玉米水解物中硒生物强化废酵母的抗氧化响应与生物量生产：好氧与厌氧条件下的双重效应

《International Microbiology》：Selenium-biofortified spent yeast cultivated in corn hydrolysate: antioxidant response and biomass production under aerobic and anaerobic conditions

本研究针对工业发酵废酵母的高值化利用问题，通过玉米水解物培养Saccharomyces cerevisiae Thermosacc?酵母，探究好氧/厌氧条件下硒生物强化对谷胱甘肽系统（GPx、GR、GST）的调控机制。研究发现400 mg L-1 Na2SeO3可显著提升抗氧化酶活性（GPx达5.35 μmol mg-1），但同步诱导氧化应激（H2O2提升97%），揭示硒在促氧化与抗氧化间的平衡机制，为功能性酵母制剂开发提供新策略。

　　

在全球医疗成本持续攀升的背景下，通过营养干预维持健康已成为重要策略。然而世界卫生组织数据显示，微量营养素缺乏仍是全球健康隐患，其中硒缺乏每年导致约170万人死亡。硒作为谷胱甘肽系统的核心组分，在分解脂质过氧化产物和保护细胞膜方面具有关键作用，但土壤硒匮乏导致农作物硒含量不足，全球约十亿人面临硒摄入不足的困境。更严峻的是，硒作为不可再生资源，其全球短缺问题预计将持续加剧。这一矛盾促使研究人员将目光投向工业发酵副产物——废酵母，通过硒生物强化技术开发高生物利用度的有机硒补充剂。

《International Microbiology》最新发表的研究首次在模拟工业环境的玉米水解物中，系统评估了好氧与厌氧条件下硒强化对酿酒酵母抗氧化系统的影响。与既往使用合成培养基的研究不同，玉米水解物含有葡萄糖、麦芽糖、氨基酸、维生素等复杂成分，能更真实反映实际发酵环境。研究人员采用阶梯式适应性进化策略，将酵母逐步暴露于浓度高达400 mg L^-1的亚硒酸钠中，通过两阶段发酵系统（4小时适应期+12小时增殖期）精确控制温度（30±2°C）、pH（5.8）和通气量（1 v v^-1 min^-1），并运用甲基蓝染色、Neubauer计数板、Bradford法蛋白定量等关键技术，同步监测了生长参数、酶活性及氧化应激指标。

好氧与厌氧条件下的酵母生长特性

研究结果显示，硒浓度与比生长速率（μ）呈负相关。在好氧条件下，对照组（AE0）的μ值达0.159 h^-1，而400 mg L^-1硒处理（AE400）降至0.118 h^-1，降幅达25%。厌氧条件也呈现类似趋势，但整体生长速率仅为好氧条件的一半。生物量得率（Y_x/s）同样随硒浓度上升而下降，AE0组为0.50 g g^-1，AE400组降至0.32 g g^-1，表明细胞将能量优先分配给抗氧化防御而非增殖。值得注意的是，尽管硒胁迫导致存活率下降，但通过适应性进化的酵母细胞存活率始终高于77%，证明其具备较强的硒耐受基础。

谷胱甘肽系统酶的激活模式

研究最显著的发现是硒对抗氧化酶体系的剂量依赖性激活。在好氧条件下，AE400组的谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽还原酶（GR）和谷胱甘肽S-转移酶（GST）活性分别达到5.35 μmol mg^-1、3.39 μmol mg^-1和0.035 μmol mg^-1，较对照组提升15倍、4.2倍和2.5倍。厌氧条件下酶活性虽低于好氧条件，但仍呈现显著提升，例如AN400组的GPx活性为4.22 μmol mg^-1。这种差异与好氧代谢产生更高ATP（38 ATP/葡萄糖）支持酶合成，以及氧依赖性呼吸产生更多ROS触发防御反应有关。

氧化应激标志物的动态变化

研究同时揭示了硒的"双刃剑"特性：尽管抗氧化酶活性提升，但氧化损伤标志物氢 peroxide（H₂O₂）和丙二醛（MDA）同步上升。AE400组的H₂O₂含量达6.71 μmol mg^-1，较对照组增长97%，MDA含量提升12%。这种现象源于硒与巯基反应形成硒代三硫化物（S-Se-S），破坏细胞还原环境并促进ROS生成。尤其值得注意的是，好氧条件下的氧化损伤显著高于厌氧条件，印证了氧呼吸对ROS生成的放大效应。

这项研究通过工业相关基质揭示了酵母硒强化的代谢权衡机制：细胞通过上调GPx等酶活性应对硒诱导的氧化压力，但代价是生物量合成受限。该发现为优化硒强化酵母生产工艺提供了关键参数，特别是在巴西、美国等大型乙醇生产国，可将废酵母转化为富含硒代蛋氨酸（SeMet）的功能性饲料或营养补充剂。研究首次证实玉米水解物作为非合成培养基用于硒生物强化的可行性，为循环经济背景下工业微生物资源的高值化利用开辟了新路径。