综述：乳酸代谢的基因组学视角

本综述系统整合了乳酸菌一个多世纪以来的代谢研究成果与当前可用的基因组信息，揭示了同型发酵和异型发酵乳酸菌在能量生成、底物偏好及生态位共存方面的显著差异。文章详细阐述了己糖、戊糖、有机酸等关键代谢通路，并强调了电子传递链、辅因子再生及乳酸/二醇分解等特殊代谢能力在环境适应与食品发酵中的应用价值。通过基因组学视角，为传统及新型发酵食品的菌种选育提供了重要理论依据。

　　

2. 方法论

研究选取了乳酸菌目（Lactobacillales）的成员进行生物信息学分析。所有公开可用的乳酸菌科（Lactobacillaceae）基因组信息于2024年3月从NCBI基因组数据库收集。对于每个物种，计算基因组数量，并使用内部Python脚本去除重复基因组。对于拥有6个或更多基因组的物种，每个物种选择6个去重后的基因组；对于少于6个基因组的物种，则纳入所有可用基因组。最终形成两个数据集：一个包含1192个基因组（99个物种各6个基因组，328个物种少于6个基因组），另一个包含594个基因组（仅包含99个拥有6个基因组的物种）。

通过BLASTp分析，基于生化特征明确的基因或操纵子，筛选了73个查询序列，并与UniProt/SwissProt数据库中生化特征明确的蛋白质进行验证。BLASTp分析的阈值设定为40%的氨基酸同一性和70%的覆盖率。为确保结果的准确性，对部分关键酶使用了多个查询序列进行验证，以降低假阳性或假阴性结果的风险。在所有热图中，生物体根据其系统发育关系（从乳酸杆菌属到明串珠菌属）而非字母顺序进行排列，从而清晰地区分同型发酵和异型发酵乳酸菌。

3. 乳酸菌的己糖发酵

同型发酵乳酸菌的己糖发酵

同型发酵乳酸菌通过Embden-Meyerhof途径（EMP）将葡萄糖代谢为乳酸，每摩尔葡萄糖产生2摩尔ATP。碳分解代谢物抑制（CCR）机制确保细菌在葡萄糖存在时优先利用葡萄糖，该机制主要由磷酸转移酶系统（PTS）的酶I和HPr介导。磷酸果糖激酶催化果糖-6-磷酸不可逆地转化为果糖-1,6-二磷酸，是糖酵解通量的关键控制点，且仅存在于同型发酵乳酸菌中。果糖-1,6-二磷酸醛缩酶也主要存在于同型发酵菌中。

同型发酵菌优先选择低效率但高转化率的乳酸生成途径，类似于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的“克雷布特里效应”（Crabtree effect），旨在最大化生长速率而非ATP得率，这源于细胞质拥挤导致的能量和空间限制，需要将资源分配给DNA复制和核糖体合成。此外，快速的糖耗竭和乳酸积累也能竞争性排除其他微生物。

异型发酵乳酸菌的己糖代谢

异型发酵乳酸菌通过磷酸酮醇酶途径（PKP）将葡萄糖代谢为乳酸、CO₂和乙醇，每摩尔葡萄糖仅产生1摩尔ATP。其竞争力源于两种策略：首先，许多异型发酵菌优先代谢麦芽糖和蔗糖，通过磷酸化酶分解这些二糖，其中一个己糖基被磷酸化而无需消耗ATP，从而提高了ATP得率；其次，果糖常被用作电子受体，被还原为甘露醇，从而支持乙酰磷酸转化为乙酸，并额外产生1摩尔ATP。因此，异型发酵代谢不受碳分解代谢物抑制，且含有较少的PTS系统，更倾向于使用次级载体转运糖类。

异型发酵菌的磷酸酮醇酶途径关键酶包括磷酸酮醇酶、磷酸转乙酰酶和双结构域乙醛/醇脱氢酶（AdhE）。AdhE在大多数异型发酵菌中存在，但在果糖杆菌属（Fructobacillus）、Eupransor、大多数蜂蝶菌属（Apilactobacillus）等果糖营养型乳酸菌（fructophilic lactic acid bacteria）中缺失，这些菌株基因组较小，是特定生态位演化的结果。

不同的底物偏好支持了同型发酵和异型发酵乳酸菌在脊椎动物肠道、昆虫、植物以及大多数发酵食品等多种生态环境中的稳定共存。异型发酵菌在富含麦芽糖、蔗糖和果糖的发酵植物食品中占主导地位，而在乳制品、鱼和肉制品发酵中则不常见。

