WikiEdge:BioRxiv-2024.09.16.613207

• 标题：Making yogurt with the ant holobiont uncovers bacteria, acids, and enzymes for food fermentation
• 中文标题：利用蚂蚁全生物群制作酸奶揭示了食品发酵的细菌、酸和酶
• 发布日期：2024-09-16
• 作者：Sinotte, V. M.; Ramos Viana, V.; Vasquez, D. P.; Sirakova, S. M.; Valeron, N. R.; Cuesta Mate, A.; Taylor Parkins, S. K.; Velasco, E. M.; Zilber, D.; Munk, R.; Andersen, S. B.; Dunn, R. R.; Jahn, L. J.
• 分类：microbiology
• 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.16.613207

摘要：乳品发酵在食品文化、环境和微生物交汇的地方有着丰富的历史。然而，发酵实践和微生物的生物文化起源在很大程度上已被工业化过程所取代。在这里，我们考虑了源自土耳其和保加利亚的一种历史发酵方式 - 蚂蚁酸奶。我们重新审视了使用红木蚁（Formica rufa group）启动乳品发酵的传统实践和现代美食应用。随后，我们对蚂蚁和实验性蚂蚁源酸奶进行了特性分析。我们发现，由蚂蚁及其微生物组成的蚂蚁全生物体，为发酵过程贡献了关键的酸和酶。通过元宏基因组测序和培养，我们发现乳酸菌和醋酸菌，包括与传统酸奶和酸面团中的相关物种，源自活蚂蚁，并在牛奶中繁殖。蚂蚁和细菌因此引入了甲酸、乳酸和醋酸，这对酸奶的酸化和凝固有利。最后，蚂蚁和细菌产生了具有作用于酪蛋白和改变酸奶质地的潜力的蛋白酶。因此，蚂蚁全生物体促进了类似于其他发酵物中的微生物群落的发酵。我们的发现强调了整合传统、美食和生物学框架以揭示发酵食品的微生物起源和应用的价值。

问题与动机

作者的研究问题包括：

• 蚂蚁共生体（ant holobiont）是否能够作为酸奶发酵的启动剂？
• 蚂蚁共生体中的微生物群落是否对酸奶发酵过程中的酸和酶有贡献？
• 红木蚁（Formica rufa group）作为酸奶发酵剂的潜力如何？
• 传统使用蚂蚁制作酸奶的实践是否可以转化为现代美食应用？
• 季节变化对蚂蚁微生物群落及其发酵酸奶的影响是什么？
• 活体蚂蚁与冷冻或脱水蚂蚁在酸奶发酵中的作用是否存在差异？
• 酸奶发酵过程中乳酸菌和醋酸菌的丰度和多样性如何随季节变化？
• 酸奶发酵过程中是否会产生能够改变酸奶质地的蛋白酶？

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

1. 牛奶发酵的历史与文化交融：
   • 牛奶发酵成如酸奶、奶酪和克非尔等产品起源于古老实践，深刻塑造了食品文化。最早的乳制品证据可追溯至9000年前的安纳托利亚（现代土耳其）。
   • 史前乳制品发酵可能早在7000年前就开始了，基于从类似奶酪过滤器的陶器中分离出的脂肪和蛋白质残留物。
   • 随着时间的推移，多样化的乳制品实践将牛奶转化为一种可保存、广泛分布和营养丰富的资源。
2. 酸奶发酵的生物文化起源：
   • 酸奶是一种酸味发酵乳产品，是依赖于人、乳制动物、环境和最重要的是微生物之间相互作用的功能文化适应。
   • 微生物进入牛奶并通过其酶促过程催化发酵成酸性、粘稠的酸奶。
   • 20世纪初，微生物学家首次对酸奶进行表征，为从传统酸奶到简化工业化酸奶的转变奠定了基础。
   • Stamen Grigorov和Ilya Metchnikoff从保加利亚的maya中分离并普及了一种细菌，即Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus。
   • Metchnikoff之后，酸奶的工业化集中在少数细菌分类群上，主要是L. delbrueckii subsp. bulgaricus和Streptococcus thermophilus。
   • 尽管这些物种在工业和野生发酵中通过食品保存、风味生成和潜在健康益处发挥重要作用，但对少数细菌物种的关注忽视了传统酸奶中体现的生物多样性。
3. 蚂蚁酸奶的传统实践与现代应用：
   • 研究者考虑了源自土耳其和保加利亚的历史发酵实践——蚂蚁酸奶。研究者重新审视了使用红林蚁（Formica rufa群）启动牛奶发酵的传统实践和现代美食应用。
   • 研究者通过实验性蚂蚁衍生酸奶的表征，揭示了蚂蚁和其微生物群落对发酵过程的贡献。
   • 研究结果强调了将传统、美食和生物学框架整合起来，以揭示微生物在发酵食品中的起源和应用的价值。

