WikiEdge:BioRxiv-2024.09.16.613207
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- 標題：Making yogurt with the ant holobiont uncovers bacteria, acids, and enzymes for food fermentation
- 中文標題：利用螞蟻全生物群製作酸奶揭示了食品發酵的細菌、酸和酶
- 發布日期：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.
- 分類：microbiology
- 原文鏈接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.16.613207
摘要：乳品發酵在食品文化、環境和微生物交匯的地方有着豐富的歷史。然而，發酵實踐和微生物的生物文化起源在很大程度上已被工業化過程所取代。在這裡，我們考慮了源自土耳其和保加利亞的一種歷史發酵方式 - 螞蟻酸奶。我們重新審視了使用紅木蟻（Formica rufa group）啟動乳品發酵的傳統實踐和現代美食應用。隨後，我們對螞蟻和實驗性螞蟻源酸奶進行了特性分析。我們發現，由螞蟻及其微生物組成的螞蟻全生物體，為發酵過程貢獻了關鍵的酸和酶。通過元宏基因組測序和培養，我們發現乳酸菌和醋酸菌，包括與傳統酸奶和酸麵團中的相關物種，源自活螞蟻，並在牛奶中繁殖。螞蟻和細菌因此引入了甲酸、乳酸和醋酸，這對酸奶的酸化和凝固有利。最後，螞蟻和細菌產生了具有作用於酪蛋白和改變酸奶質地的潛力的蛋白酶。因此，螞蟻全生物體促進了類似於其他發酵物中的微生物群落的發酵。我們的發現強調了整合傳統、美食和生物學框架以揭示發酵食品的微生物起源和應用的價值。
問題與動機
作者的研究問題包括：
- 螞蟻共生體（ant holobiont）是否能夠作為酸奶發酵的啟動劑？
- 螞蟻共生體中的微生物群落是否對酸奶發酵過程中的酸和酶有貢獻？
- 紅木蟻（Formica rufa group）作為酸奶發酵劑的潛力如何？
- 傳統使用螞蟻製作酸奶的實踐是否可以轉化為現代美食應用？
- 季節變化對螞蟻微生物群落及其發酵酸奶的影響是什麼？
- 活體螞蟻與冷凍或脫水螞蟻在酸奶發酵中的作用是否存在差異？
- 酸奶發酵過程中乳酸菌和醋酸菌的豐度和多樣性如何隨季節變化？
- 酸奶發酵過程中是否會產生能夠改變酸奶質地的蛋白酶？
背景介紹
這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：
- 牛奶發酵的歷史與文化交融：
- 酸奶發酵的生物文化起源：
- 酸奶是一種酸味發酵乳產品，是依賴於人、乳制動物、環境和最重要的是微生物之間相互作用的功能文化適應。
- 微生物進入牛奶並通過其酶促過程催化發酵成酸性、粘稠的酸奶。
- 20世紀初，微生物學家首次對酸奶進行表徵，為從傳統酸奶到簡化工業化酸奶的轉變奠定了基礎。
- Stamen Grigorov和Ilya Metchnikoff從保加利亞的maya中分離並普及了一種細菌，即Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus。
- Metchnikoff之後，酸奶的工業化集中在少數細菌分類群上，主要是L. delbrueckii subsp. bulgaricus和Streptococcus thermophilus。
- 儘管這些物種在工業和野生發酵中通過食品保存、風味生成和潛在健康益處發揮重要作用，但對少數細菌物種的關注忽視了傳統酸奶中體現的生物多樣性。
- 螞蟻酸奶的傳統實踐與現代應用：
- 研究者考慮了源自土耳其和保加利亞的歷史發酵實踐——螞蟻酸奶。研究者重新審視了使用紅林蟻（Formica rufa群）啟動牛奶發酵的傳統實踐和現代美食應用。