4. 乳酸菌的戊糖发酵

乳酸菌通过磷酸戊糖途径（PPP）或磷酸酮醇酶途径（PKP）代谢戊糖。PKP存在于所有异型发酵乳酸菌中。PPP将3摩尔戊糖转化为5摩尔乳酸和7摩尔ATP，能量得率略高于PKP，该途径已在Liquorilactobacillus vini、Lactococcus lactis和Enterococcus mundtii中得到证实。PPP的酶基因存在于几种异型发酵乳酸菌中，但尚未证明在这些菌中运行。异型发酵菌通过PKP代谢戊糖，每摩尔戊糖产生等摩尔的乳酸和乙酸以及2摩尔ATP。

乳酸菌根据戊糖激酶的存在选择性代谢戊糖。除乳酸杆菌分支（Lactobacillus clade）和部分昆虫相关属外，大多数乳酸菌存在一种或多种戊糖激酶。D-核糖由核糖激酶磷酸化，D-核糖吡喃酶负责核糖呋喃糖和吡喃糖形式的互变以维持底物供应。

5. 乳酸菌对半乳糖、岩藻糖和鼠李糖的代谢

岩藻糖和鼠李糖分别存在于宿主分泌物（如粘蛋白、人乳寡糖）和植物糖苷化植化素中。它们通过岩藻糖/鼠李糖磷酸醛缩酶代谢为乳酸醛和丙酮酸。乳酸醛可进一步转化为1,2-丙二醇，允许丙酮酸通过丙酮酸甲酸裂解酶（PFL）途径代谢，并额外获得ATP。1,2-丙二醇也可转化为丙醇或丙酸盐。代谢途径的最终产物取决于平衡辅因子再生的代谢环境。

编码岩藻糖/鼠李糖代谢途径的基因仅存在于同型发酵乳酸菌中。而1,2-丙二醇代谢酶则主要存在于异型发酵菌中，这种交叉喂养支持了双歧杆菌和异型发酵乳酸菌之间的资源分配。

半乳糖在乳制品和植物（如棉子糖家族寡糖）中常见。其代谢通过Leloir途径或塔格糖-6-磷酸途径进行。塔格糖-1,6-二磷酸醛缩酶是塔格糖途径的关键酶，该途径专属于同型发酵乳酸菌。Leloir途径则通过UDP活化的糖中间体将半乳糖-1-磷酸转化为葡萄糖-1-磷酸，这些中间体也与异多糖的合成相关联。Leloir途径的酶在大多数乳酸菌中常见，但在大多数昆虫适应型乳酸菌中缺失。

6. 乳酸菌中丙酮酸的替代命运

丙酮酸是同型发酵乳酸菌己糖代谢的关键中间体。其还原途径取决于氧气和底物的可用性。在葡萄糖限制、厌氧和中性pH条件下，丙酮酸通过丙酮酸甲酸裂解酶（PFL）代谢为乙酰辅酶A，最终产物为乙酸、乙醇和甲酸，每摩尔己糖额外产生1摩尔ATP。PFL仅存在于同型发酵乳酸菌中。

乳酸菌也可通过α-乙酰乳酸合成酶和乙酰乳酸脱氢酶将丙酮酸转化为乙偶姻。该转化在低pH条件下有利，因其不产生有机酸并有助于pH稳态。丙酮酸到乙偶姻的转化也因添加丙酮酸、柠檬酸（可转化为丙酮酸且不产生NADH）或有氧条件而促进。柠檬酸代谢是发酵乳制品中α-乙酰乳酸形成的重要因素，α-乙酰乳酸化学转化为具有极低气味阈值的双乙酰，显著影响食品风味。

依赖氧的丙酮酸氧化酶和NAD依赖的丙酮酸脱氢酶将丙酮酸转化为乙酸并伴随ATP合成。在同型发酵菌中，丙酮酸脱氢酶间接依赖氧气，因为需要呼吸作用或NADH氧化酶来再生NAD⁺。这两种酶在乳酸菌和乳酸乳球菌中分布广泛。

