乳酸菌固态发酵降解花椒籽粕生物碱与烷基酰胺：一种安全饲料转化的绿色生物技术策略

《AMB Express》：Degradation of alkaloids and alkylamides in Zanthoxylum bungeanum meal by lactic acid bacteria via solid-state fermentation

本研究针对花椒籽粕(ZBM)中生物碱和烷基酰胺毒性物质限制其饲料化应用的问题，通过从ZBM中分离乳酸菌(LAB)菌株Lactobacillus acidipiscis和Lactobacillus paracasei，开展固态发酵(SSF)降解研究。优化条件(37°C, pH 6.0, 48 h)下，生物碱和烷基酰胺降解率分别达39.01%(至3.01 mg/g)和50.41%(至2.87 mg/g)，pH下降且LAB生长达9×107 CFU/g。该策略为ZBM安全饲料化提供经济环保解决方案，但存在菌株特异性及放大挑战。

　　

花椒作为中国传统香辛料和药用植物，其种子榨油后产生大量副产物——花椒籽粕(Zanthoxylum bungeanum meal, ZBM)。据统计，中国每年ZBM产量超过100万吨，虽富含蛋白质、脂肪酸和纤维素等营养成分，却因含有大量生物碱(alkaloids)和烷基酰胺(alkylamides)等毒性物质，易引起牲畜胃肠道刺激和适口性下降，难以直接用作饲料。目前缺乏经济有效的脱毒方法，造成资源浪费和环境污染。如何将ZBM安全高效地转化为动物饲料，成为农业可持续发展领域亟待解决的问题。

传统物理化学脱毒方法成本高且易破坏营养成分，而微生物发酵法因环保、经济等特点备受关注。乳酸菌(Lactic Acid Bacteria, LAB)作为革兰阳性、耐酸、非孢子化微生物，在发酵过程中能产生乳酸等有机酸，快速降低pH值，抑制有害微生物生长，并降解植物材料中的不良化合物。然而，针对ZBM中毒性成分降解的专用乳酸菌株筛选及发酵工艺研究尚属空白。

为此，研究人员在《AMB Express》发表了最新研究成果，通过从ZBM自身分离乳酸菌菌株，优化固态发酵条件，系统评估其对生物碱和烷基酰胺的降解效能，并采用高光谱成像等先进技术实时监测降解过程，为ZBM饲料化提供了一种新颖、高效的生物解决方案。

本研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.
   从中国山东青岛本地市场采集的220份ZBM样本中分离乳酸菌，通过形态学、革兰染色、过氧化氢酶试验和高光谱成像(hyperspectral imaging, HSI)进行鉴定；
2. 2.
   采用固态发酵(solid-state fermentation, SSF)工艺，以ZBM为底物，接种乳酸菌菌株Lactobacillus acidipiscis LCM (CGMCC 21712)和Lactobacillus paracasei KQ (CGMCC 21711)，优化菌株比例、水温比、葡萄糖浓度、纤维素浓度、初始pH、温度和接种量等参数；
3. 3.
   利用HSI系统(光谱范围400-1000 nm)结合多元线性回归(multiple linear regression, MLR)模型，对发酵前后生物碱(以小檗碱为标)和烷基酰胺(以羟基-α-山椒素为标)进行定量分析；
4. 4.
   应用支持向量机(support vector machine, SVM)和线性回归(linear regression)等统计方法进行数据建模和预测，并通过五折交叉验证验证模型可靠性(R² > 0.5, RMSE < 1.0 mg/g)。

乳酸菌在ZBM中的生长曲线

研究发现，乳酸菌在ZBM中呈现典型生长特性。接种初期(0 h)，菌浓度为9×10⁷ CFU/g，随发酵时间延长，菌数逐渐上升，至48 h达峰值(9×10⁷ CFU/g)，随后略有下降，可能与营养耗尽或代谢产物积累有关。菌株混合组(Test 3, 1:1比例)生长显著优于单菌组(Test 1和Test 2)，表明菌株间存在协同效应，增强酸耐受性和底物降解能力。

花椒籽粕pH变化

发酵过程中，pH值随有机酸积累持续下降。初始pH为6.0，发酵72 h后降至约4.5。pH下降与生物碱和烷基酰胺降解呈强负相关(r = -0.75, p < 0.01)，表明乳酸菌产酸是降解主要驱动力。各组pH变化趋势一致，证实发酵环境稳定性，利于乳酸菌代谢活性保持。

烷基酰胺在椒粕中的变化

烷基酰胺降解率显著高于生物碱。优化条件下(菌株混合比例1:1，水温比1:0.9，葡萄糖添加1.5%)，烷基酰胺含量从初始5.78 mg/g降至2.87 mg/g，降解率达50.41%。降解效率差异可能与乳酸菌酰胺水解酶(amide hydrolases)底物特异性有关，其对烷基酰胺结构更具活性。

生物碱在花椒籽粕中的变化

生物碱降解率相对较低，从初始4.93 mg/g降至3.01 mg/g，降解率为39.01%。可能因生物碱结构复杂性和底物浓度较高所致。单菌组中Lactobacillus paracasei(Test 2)降解效果略优，但混合菌组(Test 3)整体表现最佳，再证菌株协同潜力。

径向基函数、多项式及线性核方法的残差预测

通过比较径向基函数(RBF)、多项式(poly)和线性核方法的预测性能，发现线性回归模型最适合乳酸菌生长预测，其方程为y = 3.995x - 32.75，相关系数R² = 0.5083，残差范数为59.26。线性方法在定量准确性上优于支持向量机(SVM)，但残差变异性提示底物异质性或未建模动力学的影响，限制工业直接应用。

副产物降解中菌数的残差预测

细菌计数的线性预测模型显示，预测值普遍高于实际值，存在负相关性。预测残差在-50至+50范围，表明模型系统性高估趋势，需进一步优化以提升ZBM发酵过程监控精度。

研究结论与讨论部分强调，固态发酵(SSF)结合乳酸菌降解策略成功降低ZBM中毒性化合物含量，生物碱和烷基酰胺降解率分别达39.01%和50.41%，同步实现pH下降和菌体生长增殖。该方案经济环保，无需添加化学试剂，依托ZBM自身分离菌株，适应性更强。创新点在于集成HSI技术实时监测，及MLR模型量化降解过程，超越传统HPLC方法局限。

然而，研究存在菌株特异性效力和放大挑战等限制。未来需开展放大试验解决氧梯度及长期稳定性问题，并探索低温优化以提升心理耐受乳酸菌效能。总体而言，该研究为农业副产物资源化提供可靠生物技术路径，助推饲料安全和可持续农业发展。

本研究由沙特国王大学(ORF-2025-77)和AlMaarefa大学(MHIRSP2025-018)资助，作者感谢中国政府奖学金委员会(CSC)和中国农业大学支持。