光谱识别技术结合，可实现风味的实时监测以及对温度、pH和通气条件的自动控制，从而最大化目标风味物质的生物合成。总体而言，这些策略构建了一个闭环的人工智能辅助框架，用于乳酸菌驱动发酵饮品的理性设计与动态调控。

图文赏析

图1. 用于研究乳酸菌（LAB）在发酵饮品中风味调控潜力的多组学框架概述。通过全基因组测序（WGS）和比较基因组分析（CGA）鉴定功能基因潜力，利用转录组学和蛋白质组学表征风味相关代谢通路及酶的调控机制。结合代谢组学，该框架将乳酸菌菌株特异性的分子特征与风味增强及异味缓解相联系，为基于组学指导的精准风味优化提供理论基础。

图2. 乳酸菌菌株、发酵基质及菌株特异性机制在发酵饮品中调控风味增强与异味缓解的概念性概览。(A) 发酵饮品中代表性乳酸菌及其参与碳水化合物、脂类和氨基酸代谢的关键风味相关酶与基因。(B) 主要乳制品和植物基发酵基质及其特征性底物。(C) 乳酸菌介导的风味调控示意图。“加法机制”表示将碳水化合物、蛋白质和脂类转化为理想的挥发性化合物，赋予果香、奶油香、坚果香和酸味等特征；“减法机制”则表示通过酶促降解或转化不良挥发性及非挥发性化合物，从而减轻异味。

图3. 多组学整合解析乳酸菌介导风味调控的策略。通过整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，将遗传潜力、代谢调控与风味结果相联系。借助互补性的“加法”与“减法”机制，乳酸菌促进香气生物合成、质构改善及共发酵驱动的风味形成，同时通过降解或转化不良化合物来减轻异味的产生。

图4. 基于组学导向的乳酸菌驱动发酵饮品风味增强策略的未来展望。通过整合多组学、以菌株和工艺为中心的设计，以及人工智能辅助的预测与控制，实现不同发酵基质中风味的精准调控。

来源：公众号-Modern农业MODA

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ktS8R2e3VYpdfJaUoXLwAQ