Dynamics of microbial and metabolic composition during kimchi fermentation and characterization of haloarchaea derived from solar salt

Abstract

Fermentation has been used as a means of food preservation over thousands of years; worldwide, fermented foods have become an integral part of the human diet. The major or minor ingredients used in kimchi, a form of fermented vegetables, acts as a microbial inoculum in food fermentation. Microorganisms introduced into kimchi from major and minor ingredients selectively influence the nutritional and organoleptic properties, quality, and safety of the final fermented product. This study discusses the origin of kimchi fermentation microorganisms, microbial succession, and metabolic changes during kimchi fermentation based on the raw ingredients of kimchi. In the first component of this study, microbiota was partitioned based on the raw ingredients of kimchi (i.e., kimchi cabbage, garlic, ginger, and red pepper), to render kimchi fermented by each source-originated microbial pool. During fermentation, microbial succession and metabolite changes were confirmed through multi-omics analysis (metataxonomics and metabolomics), bacterial viability, and physiochemical analyses. Successful kimchi fermentation had only been yielded from kimchi cabbage and garlic-derived microbial inoculums. The predominant fermentation microbial taxa and the resulting metabolites differed based on the type of ingredient. Weissella, Leuconostoc, and Latilactobacillus were predominant in cabbage-origin kimchi, while Leuconostoc and Weissella dominated the garlic-origin kimchi. The reversible microbial metabolic output mediated by Weissella koreensis was demonstrated by gnotobiotic kimchi; this is kimchi inoculated with a combination of mono, di, and tri-isolated fermentative microbes. The results suggest that raw ingredient microbial habitat niches selectively affect microbial community assembly patterns and processes during kimchi fermentation. The second component of this study investigated the effect of these ingredients on food fermentation. Four types of kimchi, different in terms of their main raw ingredients (i.e., kimchi cabbage, green onion, leaf mustard, and young radish), were manufactured and investigated over the fermentation period. The major microorganisms identified were Leuconostoc gelidum, Weissella kandleri (koreensis), and Latilactobacillus sakei groups. The distribution of each species was observed to differ depending on the type of kimchi. All three species were mainly distributed in cabbage and young radish kimchi, while the Latilactobacillus sakei group was rarely present in green onion and leaf mustard kimchi. Analysis of the metabolites showed differences in the profiles of free sugars, organic acids, ethanol, and amino acids based on the type of kimchi. The results indicated that the main ingredients might be an important factor determining the microbial community and metabolite composition during kimchi fermentation. Extremely halophilic archaea were also isolated from solar salt and their genetic, morphological, taxonomic, and physiological characteristics were quantified. Extremely halophilic archaea (haloarchaea) belonging to the Euryarchaeota phylum occurred in high-salinity environments. In the third component of this study, Halarchaeum sp. CBA1220, Halorubrum sp. CBA1229, and Halolamina sp. CBA1230 were isolated from solar salt by culture under oligotrophic conditions, and their genome was analyzed to confirm and characterize genetic information. In the final component of this study, a novel halophilic archaeon designated strain, CBA1114T, was isolated and proposed as a novel species based on its phylogenetic, phenotypic, and chemotaxonomic characterization. The outcomes from this characterization suggest that major or minor ingredients may play an important role in determining the microbial community composition and the metabolites that are present during kimchi fermentation. Thus, kimchi possessing different quality characteristics may be produced depending on the major ingredients used; it is anticipated that these findings will be used as scientific data for standardized kimchi production. Additionally, the results of this study contribute to understanding the fundamental physiological mechanisms of haloarchaea, and may be used as baseline data for future research.;한국의 전통 발효식품인 김치는 배추, 마늘, 생강, 고춧가루 등 다양한 원‧부재료에서 유래한 유산균에 의해 발효가 진행되며, 이러한 유산균은 재료나 저장온도 등 발효 조건에 따라 각각 다른 발효 대사산물을 생성하여 김치의 맛과 품질을 결정한다. 김치에 존재하는 복잡한 미생물의 발효 전개 방향을 통제하는 것은 과학적 및 산업적으로 여전히 어려운 과정이다. 김치의 원‧부재료가 김치 발효에 영향을 미치는 주요 환경적 요인 중 하나로 지목되어 왔지만, 어떤 재료에서 유래한 유산균이 김치 발효를 유도하는지, 유산균 종류에 따라 김치의 발효 특성은 어떻게 달라지는지 등에 대한 연구는 많지 않으므로 김치의 원재료 및 원‧부재료에 따라 김치 발효 특성 차이를 확인했다. 첫 번째 연구에서는 김치의 원‧부재료 4종(배추, 마늘, 생강, 고춧가루)을 선택적으로 멸균한 뒤, 멀티-오믹스 분석 기술을 활용하여 김치 발효에 직접적인 영향을 주는 유산균이 어떤 재료에서 유래하는지 분석했다. 김치의 재료가 되는 다양한 원부재료 중 배추와 마늘에서 유래한 유산균에 의해 김치 발효가 유도되는 반면, 생강과 고추에서 유래하는 미생물에 의해서는 김치 발효가 유도되지 않았다. 김치 발효를 유도하는 김치의 재료 특이적 유산균 3종(Leuconostoc gelidum, Weissella koreensis, Latilactobacillus sakei)을 순수 분리한 후, 무균 김치에 접종하여 유산균 종류에 따른 김치의 발효가 다르게 전개됨을 확인했다. 두 번째 연구에서는 원재료가 식품 발효에 미치는 영향을 알아보기 위해 주요 원재료만(배추, 파, 갓, 열무) 다른 4 종의 김치를 제조하여 발효 특성을 조사했다. 배추김치와 열무김치에서 확인된 주요 미생물은 Weissella, Leuconostoc, Latilactobacillus인 반면에 파김치와 갓김치에서는 각각 Leuconostoc과 Weissella가 우세했다. 대사산물 분석 결과 김치 종류에 따라 유리당, 유기산, 에탄올, 아미노산 프로파일이 다른 것으로 나타났다. 본 연구는 김치 발효 과정에서 원재료가 미생물 군집과 대사산물 조성을 결정하는 중요한 요소가 될 수 있음을 시사한다. 이 연구 결과는 김치 발효를 결정짓는 중요한 요소 중 하나인 발효 유산균의 기원은 물론 각각의 재료로부터 유래한 유산균의 발효 특징을 확인함으로써 표준화된 김치 생산을 위한 과학적 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 세 번째 연구에서는 천일염으로부터 매우 낮은 수준의 영양분 조건에서 성장할 수 있는 극호염성 고균 Halarchaeum sp. CBA1220, Halorubrum sp. CBA1229, Halolamina sp. CBA1230을 분리하고 유전체를 분석하여 유전정보를 파악하고 특징을 규명했다. 네 번째 연구에서는 천일염으로부터 신속 및 신종 극호염성 고균 Halostella salina CBA1114T를 분리하여 계통학적, 형태학적, 생리학적, 생화학적, 화학분류학적 분석을 실시하고, 신속 및 신종으로 제안했다. 천일염 내 존재하는 극호염성 고균의 확보 및 생리학적 특성을 규명함으로써 미생물의 분류학적 연구와 미생물 산업화의 핵심 자원으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.