7. 乳酸菌的电子传递链与呼吸作用

许多乳酸菌利用电子传递链以终端电子受体（如氧气、硝酸盐、铁）进行呼吸或其他电子传递过程。呼吸作用是分布最广的电子传递链，其发生依赖于培养基中血红素（heme）的存在，许多菌还需要甲萘醌（menaquinone）作为辅因子。

呼吸链依赖于电子供体（NADH脱氢酶）、电子穿梭体（通常是甲萘醌）和终端电子受体（细胞色素bd氧化酶，CydABCD）。细胞色素bd氧化酶利用产生的质子动力势，通过F₀F₁-ATP酶合成ATP。呼吸作用已在多种同型发酵和异型发酵乳酸菌中得到生化验证。硝酸盐还原酶（由narGHJI编码）及相关基因的存在表明硝酸盐呼吸可能在更多乳酸菌中发挥作用。某些乳酸菌（如Enterococcus, Lactococcus, Streptococcus, Lactiplantibacillus）还能进行胞外电子传递。

在厌氧的食品发酵中，呼吸作用条件通常不具备。但在高氧改性气氛包装的肉类中，呼吸作用是Leuconostoc gasicomitatum形成乙偶姻和双乙酰等异味化合物的关键因素。硝酸盐还原在发酵肉制品中主要由葡萄球菌而非乳酸菌完成。

8. 同型发酵乳酸菌的辅因子再生

在同型发酵代谢中，葡萄糖转化为乳酸的过程平衡了NAD⁺和NADH的氧化还原，因此辅因子再生（包括呼吸作用）通常仅在进入稳定生长期时发生。在无血红素的有氧条件下，NADH氧化酶和NADH过氧化物酶以H₂O₂为中间体将氧气还原为水，同时氧化两分子NADH。H₂O₂的积累可能对生产菌或其他微生物产生毒性。稳定生长期的辅因子再生通过将乳酸转化为非有机酸或更高pKa的产物来缓解酸胁迫。

少数乳酸菌编码依赖血红素的亚硝酸盐还原酶，可将亚硝酸盐催化还原为NH₄⁺。乳酸菌在无血红素条件下将亚硝酸盐还原为NO的报道，可能与酸性条件下亚硝酸盐的化学转化有关。

在肉类发酵中，乳酸菌积累H₂O₂是一个腐败事件，需要使用过氧化氢酶阳性的葡萄球菌来防止肉质变色。在发酵蔬菜中，乳酸植物杆菌可能在发酵后期参与亚硝酸盐的还原。

9. 异型发酵乳酸菌的辅因子再生

在异型发酵代谢中，利用替代电子受体进行辅因子再生可使ATP得率翻倍，因为它允许乙酰磷酸从乙醇生成重新路由至乙酸生成。对于果糖营养型乳酸菌，辅因子再生是必需的，因为其缺乏乙醇生成途径。

在食品发酵中，氧气和果糖的还原是最重要的电子汇。果糖还原为甘露醇与乙酸形成相关联。在许多异型发酵菌中，NADH氧化酶和甘露醇脱氢酶广泛存在。谷胱甘肽还原酶、2-烯还原酶（还原羟基肉桂酸等）以及长链醛还原酶也参与辅因子再生。

辅因子再生对食品品质的影响快速而深远。乙酸的形成直接影响风味，甘露醇生产则与酸味相关。还原型谷胱甘肽通过影响二硫键，改变蛋白质功能，从而影响面团的加工特性和蛋白消化性。醛还原酶优先还原脂质氧化产生的线性醛，有助于改善豆类蛋白的“豆腥味”。多酚化合物的代谢修饰其生物活性和健康效应。此外，异型发酵菌的代谢产物（如乙酸、还原醛）也可作为其他微生物（如酵母）的底物，用于酯类合成。

10. 乳酸、丙二醇和甘油的分解代谢

某些乳酸菌能将乳酸进一步转化为1,2-丙二醇。乳酸降解包含一个氧化的、产生ATP的分支（生成乙酸）和一个还原的分支（生成1,2-丙二醇），两个分支的等摩尔通量平衡了NAD⁺和NADH的生成。该途径的关键酶是乳酸醛脱氢酶和乳酸醛还原酶。

1,2-丙二醇可被进一步转化为丙酸盐和丙醇。该途径同样包含氧化产ATP分支和还原耗NADH分支。底物可以是甘油、1,2-丙二醇（源自乳酸、鼠李糖或岩藻糖代谢），也可微弱地作用于乙二醇和2,3-丁二醇。甘油代谢的产物是1,3-丙二醇和3-羟基丙酸。二醇转化发生在蛋白质微区室中，以保护细胞免受有毒中间体（如丙醛）的伤害。