- 研究者通過實驗性螞蟻衍生酸奶的表徵，揭示了螞蟻和其微生物群落對發酵過程的貢獻。
- 研究結果強調了將傳統、美食和生物學框架整合起來，以揭示微生物在發酵食品中的起源和應用的價值。
章節摘要
這篇論文是關於使用螞蟻共生體製作酸奶的研究，其主要內容可以概括如下：
- 摘要：研究了土耳其和保加利亞的傳統酸奶發酵實踐，特別是使用紅林蟻（Formica rufa group）啟動牛奶發酵的實踐。研究揭示了螞蟻共生體（包括螞蟻及其微生物)對發酵過程中關鍵酸和酶的貢獻。
- 引言：探討了牛奶發酵成酸奶、奶酪和克非爾等產品的古老實踐，以及這些實踐如何深刻塑造了食品文化。討論了酸奶發酵的生物文化起源和微生物，以及它們如何被工業化過程所取代。
- 研究結果：
- 螞蟻共生體作為食品應用的催化劑：研究了保加利亞社區中保留的傳統使用螞蟻作為酸奶發酵劑的實踐。發現使用活螞蟻作為發酵劑，與冷凍或脫水螞蟻相比，可以產生一致的微生物組，這對發酵是有益的。
- 活螞蟻提供小型、穩定且可控的酸奶微生物組：通過16S rRNA基因的元條形碼分析，研究了紅林蟻（F. rufa group）的細菌微生物組，並測試了假設，即螞蟻中的乳酸和醋酸細菌可能轉移到酸奶中。
- 螞蟻中的細菌在牛奶中增殖：使用定量PCR（qPCR）和16S rRNA Sanger測序的培養組學方法，評估了活螞蟻引入的酸奶中的乳酸菌的增殖。
- 螞蟻和細菌有助於酸奶的酸化：研究了螞蟻共生體對酸奶中甲酸、乳酸和醋酸的定量，以及發酵前後的pH值。
- 螞蟻和微生物有助於酸奶的蛋白質水解：通過非靶向蛋白質組學分析，研究了螞蟻共生體對酸奶發酵過程中的蛋白酶和肽酶的貢獻。
- 討論：研究探討了使用螞蟻作為酸奶發酵劑的傳統實踐，並假設螞蟻共生體（包括螞蟻及其微生物）催化了發酵。研究結果揭示了螞蟻和細菌如何協同塑造發酵過程，並提出了關於發酵微生物生態和古老起源的新問題。
- 材料與方法：描述了傳統和現代烹飪中螞蟻的應用，包括在保加利亞Nova Mahala重新創造螞蟻酸奶的過程，以及在餐廳Alchemist開發的螞蟻酸奶冰淇淋三明治、類似馬斯卡彭的奶酪和用螞蟻奶洗澄清的雞尾酒。
- 實驗酸奶的製備：詳細說明了在春季和秋季進行的實驗酸奶的製備過程，包括使用Formica polyctena和F. rufa螞蟻進行微生物組表徵和實驗酸奶發酵。
- DNA提取：描述了從酸奶和螞蟻中提取DNA以評估微生物群落組成的步驟。
- 細菌負荷的定量：使用實時PCR（qPCR）評估了酸奶、螞蟻和對照樣本中的細菌微生物負荷。
- 細菌群落元條形碼分析：通過16S rRNA基因的V3-V4區域的靶向測序，對螞蟻、酸奶和對照樣本中的細菌群落進行了表徵。
- 牛奶發酵和螞蟻的細菌培養組學：描述了從螞蟻酸奶和螞蟻中培養和鑑定細菌的過程。
- 酸奶中pH值、乳酸、醋酸和甲酸的定量：描述了測量酸奶樣本中pH值、乳酸、醋酸和甲酸含量的方法。
- 酸奶的蛋白質組學分析：詳細說明了從酸奶樣本中製備樣品進行蛋白質組學分析的過程。
- 數據可用性：提供了有關測序數據和蛋白質組數據的存儲和可用性的信息。
- 代碼可用性：提供了有關分析代碼存儲和可用性的信息。
- 作者貢獻：列出了作者在研究中的具體貢獻。
- 致謝：感謝協助收集蟻群、提供知識和幫助獲取收集許可的個人和組織，以及分享他們對螞蟻在乳製品發酵中的傳統用途的知識的村民和美食家。
研究方法
這篇論文通過綜合分析傳統實踐、現代美食應用和微生物學方法，探討了紅螞蟻（Formica rufa group）在酸奶發酵過程中的作用。以下是該研究方法論的主要組成部分：
- 傳統實踐的田野調查：
- 現代美食應用的開發：
- 微生物組分析：
- 蛋白質組學分析：
- 對酸奶樣本進行了蛋白質組學分析，以鑑定和量化其中的蛋白酶和肽酶。
- 創建了一個包含螞蟻宿主、螞蟻酸奶細菌和傳統酸奶細菌的蛋白酶、肽酶和蛋白質的數據庫，用於蛋白質組學數據分析。
