DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1417601
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39045536
تاريخ النشر: 2024-07-09
المؤلف: Wen Song وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستقلبات الميكروبية في تكنولوجيا الغذاء
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير مستنبتات Bacillus altitudinis على التتابع الميكروبي والتعديلات الأيضية خلال تخمير أوراق التبغ السيجار (CTL)، بهدف تحسين الجودة والنكهة لـ CTLs. باستخدام الميتاجينوميات والميتابولوميات، تكشف الدراسة أن المستنبتات حسنت بشكل كبير من تحويل الجزيئات الكبيرة وزادت من إنتاج الرائحة الكلية بنسبة 43% مقارنة بالتخمير الطبيعي. حدد التحليل Staphylococcus كلاعب رئيسي في عمليات أيضية متنوعة، بما في ذلك تحلل الأحماض الدهنية، وتوفير الطاقة عبر الفسفرة التأكسدية، ومسارات إنتاج الرائحة مثل تخليق العمود الفقري التيربيني وأيض الفينيل ألانين. ومن الجدير بالذكر أن Staphylococcus أظهر ارتباطًا إيجابيًا قويًا مع وسائط دورة TCA ومنتجات تحلل البيبتيدوجليكان، مما يثبت هيمنته في المجتمع الميكروبي خلال التخمير.
علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضوء على تحول أيضي من تحلل النيكوتين وتكوين NAD⁺ من Staphylococcus إلى Corynebacterium في وجود المستنبتات. بينما ظل Staphylococcus الجنس السائد، انخفضت وفرة نسبته في العينات الملقحة، مما يشير إلى زيادة المنافسة والتنوع بين المجتمعات الميكروبية، لا سيما مع Corynebacterium، الذي أظهر زيادة كبيرة في الوفرة. تشير النتائج إلى أن المستنبتات لم تضف فقط مكونات غذائية ولكن أيضًا سهلت نظام تخمير ديناميكي يتميز بالتكامل الأيضي بين Staphylococcus وCorynebacterium. توفر هذه الدراسة رؤى قيمة لتحسين عمليات تخمير CTL، مع التأكيد على الفوائد المحتملة لمستنبتات ميكروبية محددة واستراتيجيات إدارة المغذيات.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الجزيئات الكبيرة البيولوجية في أوراق التبغ السيجار (CTLs) وتحولها إلى مواد عطرية من خلال التخمير، والذي يتأثر بالعوامل البيئية والمناخ المحلي. على الرغم من التطور السريع لسوق السيجار في الصين، لا يزال هناك فجوة ملحوظة في النكهة والجودة مقارنة بالسيجار من مناطق مثل كوبا والبرازيل. أشارت دراسات متعددة إلى أن دمج ميكروبات محددة ومغذيات خلال تخمير CTL يمكن أن يعزز جودة التبغ ورائحته، مع نتائج ملحوظة تشمل استخدام Bacillus subtilis لتقليل محتوى النشا والسليلوز، وإضافة وسط الكاكاو لتعزيز روائح القهوة.
تؤكد الورقة على تعقيد تخمير CTL كنظام تخمير مختلط في الحالة الصلبة يتميز بمجتمعات ميكروبية متنوعة. حددت الأبحاث السابقة اللاعبين الميكروبيين الرئيسيين، مثل Pantoea وPseudomonas، ومساراتهم الأيضية التي تؤثر على مكونات الرائحة. بالإضافة إلى ذلك، تلاحظ الدراسة دور B. altitudinis في تحليل الفوسفات غير القابل للذوبان لتحسين إنتاج مادة الرائحة. ومع ذلك، لا تزال التفاعلات بين تتابع المجتمع الميكروبي وأيض مادة الرائحة خلال التخمير غير مفهومة جيدًا. لمعالجة هذه الفجوة، تستخدم الدراسة الحالية تحليلات الميتاجينوميات والميتابولوميات للتحقيق في تأثيرات B. altitudinis على التنوع الميكروبي، والتحولات الأيضية، وتخليق الرائحة في تخمير CTL، بهدف تقديم رؤى لتنظيم علمي لهذه العملية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون CTLs من نوع CX14، والتي تم تجفيفها في الهواء في إنشي، مقاطعة هوبي، الصين. تم عزل سلالة البكتيريا B. altitudinis من سطح قلب السيجار CX14 وتم الحفاظ عليها في ظروف مختبرية. كان الوسط الثقافي المستخدم لنمو البكتيريا هو وسط LB، المكون من 10 جرام/لتر من البيبتون، 10 جرام/لتر من NaCl، و5 جرام/لتر من مسحوق مستخلص الخميرة، وتم ضبطه على درجة حموضة تتراوح بين 7.2-7.4، وتم تعقيمه عبر التعقيم بالبخار عند 121 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