该途径的运作方式因菌种和条件而异。在Limosilactobacillus reuteri中，二醇转化主要在指数生长期运行还原分支以循环还原辅因子。而在其他菌（如Furfurilactobacillus rossiae和Lentilactobacillus diolivorans）中，氧化和还原分支在稳定期同时运行。甘油代谢的中间体β-羟丙醛可化学转化为具有抗菌活性的丙烯醛。

乳酸和1,2-丙二醇的缓慢转化维持了乳酸菌在稳定期的代谢活性，这在酸面团发酵、青贮饲料长期储存以及泡菜、苹果酒腐败过程中具有重要意义。乳酸向丙酸的转化还能积累抗真菌化合物，防止面包霉变。

11. 柠檬酸盐、草酸盐、酒石酸盐和苹果酸盐的代谢

柠檬酸是乳制品和多种植物材料中常见的有机酸，能刺激乳酸菌的生长和双乙酰产生。乳酸菌通过柠檬酸透性酶和柠檬酸裂解酶消耗柠檬酸。柠檬酸裂解酶在乳酸菌中分布广泛，但在所有昆虫相关乳酸菌中缺失。代谢的关键中间体是草酰乙酸，其进一步转化包括：产生ATP的PFL途径、消耗NADH的经苹果酸和延胡索酸生成琥珀酸的途径，以及结合NADH消耗和质子消耗脱羧步骤的生成乳酸或2,3-丁二醇的途径。

乳酸菌对草酰乙酸的代谢偏好取决于系统发育地位和环境条件。大多数异型发酵菌将草酰乙酸转化为乳酸和/或琥珀酸。同型发酵菌（乳酸杆菌分支除外）则主要通过PFL途径代谢草酰乙酸。乙偶姻或双乙酰的形成主要发生在同型发酵菌中，且具有pH依赖性。

除了通过脱羧反应消耗质子并有助于维持质子动力势外，柠檬酸和乳酸的电genic antiport（电源性逆向转运）在低pH下也能维持质子动力势。

苹果酸可通过苹果酸酶转化为乳酸（苹果酸-乳酸发酵）或转化为琥珀酸。苹果酸-乳酸发酵酶在乳酸菌中分布广泛，但仅在少数菌中得到实验证实。该过程通过细胞质脱羧和电源性底物/产物逆向转运产生能量。酒石酸脱水酶（将酒石酸转化为草酰乙酸）是乳酸菌中罕见的代谢特性。

草酸盐转化同样罕见，可通过草酸盐脱羧酶或草酰辅酶A脱羧酶进行。前者主要存在于自由生活或植物相关的乳酸菌中，后者则专属于肠道乳酸菌。

有机酸转化对食品品质影响显著。柠檬酸代谢影响风味物质双乙酰的形成。苹果酸-乳酸发酵是葡萄酒中重要的降酸过程，但在黄瓜发酵中产生的CO₂则被视为腐败。草酸盐的降解在食品发酵或胃肠道转运过程中的作用尚不清楚。

12. 结论

基因组测序成本的下降使得大规模筛选大量细菌菌株成为可能。然而，充分利用序列数据需要将基因组序列信息及基因的有无与过去一个多世纪积累的乳酸菌生化和生理特性数据联系起来。本综述旨在提供一个框架，以便结合乳酸菌已知的代谢特性来解读生物信息学分析结果。

本综述确认并拓展了关于乳酸菌代谢与其生态学和系统发育关系的已有认知。同型发酵和异型发酵乳酸菌这两大类别在能量生成策略上存在根本差异，因而能够凭借互补的代谢偏好共存于多种生态位。同时，也存在与特定生活方式相关的代谢特征，区分了昆虫相关、脊椎动物宿主适应、自由生活及驯化的乳酸菌。了解这些对各自生态位的代谢适应，有助于为传统和新型食品发酵选择发酵剂。

最后，探索仍在继续。目前对乳酸代谢的研究多集中于少数模式生物。在系统发育和代谢特征上与这些广泛研究的菌种有所不同的“次要”菌属（如Agrilactobacillus, Loigolactobacillus, Secundilactobacillus, Paucilactobacillus）中，存在着更多有待发掘的代谢多样性。