- 分析了季節變化和螞蟻處理方式對酸奶蛋白質組的影響。
- 數據分析和解釋：
這篇論文的方法論分析結果表明，紅螞蟻及其微生物群落能夠顯著影響酸奶的發酵過程，為傳統發酵實踐提供了新的科學解釋，並為現代美食應用開闢了新的可能性。
研究結論
根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：
- 螞蟻全生物體對酸奶發酵的貢獻：研究揭示了螞蟻全生物體（包括螞蟻本身及其微生物群落)對酸奶發酵過程中酸和酶的關鍵貢獻。
- 酸奶發酵的傳統實踐與現代應用：研究重新審視了使用紅林蟻（Formica rufa 組）作為酸奶發酵啟動劑的傳統做法，並探討了其在現代美食應用中的潛力。
- 微生物群落的表徵：通過元條形碼和培養技術，研究揭示了乳酸菌和醋酸菌等細菌，這些細菌與常規酸奶和酸麵團中發現的物種相關，源自活螞蟻並在牛奶中增殖。
- 酸和酶的產生：螞蟻和細菌引入了蟻酸、乳酸和醋酸，這些酸對酸奶的酸化和凝固有利。此外，螞蟻和細菌產生的蛋白酶可能作用於酪蛋白並改變酸奶的質地。
- 傳統、美食和生物學框架的整合：研究強調了整合傳統、美食和生物學框架的價值，以揭示微生物在發酵食品中的起源和應用。
- 酸奶發酵的生態位和細菌多樣性：研究探討了傳統做法中細菌的生態位，並識別了對過去和未來發酵食品至關重要的微生物。
- 酸奶發酵的創新方法：研究提出了使用螞蟻作為酸奶發酵啟動劑的新方法，這可能為食品工業提供新的植物基食品和飲料的發酵劑。
- 食品科學的新視角：研究結果為食品科學領域提供了新的視角，可能會改變消費者對昆蟲食品的看法，並為使用昆蟲和微生物的新型發酵食品的開發提供了科學基礎。
術語表
這篇文章的術語表如下：
- 酸奶（Yogurt）：一種通過牛奶發酵製成的食品，具有獨特的酸味和粘稠質地。
- 發酵（Fermentation）：指微生物（如細菌或酵母）分解有機物質的過程，產生酸、酒精等化合物。
- 乳酸菌（Lactic acid bacteria）：一類在發酵過程中產生乳酸的細菌，對食品發酵至關重要。
- 蟻全生物（Ant holobiont）：包括螞蟻及其體內共生的微生物群落。
- 蟻酸（Formic acid）：螞蟻體內產生的主要防禦性化學物質，具有刺激性氣味。
- 酸奶發酵（Yogurt fermentation）：指利用微生物將牛奶轉化為酸奶的過程。
- 酸奶文化（Yogurt culture）：指用於酸奶發酵的特定微生物群落。
- 酸化（Acidification）：通過增加酸性物質使pH值下降的過程。
- 凝乳（Coagulation）：指蛋白質（如酪蛋白）在酸或酶的作用下凝固成塊狀的過程。
- 代謝物（Metabolites）：細胞代謝過程中產生的小分子化合物，如乳酸、蟻酸等。
- 蛋白質酶（Proteases）：一類能夠分解蛋白質的酶。
- 肽酶（Peptidases）：一類能夠分解肽鍵的酶。
- 微生物組（Microbiome）：指一個特定環境中所有微生物的總和及其遺傳信息。
- 酸桿菌（Acetic acid bacteria）：一類能夠將糖類轉化為醋酸的細菌。
- 培養組學（Culturomics）：通過培養方法研究和鑑定微生物的技術。
- 元基因組學（Metagenomics）：直接從環境樣本中提取全部DNA，進行基因組分析的技術。
- 共生（Symbiosis）：指不同生物體之間相互依賴、共同生活的關係。
- 發酵劑（Starter culture）：用於食品發酵的特定微生物培養物。
- 生物多樣性（Biodiversity）：指在一個特定生態系統中生物種類的豐富程度。
- 發酵乳製品（Fermented dairy products）：通過微生物發酵製成的乳製品，如酸奶、奶酪等。
- 食品發酵（Food fermentation）：利用微生物發酵作用生產食品的過程。