2024-06-11
隨著全球化食品貿易的增加、食品加工技術的復雜化以及消費者對健康和安全食品需求的提升，食品安全問題日益受到關注。從微生物污染（如細菌、病毒）、化學殘留（農藥、獸藥、添加劑等）到新型污染物（如微塑料、納米材料），食品安全面臨的挑戰日趨復雜。傳統的食品安全檢測方法往往針對單一或少數幾種污染物進行分析，檢測周期長、成本高，且難以全面評估食品的整體安全性與質量。此外，這些方法往往是在食品危害已經發生后才進行介入，缺乏預防性。隨著微生物組學、基因組學、轉錄組學、蛋白質組學以及代謝組學等多組學技術的迅速發展，科研人員能夠從分子水平全面解析食品的成分、來源、加工過程中的變化以及潛在的安全風險。這些技術能夠提供更系統、更深入的數據，幫助識別新的風險因子、追蹤污染源、評估食品處理和儲存條件的影響等。多組學技術在食品安全與質量控制領域的應用，是應對食品安全挑戰、提高食品質量、保障公眾健康和推動食品行業可持續發展的重要途徑。隨著技術的不斷進步和數據解析能力的增強，其在未來食品安全體系中的作用將更加凸顯。
多組學在食品安全與質量控制研究中的應用思路
多組學在食品安全與質量控制研究中的應用思路可以包括以下幾個方面：
微生物組學分析：
利用微生物組學技術，如16S rRNA基因測序或基于宏基因組的分析，對食品樣品中的微生物群落進行鑒定和定量。通過分析微生物群落的結構和組成，可以評估食品的微生物安全性，并監測潛在的食品中的致病微生物或腐敗微生物。
轉錄組學分析：
食品在儲存和運輸過程中，其內在的生化變化會影響品質和新鮮度。轉錄組學可以通過分析食品中特定基因的表達模式，如與腐敗、氧化或成熟相關的基因，來評估食品的新鮮度和預測保質期，為質量控制提供分子標記。
代謝組學分析：
利用代謝組學技術，如LC-MS或GC-MS，對食品樣品中的代謝產物進行定性和定量分析。通過分析食品中的代謝物組成，可以評估其質量和新鮮度，檢測潛在的有毒或有害代謝產物，并對食品加工過程中的質量變化進行監測。
蛋白質組學分析：
利用蛋白質組學技術，如質譜和蛋白質組分析等，對食品樣品中的蛋白質組成和結構進行分析。通過分析食品中的蛋白質組成，可以評估其營養價值和質量，檢測潛在的過敏原或有毒蛋白質，并監測食品加工過程中的蛋白質變化。
基因組學分析：
利用基因組學技術，如PCR和基因組測序等，對食品樣品中的基因組進行分析。通過分析食品中的基因組，可以評估其基因型和基因表達情況，檢測潛在的基因突變或遺傳標記，并監測食品加工過程中的基因組變化。
聯合分析：
將微生物組學、轉錄組學、代謝組學、蛋白質組學和基因組學等多組學技術進行整合分析，綜合評估食品的安全性和質量，并探索食品安全與質量之間的相互關系。通過聯合分析，可以更全面地了解食品中的潛在風險因素和質量問題，并為食品安全監管和質量控制提供科學依據。
食品領域多組學案例分享
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1、Chemical Engineering Journal：細菌完成圖+轉錄組+蛋白組助力蠟樣芽孢桿菌GW-01代謝β-氯氰菊酯的機制
農藥在保障糧食安全方面發揮著重要作用，但對食品安全、生態保護和人類健康構成潛在威脅。通過微生物活性降解農藥，作為一種安全、環境友好、實用的消除農藥殘留的方法。擬除蟲菊酯通常被認為是比毒性更強的有機氯和有機磷農藥更環保的替代品，其中β-氯氰菊酯（β-CY）占全國擬除蟲菊酯市場的50%以上。本研究旨在研究從綿羊瘤胃食糜中分離的一種細菌GW-01（蠟樣芽孢桿菌）降解β-CY的相關酶基因以及代謝途徑。結果發現：菌株GW-01從健康母羊瘤胃中分離得到，其個體形態和菌落形態、生理和生理功能均具有顯著性差異；基于16S rRNA基因序列進行系統發育分析，全基因組比較表明該菌株為蠟樣芽孢桿菌；不同時間段SOD、CAT、GST活性及T-AOC的變化，表明β-CY誘導小鼠產生氧化應激反應。β-CY的降解似乎是由于最初的酯酶反應，產生3-PBA，被代謝為苯酚和苯甲酸，而在菌株GW-01進一步降解為檸檬酸循環中間體。進一步的這4個基因的表達和活性分析，表明這些基因預測編碼的酶負責β-CY及其代謝產物的降解。