章节摘要

这篇论文是关于使用蚂蚁共生体制作酸奶的研究，其主要内容可以概括如下：

1. 摘要：研究了土耳其和保加利亚的传统酸奶发酵实践，特别是使用红林蚁（Formica rufa group）启动牛奶发酵的实践。研究揭示了蚂蚁共生体（包括蚂蚁及其微生物)对发酵过程中关键酸和酶的贡献。
2. 引言：探讨了牛奶发酵成酸奶、奶酪和克非尔等产品的古老实践，以及这些实践如何深刻塑造了食品文化。讨论了酸奶发酵的生物文化起源和微生物，以及它们如何被工业化过程所取代。
3. 研究结果：
   • 蚂蚁共生体作为食品应用的催化剂：研究了保加利亚社区中保留的传统使用蚂蚁作为酸奶发酵剂的实践。发现使用活蚂蚁作为发酵剂，与冷冻或脱水蚂蚁相比，可以产生一致的微生物组，这对发酵是有益的。
   • 活蚂蚁提供小型、稳定且可控的酸奶微生物组：通过16S rRNA基因的元条形码分析，研究了红林蚁（F. rufa group）的细菌微生物组，并测试了假设，即蚂蚁中的乳酸和醋酸细菌可能转移到酸奶中。
   • 蚂蚁中的细菌在牛奶中增殖：使用定量PCR（qPCR）和16S rRNA Sanger测序的培养组学方法，评估了活蚂蚁引入的酸奶中的乳酸菌的增殖。
   • 蚂蚁和细菌有助于酸奶的酸化：研究了蚂蚁共生体对酸奶中甲酸、乳酸和醋酸的定量，以及发酵前后的pH值。
   • 蚂蚁和微生物有助于酸奶的蛋白质水解：通过非靶向蛋白质组学分析，研究了蚂蚁共生体对酸奶发酵过程中的蛋白酶和肽酶的贡献。
4. 讨论：研究探讨了使用蚂蚁作为酸奶发酵剂的传统实践，并假设蚂蚁共生体（包括蚂蚁及其微生物）催化了发酵。研究结果揭示了蚂蚁和细菌如何协同塑造发酵过程，并提出了关于发酵微生物生态和古老起源的新问题。
5. 材料与方法：描述了传统和现代烹饪中蚂蚁的应用，包括在保加利亚Nova Mahala重新创造蚂蚁酸奶的过程，以及在餐厅Alchemist开发的蚂蚁酸奶冰淇淋三明治、类似马斯卡彭的奶酪和用蚂蚁奶洗澄清的鸡尾酒。
   • 实验酸奶的制备：详细说明了在春季和秋季进行的实验酸奶的制备过程，包括使用Formica polyctena和F. rufa蚂蚁进行微生物组表征和实验酸奶发酵。
   • DNA提取：描述了从酸奶和蚂蚁中提取DNA以评估微生物群落组成的步骤。
   • 细菌负荷的定量：使用实时PCR（qPCR）评估了酸奶、蚂蚁和对照样本中的细菌微生物负荷。
   • 细菌群落元条形码分析：通过16S rRNA基因的V3-V4区域的靶向测序，对蚂蚁、酸奶和对照样本中的细菌群落进行了表征。
   • 牛奶发酵和蚂蚁的细菌培养组学：描述了从蚂蚁酸奶和蚂蚁中培养和鉴定细菌的过程。
   • 酸奶中pH值、乳酸、醋酸和甲酸的定量：描述了测量酸奶样本中pH值、乳酸、醋酸和甲酸含量的方法。
   • 酸奶的蛋白质组学分析：详细说明了从酸奶样本中制备样品进行蛋白质组学分析的过程。
   • 数据可用性：提供了有关测序数据和蛋白质组数据的存储和可用性的信息。
   • 代码可用性：提供了有关分析代码存储和可用性的信息。
   • 作者贡献：列出了作者在研究中的具体贡献。
   • 致谢：感谢协助收集蚁群、提供知识和帮助获取收集许可的个人和组织，以及分享他们对蚂蚁在乳制品发酵中的传统用途的知识的村民和美食家。

研究方法

这篇论文通过综合分析传统实践、现代美食应用和微生物学方法，探讨了红蚂蚁（Formica rufa group）在酸奶发酵过程中的作用。以下是该研究方法论的主要组成部分：

