Characterization of Leuconostoc lactis DMLL10 as a potential starter culture and its effects on kimchi fermentation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Leuconostoc lactis DMLL10, isolated from Jeonbok-baechu-kimchi, was evaluated for its safety and technological properties as a potential starter culture for kimchi fermentation. Whole-genome sequencing was additionally performed to validate its safety- and technology-related characteristics. The strain was susceptible to eight clinically relevant antibiotics and exhibited no hemolytic activity. Genomic analysis confirmed that strain DMLL10 does not encode toxin genes and does not harbor acquired antibiotic resistance genes. Phenotypically, strain DMLL10 showed protease activity on agar containing up to 3% NaCl and demonstrated antibacterial activity against seven major foodborne pathogens. The genome also encoded protease genes and possessed genes associated with both hetero- and homo- fermentative pathways for lactic acid production, whereas bacteriocin genes were not identified. To determine the effects of DMLL10 as a starter during kimchi fermentation, its fermentation characteristics were compared with those of Leuconostoc mesenteroides KACC 12312T. Kimchi was fermented at 4°C for 20 days, and microbial dynamics, organic acids, amino acids, and volatile compounds were analyzed using HPLC, GC–MS, and multivariate statistical approaches. Although both strains successfully initiated fermentation, they exhibited distinct metabolic signatures. strain DMLL10 maintained stable dominance throughout fermentation and effectively suppressed Lactobacillus sakei, a homofermentative LAB. Compared to L. mesenteroides, strain DMLL10 produced a greater diversity of organic acids, amino acids—including increased glutamic acid—and unique volatile compounds such as octanoic acid and specific aldehydes. In contrast, L. mesenteroides KACC 12312T showed faster acidification and a narrower metabolite profile. Multivariate analyses (PCA, OPLS-DA, and Cytoscape network mapping) revealed clear starter-dependent fermentation patterns. Collectively, these findings demonstrate that strain-level variation within the genus Leuconostoc substantially influences kimchi quality. Accordingly, L. lactis DMLL10 is proposed as a promising alternative starter for producing kimchi with enhanced flavor diversity, balanced fermentation, and improved quality stability. This study provides scientific evidence supporting the strategic selection of starter cultures for developing differentiated, high-value, and personalized fermented foods.

국문 초록 (Abstract)

전복배추김치에서 분리한 Leuconostoc lactis DMLL10을 김치 발효용 스타터 후보 균주로서 안전성 및 기술적 특성을 분석하였다. 또한, 전장 유전체 분석을 통해 안전성 및 기술적 특성을 검증하였다. 본 균주는 임상적으로 유의미한 8가지 항생제에 감수성을 보였으며, 용혈 활성은 없었다.
유전체 분석 결과, 독소 유전자와 획득형 항생제 내성 유전자를 암호화하고 있지 않았다, 표현형적으로, DMLL10 균주는 최대 3%의 NaCl을 함유한 배지에서 단백질 분해 효소 활성을 보였고, 7가지 주요 식품 매개 병원균에 대해 항균 활성을 보였다. DMLL10 균주의 유전체는 단백질 분해 효소 유전자를 암호화하고, 젖산 생성을 위한 이종 및 동종 젖산 발효 경로와 관련된 유전자를 보유하고 있었다. 박테리오신 유전자는 유전체에서 확인되지 않았다. DMLL10 균주가 스타터로서 김치 발효에 미치는 영향을 규명하기 위해 발효 특성을 Leuconostoc mesenteroides KACC 12312T 균주와 비교 하였다. 김치를 4°C에서 20일 동안 발효시키고, HPLC, GC-MS, 그리고 다변량 통계 기법을 사용하여 미생물 동역학, 유기산, 아미노산, 그리고 휘발성 화합물을 분석했다. 모든 샘플은 발효를 성공적으로 개시하였으나, 두 스타터는 서로 다른 대사적 특징을 보였다. DMLL10 균주는 발효 기간 내내 안정적인 우점을 유지했고, 동종 발효 유산균인 Lactobacillus sakei을
효과적으로 억제했다. L. mesenteroides와 비교하여 DMLL10 균주는 더 다양한 유기산, 아미노산(글루탐산 증가 포함), 그리고 옥탄산 및 특정 알데하이드와 같은 독특한 휘발성 화합물을 생성했다. 반면, L. mesenteroides KACC 12312T는 산성화가 더 빠르고 대사산물 프로파일이 더 좁았다. 다변량 분석(PCA, OPLS-DA, Cytoscape 네트워크 매핑)은 스타터에 따라 명확한
발효 패턴을 보여주었다. 이러한 결과는 Leuconostoc 속 내에서도 균주 수준의 변이가 김치 품질에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 결론적으로, L. lactis DMLL10은 김치의 풍미 다양성 향상, 균형 잡힌 발효, 그리고 향상된 품질 안정성을 가진 김치 생산을 위한 유망한 대체 스타터로 제안된다.
본 연구는 차별화되고 고부가가치의 맞춤형 발효식품 개발을 위한 스타터 균주의 전략적 선정에 대한 과학적 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter Ⅰ. Characterization of Leuconostoc lactis DMLL10
• as a starter candidate for kimchi fermentation
• 1. Introduction 1
• 2. Material and methods 3
• 2.1 Bacterial strains and culture conditions 3
• 2.2 Genome sequencing 3
• 2.3 Comparative genomics 4
• 2.4 Antibiotic minimum inhibitory concentrations analysis 6
• 2.5 Hemolytic activity tests 6
• 2.6 Acid production and enzymatic activity 7
• 2.7 Determination of antibacterial activity 8
• 2.8 Statistical analysis 9
• 2.9 Nucleotide sequence accession number 9
• 3. Results and discussion 10
• 3.1 Genetic information of L. lactis DMLL10 10
• 3.2 Comparative analysis of L. lactis genomes 13
• 3.3 Safety properties of L. lactis DMLL10 14
• 3.3.1 Acquired antibiotic resistance of L. lactis DMLL10 14
• 3.3.2 Hemolysin and enterotoxin in L. lactis DMLL10 18
• 3.4 Potential role of L. lactis DMLL10 in food fermentation 20
• 3.4.1 Enzymatic properties of L. lactis DMLL10 20
• 3.4.2 Hetero- and homo-lactic fermentative pathway 23
• 3.4.3 Antibacterial activities of L. lactis DMLL10 24
• 4. Conclusion 27
• Chapter Ⅱ. The effects of Leuconostoc lactis DMLL10
• as a starter culture in kimchi fermentation
• 1. Introduction 28
• 2. Material and methods 31
• 2.1 Bacterial strains and culture conditions 31
• 2.2 Kimchi preparation and fermentation 31
• 2.3 pH, total titratable acidity and viable cell counts analysis 32
• 2.4 Pyrosequencing for kimchi samples 32
• 2.5 Analysis of organic acids 34
• 2.6 Analysis of free amino acids 35
• 2.7 Analysis of volatile compounds 36
• 2.8 Pearson correlation analysis 37
• 2.9 Statistical analysis 37
• 3. Results and discussion 38
• 3.1 Changes in pH, acidity and viable cell counts 38
• 3.2 Verification of starter dominance during kimchi fermentation 41
• 3.3 Effect of organic acid production 45
• 3.4 Effect of amino acid production 51
• 3.5 Effect of volatile compound production 57
• 3.6 Network-based comparison of metabolite dynamics between
• starter culture type 69
• References 72
• 국문요약 82