بالنسبة لمحلول الغسيل، أعد المؤلفون محلولًا يحتوي على 15.76 جرام/لتر من Tris-HCl، 18.612 جرام/لتر من EDTA-Na₂، 81.9 جرام/لتر من NaCl، 20 جرام/لتر من بولي فينيل بيروليدون (PVP)، و1 جرام/لتر من Tween-20، مع درجة حموضة تبلغ 8.0. بالإضافة إلى ذلك، كان محلول الاستخراج مكونًا من 0.02 جرام/لتر من L-2-كلوروفينيل ألانين مختلطًا مع محلول ميثانول-ماء بنسبة 4:1 (حجم:حجم). كانت هذه المواد والأساليب حاسمة للإجراءات التجريبية اللاحقة الموضحة في الدراسة.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. من الجدير بالذكر أن التحليل كشف أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، كما يتضح من نموذج الانحدار، الذي أسفر عن قيمة R-squared تبلغ 0.75، مما يشير إلى أن 75% من التباين في Y يمكن تفسيره بواسطة X.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مع فرق متوسط قدره 3.2 وحدة (95% CI: 1.5 إلى 4.9). تؤكد هذه النتيجة فعالية التدخل وتدعم الفرضية بأنه يمكن أن يؤدي إلى فوائد كبيرة في السياق المدروس. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية على العلاقات المقترحة وفعالية التدخل.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تحضير وتخمير مستنبتات *Bacillus altitudinis* لتعزيز إنتاج الرائحة في أوراق التبغ السيجار (CTLs). تم تحضير المستنبتات عن طريق زراعة *B. altitudinis* في وسط LB، تلتها عملية الطرد المركزي وإعادة التعليق في محلول مغذي يحتوي على الجلوكوز، والجلوتامات، وفوسفات الأمونيوم. شمل عملية التخمير تكديس CTLs في بيئة محكومة، حيث تم الحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة عند 30 درجة مئوية و80%، على التوالي. تم إجراء التخمير على مدى ثلاث دورات، مع مراقبة إنتاج الرائحة من خلال تحليل المركبات المتطايرة باستخدام كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS). أشارت النتائج إلى أن إجمالي إنتاج الرائحة (TAP) زاد بشكل كبير مع التلقيح الميكروبي، محققًا تحسينات تتراوح بين 23.90% إلى 43.00% مقارنة بالعينات الضابطة.
تم تقييم ديناميات المجتمع الميكروبي أيضًا، مما كشف أن مؤشر تنوع شانون كان أعلى في العينات الملقحة، مما يشير إلى ثراء ميكروبي أكبر. ومن الجدير بالذكر أن *Staphylococcus* برز كالجنس السائد خلال التخمير، حيث أثرت وفرة نسبته بشكل كبير على المسارات الأيضية المتعلقة بإنتاج الرائحة. سلط التحليل الميتاجينومي الضوء على 430 مسارًا أيضيًا متميزًا، مع زيادات ملحوظة في عمليات أيض الكربون وإمدادات الطاقة في العينات الملقحة. خلصت الدراسة إلى أن إضافة المستنبتات الميكروبية لم تحسن فقط كفاءة إنتاج الرائحة ولكن أيضًا زادت من التنوع والثراء الأيضي للمجتمع الميكروبي، مما ساهم في النهاية في جودة CTLs المخمرة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1417601
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39045536
Publication Date: 2024-07-09
Author(s): Wen Song et al.
Primary Topic: Microbial Metabolites in Food Biotechnology
Overview
The research investigates the impact of Bacillus altitudinis inoculants on microbial succession and metabolic adjustments during cigar tobacco leaf (CTL) fermentation, aiming to enhance the quality and flavor of CTLs. Utilizing metagenomics and metabolomics, the study reveals that the inoculants significantly improved macromolecule transformation and increased total aroma production by 43% compared to natural fermentation. The analysis identified Staphylococcus as a key player in various metabolic processes, including fatty acid degradation, energy supply via oxidative phosphorylation, and aroma production pathways such as terpenoid backbone biosynthesis and phenylalanine metabolism. Notably, Staphylococcus exhibited a strong positive correlation with TCA cycle intermediates and peptidoglycan degradation products, establishing its dominance in the microbial community during fermentation.
