Metabolomic profiling of Doenjang (Korean soybean paste) during fermentation

Abstract

This study investigated the changes in diverse metabolites such as fatty acids, amino acids, organic acids, sugars in doenjang according to the fermentation up to 160 days. Metabolite profiling of doenjang during fermentation was performed using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) after derivatization, combined by a multivariate statistical method. A total of 16 fatty acids, 23 amino acids, 19 organic acids, 11 sugars and sugar derivatives were found in doenjang during fermentation. The relative amounts of both C18:1 and C18:2 fatty acids increased as fermentation progressed. In overall, relatively higher contents of unsaturated fatty acids than saturated fatty acids was observed during fermentation. The main amino acids identified in doenjang were leucine, phenylalanine, lysine, glutamic acids, proalanine, alanine, tyrosin, and histidine. A total of 19 organic acids were identified. Citric acid, lactic acid, and pyroglutamic acid were primary organic acids identified in doenjang at the initial stage of fermentation. Both citric acid and pyroglutamic acid gradually decreased according to the fermentation time, whereas lactic acid significantly increased up to 60 days of fermentation. Among sugar derivatives, significant amounts of sugar alcohols such as xylitol, inositol, and mannitol were detected during fermentation. Based on PCA analysis, fructose, glucosamine, malic acid, oxalic acid, and citric acid were found to make a significant contribution to changes in doenjang at initial stage of fermenation. Pipecolic acid, malonic acid, formic acid, propionic acid, meldelic acid, xylitol, stearic acid (C18:0), arachidic acid (C20:0), pentadecanoic acid (C15:0), linoleic acid (C18:2) were the metabolites that determine the characteristics of doenjang after 100 days of fermentation.;본 연구에서는 된장 내 다양한 발효대사체들의 유도체화를 통한 GC-MS 분석법을 확립하고, 이를 통해 각 발효단계별 대사체들을 프로파일링하여, 발효단계별 유의적인 차이를 다변량통계기법을 통해 규명하였다. 된장에서 가장 다량으로 검출된 지방산들은 octadecenoic acid(C18:1), octadecadienoic acid(C18:2), hexadecanoic acid(C16:0)였으며, 특히 octadecenoic acid (C18:1), octadecadienoic acid (C18:2), octadecatrienoic acid (C18:3) 는 발효단계 후기로 갈수록 그 양이 증가하였다. 된장 내에서 동정된 아미노산들은 총 23가지였으며, 이중에서 가장 많은 아미노산은 lysine, valine;, phenylalanine, glycyl-proline, alanine, isoleucine 으로 확인되었다. 대부분의 아미노산들은 발효기간이 진행됨에 따라 증가하는 것으로 분석되었으며, 다른 아미노산들과 달리 tyrosine, histidine은 그 양이 증가하다가 감소하는 추세를 보였다. 된장의 유기산으로는 총 19종류가 동정되었으며, 그 중에서 lactic acid, citric acid, pyroglutamic acid, oxalic acid가 다량으로 검출되었다. 대부분의 유기산들은 발효 기간이 진행됨에 따라 그 양이 점차로 증가하는 경향을 보인 반면, mandelic acid는 발효 100일 이후에 그 양이 서서히 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 된장 내에서 11개의 당 대사체를 동정하였으며 전반적으로 발효가 진행될수록 당의 총 함량은 감소하였다. 특히 본 실험에서는 기존에 된장의 대사체 연구 결과에서 찾아볼 수 없었던 xylitol, glucitol, inositol, mannitol과 같은 당알코올이 검출되었다. 또한, PCA를 이용하여 발효기간에 따른 대사체의 함량 변화를 비교 시 아미노산, 유기산, 당류의 경우는 PC2에 의하여 발효 초기인 0일, 20일, 40일과 발효 100일 이후인 120일, 140일, 160일로 발효 기간에 따라 된장 시료가 구분되어 나타났다. 발효 초기에 주로 기여하는 대사체로는 fructose, d-glucosamine, malic acid, oxalic acid, citric acid이며, 발효 100일 이후에 된장의 특성에 기여하는 대사체로는 pipecolic acid, malonic acid, formic acid, propionic acid, meldelic acid, xylitol이었다. 지방산의 경우, tetradecanoic acid (C14:0), octadecanoic acid (C18:0), eicosanoic acid (C20:0), pentadecanoic acid (C15:0), octadecadienoic acid (C18:2) 등이 주로 된장의 발효기간에 대한 발효 특성 변화에 기여하는 지방산으로 규명되었다.