近日，西华大学食品与生物工程学院余萱老师在《International Journal of Food Microbiology》上发表题为 “ Multi-omics reveals efficient thiamethoxam biodegradation but altered flavor profile by native microbiota during Pixian broad beanpaste fermentation”的论文。西华大学食品与生物工程学院教师余萱为本文的第一作者，唐洁教授为论文的通讯作者。

研究背景与目的

背景：噻虫嗪是一种广泛使用的新烟碱类杀虫剂，因其持久性和在作物中的内吸性带来食品安全风险。发酵过程中的微生物降解是一种有前景的脱毒策略，但其机制及对食品质量的影响尚不清楚。

目的：研究旨在探究噻虫嗪及其有毒代谢物噻虫胺在郫县豆瓣发酵过程中的生物降解，评估残留物消解对产品质量的影响，并揭示农药胁迫下微生物的响应和代谢适应机制。

方法

1. 样品处理与发酵：设置对照组和噻虫嗪处理组进行郫县豆瓣发酵。

2. 农药残留分析：使用HPLC检测发酵过程中噻虫嗪和噻虫胺的动态浓度变化，并计算动力学参数。

3. 理化分析：监测pH、总酸度、氨基酸态氮等指标。

4. 挥发性风味化合物分析：采用GC-MS鉴定并定量挥发性风味物质，计算相对气味活度值。

5. 代谢组学分析：采用UHPLC-MS进行非靶向代谢组学分析，鉴定差异代谢物并进行通路富集分析。

6. 宏基因组学分析：对关键发酵阶段样品进行宏基因组测序，分析微生物群落结构、功能基因及代谢通路。

7. 数据整合分析：利用多组学数据（宏基因组、代谢组、风味组）进行关联分析，构建代谢网络，阐明微生物-代谢物-风味之间的相互作用。

主要结果

1. 高效降解：在自然发酵条件下，噻虫嗪和噻虫胺在16天内几乎完全降解，半衰期仅为3.25天，显著快于灭菌对照组。

2. 质量影响：噻虫嗪处理抑制了发酵过程中的产酸和蛋白质水解（表现为总酸度和氨基酸态氮含量显著降低，pH值较高），影响了产品的基础理化品质。

3. 风味改变：噻虫嗪显著改变了挥发性风味谱，表现为酯类、酚类、烷烃和呋喃类物质减少，而酮类、酸类和其他化合物增加，导致产品特征风味发生劣变。

4. 代谢扰动：代谢组学分析表明，噻虫嗪在发酵早期抑制了三羧酸循环相关有机酸代谢，进而影响了后续氨基酸的生物合成；同时干扰了黄酮类化合物的积累动态（前期升高，后期降低）。

5. 微生物群落重塑：噻虫嗪胁迫重塑了微生物群落结构，富集了具有污染物降解潜力的微生物类群（如曲霉科、脱硫杆菌门），并抑制了部分参与厌氧发酵的细菌（如厌氧绳菌科）。

6. 功能基因响应：宏基因组分析显示，噻虫嗪暴露上调了多种外源化合物降解通路（如药物代谢、氯代烃降解）的相关基因，但同时下调了与聚糖代谢相关的基因，这可能影响了风味前体物质的生成。

7. 关联网络：相关性分析揭示了特定微生物类群与关键风味代谢物（氨基酸、有机酸等）之间的密切联系，噻虫嗪通过抑制这些有益微生物，间接导致了产品质量下降。

结论

郫县豆瓣发酵体系中的本地微生物群落能够高效降解噻虫嗪及其代谢物噻虫胺，展现了其在发酵食品农药残留生物修复方面的潜力。然而，噻虫嗪残留通过重塑微生物群落、干扰核心代谢通路（如TCA循环、氨基酸和黄酮合成），对发酵过程产生了负面影响，最终导致产品风味和营养品质下降。因此，发酵体系既是潜在安全降解菌的资源库，也提示需要优化微生物干预策略以在降解农药的同时最大限度保障产品质量。

展望

1. 研究证实了郫县豆瓣微生物群在降解新烟碱类农药方面的巨大潜力，未来可从中分离筛选具有高效、专一降解能力的益生菌或发酵剂，用于受污染食品原料的生物脱毒。

2. 需要进一步研究如何优化发酵条件或引入特定功能菌株，在实现农药高效降解的同时，减少甚至消除对产品风味和营养品质的不利影响。

3. 研究建立的多组学整合分析框架，为系统评估其他农药或污染物在复杂发酵体系中的归趋及影响提供了方法学参考。

4. 研究结果强调了在农业生产中合理使用农药，以及建立从农田到餐桌的全程农药残留监控与风险管理体系的重要性。

图文赏析

图1.噻虫嗪及噻虫胺在郫县豆瓣自然发酵组 (A) 和灭菌组 (B) 中的动态浓度变化。郫县豆瓣自然发酵过程中理化参数变化：(C) 总酸度；(D) 氨基酸态氮和 (E) pH。

图2.对照组和噻虫嗪处理组郫县豆瓣自然发酵30天期间挥发性风味化合物分析：(A) 挥发性风味化合物浓度和种类分析；(B) PCA得分图；(C) OPLS-DA得分图；(D) 置换检验；(E) 关键挥发性代谢物热图。

图3.发酵第15天和第30天，对照组与噻虫嗪处理组郫县豆瓣的代谢组学分析：(A) 发酵过程中氨基酸、有机酸、脂肪酸和黄酮类化合物变化热图；(B-C) 第15天和第30天差异代谢物的KEGG通路分析。

图4.基于宏基因组测序的郫县豆瓣对照组与噻虫嗪处理组前15种细菌和真菌结构分析：(A-B) 真菌在门水平和科水平；(C-D) 细菌在门水平和科水平。

图5.郫县豆瓣发酵第15天微生物基因功能注释：(A) KEGG一级水平的相对丰度；(B) 聚糖生物合成与代谢及 (C) 外源生物降解与代谢在三级水平的相对丰度和基因数；(D) CAZy一级水平的相对丰度。

图6.基于斯皮尔曼相关性的分析：(A) 第15天，科水平物种丰度>1%的微生物与非挥发性代谢物之间的相关性分析；(B) 第30天，关键挥发性代谢物与非挥发性代谢物之间的相关性分析。

图7.郫县豆瓣主要代谢物网络图，以及发酵15天和30天后对照组与噻虫嗪处理组代谢物含量变化图（P为对照组，P+T为噻虫嗪处理组）。

文章转自微信公众号“食品科研汇” 推文链接：微信公众平台