2、Food Chemistry：微生物多樣性+代謝組+定量qPCR探究釀酒品質與酵池微生物群落的關系
在傳統白酒的釀造過程中，微生物對白酒的品質、風味都起著至關重要的作用。以往的相關研究，主要基于窖泥的表面微生物群落，而窖泥不同深度或不同水平部位的理化性質不同，這可能會使得微生物在窖泥中呈不均勻分布。因此，我們有必要從不同維度去研究窖泥中的微生物群落結構及其相應的理化性質，從而增強對釀酒酵池窖泥衰老過程的認識，并應用于生產實踐中。本文結合了微生物組16S rRNA基因測序、定量qPCR和代謝組檢測，全面分析了不同品質釀酒酵池的底部窖泥中，各部位微生物群落對于釀酒品質的潛在影響，其中老窖中的菌群結構在垂直深度上有差異，但在水平位置上沒有明顯差異，這表明，多年的循環發酵在老窖中形成了固定的菌群梯度結構；老窖表面0–1 cm處的微生物主要以Caproiciproducens（34.79%）為主；新窖0-7 cm處的quarter部位，微生物主要以Lactobacillus（12.80%–42.72%）為主，而底部中心的微生物群落則是以Caproiciproducens（17.85%–64.45%）為主；乳酸、pH與可溶性Ca2+是對窖泥微生物群落結構影響最顯著的三個因子。
3、Nature Microbiology：多組學揭示葉際微生物組誘導宿主代謝防御水稻稻曲病的機制
稻曲病是由活體營養型病菌Ustilaginoidea virens引起的水稻穗部真菌病害，目前在全球范圍內的水稻主產區均有不同程度發病。稻曲病的流行不僅導致水稻大幅減產，而且會在穗部積累嚴重危害人畜健康的生物毒素，嚴重影響稻米產量、品質和食品安全?；瘜W防治是目前防治稻曲病的主要手段，但過量或不合理施用藥劑不僅會帶來農藥殘留超標的風險，同時也會對稻田有益生物產生威脅、誘導病原菌的殺菌劑抗藥性，其生態風險一直備受爭議。為了研發安全、環保和有效的稻曲病控殘減毒防控技術，科研團隊在實驗室與田間同時開展攻關，以期挖掘到有價值的潛在線索。
通過整合穗部代謝解析、毒素定性定量分析、宿主基因組編輯、微生物移植試驗和生化、遺傳學等技術手段，研究團隊發現穗部關鍵核心菌群通過抑制支鏈氨基酸（BCAAs）氨基轉移酶基因的表達來促進穗部BCAAs的局部積累，進而協助宿主防御稻曲病菌侵染。在BCAAs氨基轉移酶基因的突變植株（Osbcat）中，獨立于核心菌群的BCAAs積累也能夠有效防御稻曲病菌侵染。防御機制解析表明，穗部BCAAs的積累能誘導病原菌發生Uvlao2介導凋亡樣細胞死亡，從而阻止病害發生。
食品領域多組學文章集錦
Nature Communications：多組學分析揭示普洱茶中茶褐素可調節腸道菌群和膽汁酸代謝緩解高膽固醇血癥 Nature Metabolism：多組學分析揭示了節食后體脂反彈和肥胖的機制及其營養干預策略 Nature Metabolism：多組學分析揭示口服靈芝雜萜衍生物改善動脈粥樣硬化新機制！ Theranostics：牛乳來源的細胞外囊泡（mEVs）通過調節小鼠的腸道免疫和腸道菌群來緩解結腸炎的作用機理 Gut Microbes：微生物多樣性+microRNAs揭示膳食甜菜堿通過腸道微生物群驅動的microRNA-378a家族預防肥胖 Carbohydrate Polymers：微生物多樣性+短鏈脂肪酸揭示丙?；咧辨溣衩椎矸鄣捏w外腸道發酵 Food & Function：代謝組+16S揭示花青素提取物調節腸道菌群和血清代謝物改善大鼠II型糖尿病 Frontiers in Pharmacology：非靶代謝組+16S多樣性組成譜+轉錄組聯合分析燈盞花素對小鼠肝損傷的保護作用 Food Chemistry：多樣性+代謝組揭示人參水溶性膳食纖維新功能 Journal of Functional Foods：人參可溶性膳食纖維可調節腸道菌群結構，促進結腸健康，影響大鼠食欲和糖脂代謝