1. 传统实践的田野调查：
   • 在保加利亚进行田野工作，与当地社区合作，了解他们保留的传统酸奶制作方法。
   • 收集了红蚂蚁（Formica rufa group）并使用它们来发酵牛奶，模拟传统酸奶的制作过程。
   • 分析了使用活蚂蚁、冷冻蚂蚁和脱水蚂蚁对酸奶发酵过程的影响。
2. 现代美食应用的开发：
   • 与餐厅Alchemist的研发团队合作，开发了以蚂蚁为基础的酸奶冰淇淋三明治、类似马斯卡彭奶酪的产品和以蚂蚁奶洗澄清的鸡尾酒。
   • 探讨了蚂蚁及其微生物在乳制品和发酵饮料中潜在的新用途。
3. 微生物组分析：
   • 使用16S rRNA基因的元条形码分析来表征红蚂蚁和酸奶中的细菌群落。
   • 通过定量PCR（qPCR）和培养组学方法来评估酸奶和蚂蚁样本中的细菌生物量。
   • 分析了酸奶和蚂蚁样本中的乳酸、醋酸和蚁酸的含量，以及它们对酸奶酸化和凝固的影响。
4. 蛋白质组学分析：
   • 对酸奶样本进行了蛋白质组学分析，以鉴定和量化其中的蛋白酶和肽酶。
   • 创建了一个包含蚂蚁宿主、蚂蚁酸奶细菌和传统酸奶细菌的蛋白酶、肽酶和蛋白质的数据库，用于蛋白质组学数据分析。
   • 分析了季节变化和蚂蚁处理方式对酸奶蛋白质组的影响。
5. 数据分析和解释：
   • 使用统计软件和生物信息学工具来分析微生物群落数据、蛋白质组数据和有机酸含量。
   • 探讨了蚂蚁与其微生物群落的相互作用如何影响酸奶的发酵过程。

这篇论文的方法论分析结果表明，红蚂蚁及其微生物群落能够显著影响酸奶的发酵过程，为传统发酵实践提供了新的科学解释，并为现代美食应用开辟了新的可能性。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

1. 蚂蚁全生物体对酸奶发酵的贡献：研究揭示了蚂蚁全生物体（包括蚂蚁本身及其微生物群落)对酸奶发酵过程中酸和酶的关键贡献。
2. 酸奶发酵的传统实践与现代应用：研究重新审视了使用红林蚁（Formica rufa 组）作为酸奶发酵启动剂的传统做法，并探讨了其在现代美食应用中的潜力。
3. 微生物群落的表征：通过元条形码和培养技术，研究揭示了乳酸菌和醋酸菌等细菌，这些细菌与常规酸奶和酸面团中发现的物种相关，源自活蚂蚁并在牛奶中增殖。
4. 酸和酶的产生：蚂蚁和细菌引入了蚁酸、乳酸和醋酸，这些酸对酸奶的酸化和凝固有利。此外，蚂蚁和细菌产生的蛋白酶可能作用于酪蛋白并改变酸奶的质地。
5. 传统、美食和生物学框架的整合：研究强调了整合传统、美食和生物学框架的价值，以揭示微生物在发酵食品中的起源和应用。
6. 酸奶发酵的生态位和细菌多样性：研究探讨了传统做法中细菌的生态位，并识别了对过去和未来发酵食品至关重要的微生物。
7. 酸奶发酵的创新方法：研究提出了使用蚂蚁作为酸奶发酵启动剂的新方法，这可能为食品工业提供新的植物基食品和饮料的发酵剂。
8. 食品科学的新视角：研究结果为食品科学领域提供了新的视角，可能会改变消费者对昆虫食品的看法，并为使用昆虫和微生物的新型发酵食品的开发提供了科学基础。

术语表

这篇文章的术语表如下：

• 酸奶（Yogurt）：一种通过牛奶发酵制成的食品，具有独特的酸味和粘稠质地。
• 发酵（Fermentation）：指微生物（如细菌或酵母）分解有机物质的过程，产生酸、酒精等化合物。
• 乳酸菌（Lactic acid bacteria）：一类在发酵过程中产生乳酸的细菌，对食品发酵至关重要。
• 蚁全生物（Ant holobiont）：包括蚂蚁及其体内共生的微生物群落。
• 蚁酸（Formic acid）：蚂蚁体内产生的主要防御性化学物质，具有刺激性气味。
• 酸奶发酵（Yogurt fermentation）：指利用微生物将牛奶转化为酸奶的过程。
• 酸奶文化（Yogurt culture）：指用于酸奶发酵的特定微生物群落。
• 酸化（Acidification）：通过增加酸性物质使pH值下降的过程。
• 凝乳（Coagulation）：指蛋白质（如酪蛋白）在酸或酶的作用下凝固成块状的过程。
• 代谢物（Metabolites）：细胞代谢过程中产生的小分子化合物，如乳酸、蚁酸等。
• 蛋白质酶（Proteases）：一类能够分解蛋白质的酶。
• 肽酶（Peptidases）：一类能够分解肽键的酶。
• 微生物组（Microbiome）：指一个特定环境中所有微生物的总和及其遗传信息。
• 酸杆菌（Acetic acid bacteria）：一类能够将糖类转化为醋酸的细菌。
• 培养组学（Culturomics）：通过培养方法研究和鉴定微生物的技术。
• 元基因组学（Metagenomics）：直接从环境样本中提取全部DNA，进行基因组分析的技术。
• 共生（Symbiosis）：指不同生物体之间相互依赖、共同生活的关系。
• 发酵剂（Starter culture）：用于食品发酵的特定微生物培养物。
• 生物多样性（Biodiversity）：指在一个特定生态系统中生物种类的丰富程度。
• 发酵乳制品（Fermented dairy products）：通过微生物发酵制成的乳制品，如酸奶、奶酪等。
• 食品发酵（Food fermentation）：利用微生物发酵作用生产食品的过程。