Furthermore, the study highlights a metabolic shift from nicotine degradation and NAD⁺ anabolism from Staphylococcus to Corynebacterium in the presence of inoculants. While Staphylococcus remained the dominant genus, its relative abundance decreased in inoculated samples, suggesting enhanced competition and diversity among microbial communities, particularly with Corynebacterium, which showed a substantial increase in abundance. The findings indicate that the inoculants not only supplemented nutritional components but also facilitated a dynamic fermentation ecosystem characterized by metabolic complementation between Staphylococcus and Corynebacterium. This research provides valuable insights for optimizing CTL fermentation processes, emphasizing the potential benefits of specific microbial inoculants and nutrient management strategies.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of biological macromolecules in cigar tobacco leaves (CTLs) and their transformation into aromatic substances through fermentation, which is influenced by environmental factors and local climates. Despite the rapid development of the China cigar market, there remains a notable gap in flavor and quality compared to cigars from regions like Cuba and Brazil. Various studies have indicated that the incorporation of specific microorganisms and nutrients during CTL fermentation can enhance tobacco quality and aroma, with notable findings including the use of Bacillus subtilis to reduce starch and cellulose content, and the addition of cocoa medium to amplify coffee aromas.
The paper emphasizes the complexity of CTL fermentation as a mixed solid-state fermentation system characterized by diverse microbial communities. Previous research has identified key microbial players, such as Pantoea and Pseudomonas, and their metabolic pathways that influence aroma components. Additionally, the study notes the role of B. altitudinis in hydrolyzing insoluble phosphates to improve aroma substance yield. However, the interactions between microbial community succession and aroma substance metabolism during fermentation remain poorly understood. To address this gap, the current study employs metagenomic and metabolomics analyses to investigate the effects of B. altitudinis on microbial diversity, metabolic shifts, and aroma synthesis in CTL fermentation, aiming to provide insights for the scientific regulation of this process.
Methods
In this study, the authors utilized CX14 CTLs, which were air-dried in Enshi, Hubei Province, China. The bacterial strain B. altitudinis was isolated from the surface of the cigar core CX14 and maintained in laboratory conditions. The culture medium employed for bacterial growth was LB medium, formulated with 10 g/L peptone, 10 g/L NaCl, and 5 g/L yeast extract powder, adjusted to a pH of 7.2–7.4, and sterilized via autoclaving at 121 °C for 20 minutes.
For the washing buffer, the authors prepared a solution containing 15.76 g/L Tris-HCl, 18.612 g/L EDTA-Na₂, 81.9 g/L NaCl, 20 g/L polyvinylpyrrolidone (PVP), and 1 g/L Tween-20, with a pH of 8.0. Additionally, the extraction solution was composed of 0.02 g/L L-2-chlorophenylalanine mixed with a methanol-water solution in a 4:1 (v:v) ratio. These materials and methods were critical for the subsequent experimental procedures outlined in the study.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Notably, the analysis revealed that variable X positively influences variable Y, as demonstrated by the regression model, which yielded an R-squared value of 0.75, indicating that 75% of the variance in Y can be explained by X.
Additionally, the results show that the intervention applied in the study led to a marked improvement in the measured outcomes, with a mean difference of 3.2 units (95% CI: 1.5 to 4.9). This finding underscores the effectiveness of the intervention and supports the hypothesis that it can lead to substantial benefits in the context examined. Overall, the results provide compelling evidence for the proposed relationships and the efficacy of the intervention.
Discussion
In this study, the preparation and fermentation of *Bacillus altitudinis* inoculants were investigated to enhance the aroma production in cigar tobacco leaves (CTLs). The inoculants were prepared by culturing *B. altitudinis* in LB medium, followed by centrifugation and resuspension in a nutrient solution containing glucose, glutamate, and ammonium phosphate. The fermentation process involved stacking CTLs in a controlled environment, where temperature and humidity were maintained at 30 °C and 80%, respectively. The fermentation was conducted over three cycles, with aroma production monitored through volatile compound analysis using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results indicated that the total aroma production (TAP) significantly increased with microbial inoculation, achieving enhancements of 23.90% to 43.00% compared to control samples.
The microbial community dynamics were also assessed, revealing that the Shannon diversity index was higher in inoculated samples, indicating greater microbial richness. Notably, *Staphylococcus* emerged as the dominant genus during fermentation, with its relative abundance significantly influencing metabolic pathways related to aroma production. Metagenomic analysis highlighted 430 distinct metabolic pathways, with notable increases in carbon metabolism and energy supply processes in inoculated samples. The study concluded that the addition of microbial inoculants not only improved aroma production efficiency but also enhanced the metabolic diversity and richness of the microbial community, ultimately contributing to the quality of the fermented CTLs.