通过补充乙酸，同时促进凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）的微生物生物量形成和乳酸合成

《Journal of Environmental Management》：Simultaneously enhancing microbial biomass formation and lactic acid synthesis in Bacillus coagulans via acetate supplementation

乳酸发酵中醋酸补充策略可同步提升枯草芽孢杆菌细胞量与乳酸产量，转录组学证实其通过激活醋酸同化、三羧酸循环及糖异生等代谢通路实现协同增效。在pH controlled 5L生物反应器中，10 g/L醋酸使葡萄糖消耗量提升，碱耗降低6.7%，细胞量增加17.6%，乳酸产量提高15.3%。该策略兼具生物量高值化利用（动物饲料）与乳酸平台化生产（生物可降解材料）双重工业价值。

　　这项研究聚焦于如何通过代谢调控提高微生物在酸性环境下的生长能力和乳酸产量，特别是在乳酸菌属中备受关注的**芽孢乳酸杆菌（Bacillus coagulans）**。芽孢乳酸杆菌因其高产乳酸和耐高温特性，已成为工业生产乳酸的重要微生物。然而，在乳酸发酵过程中，产物积累会导致介质pH迅速下降，从而抑制菌体的生长和乳酸的进一步合成。这一现象被称为**产物抑制**，在工业生产中是一个显著的挑战。因此，如何有效缓解这一问题，同时提升菌体生长和乳酸产量，成为研究的重点。

研究团队提出了一种创新策略，即在发酵过程中加入**乙酸（acetate）**。乙酸作为一种常见的低成本碳源，不仅能够作为微生物的营养物质，还具备调节介质pH的作用。通过在葡萄糖发酵培养基中添加10克/升的乙酸，研究发现能够显著提升芽孢乳酸杆菌的代谢活性。从转录组分析的结果来看，多个关键代谢通路被上调，包括**乙酸同化、三羧酸循环（TCA cycle）、甘油酸旁路（glyoxylate shunt）**以及**糖异生（gluconeogenesis）**等。这些通路的激活表明，乙酸的加入不仅促进了微生物对碳源的利用，还优化了其代谢路径，使得菌体能够在酸性条件下更高效地生长。

在实际发酵实验中，研究团队使用了**5升的生物反应器**，并采用**pH控制策略**，通过添加氢氧化钠（NaOH）来维持适宜的pH环境。结果显示，加入乙酸后，葡萄糖的消耗速度显著加快，同时减少了碱剂的使用量。具体而言，碱剂的使用量减少了6.7%，而菌体生物量增加了17.6%，乳酸产量也提高了15.3%。这些数据表明，乙酸的添加不仅有助于缓解产物抑制，还能够有效提升发酵效率和经济效益。

从工业应用的角度来看，这项研究的意义在于其**双重价值**。一方面，通过提高芽孢乳酸杆菌的生物量，可以为动物饲料提供高营养价值的微生物蛋白来源，从而拓展其在畜牧业中的应用。另一方面，乳酸作为一种平台化合物，在食品、化妆品、纺织和制药等多个领域具有广泛的应用前景。例如，乳酸可作为合成聚乳酸（PLA）的原料，而PLA是一种可生物降解的高分子材料，广泛用于食品包装、医疗用品和环保材料中。因此，通过优化发酵过程，提高乳酸产量，不仅能够满足市场需求，还能降低生产成本，提升产业竞争力。

此外，乙酸的加入还具有**环境友好**的优势。传统乳酸发酵过程中，为了维持pH稳定，常常需要频繁添加碱性物质，如碳酸钙（CaCO?）。这些操作不仅增加了生产成本，还可能导致废水中产生大量石膏（CaSO?），进一步增加了后续处理的难度。而乙酸作为一种天然存在的有机酸，其代谢路径能够减少对碱剂的依赖，同时降低废水处理的负担。因此，这项研究为实现绿色、可持续的乳酸生产提供了新的思路。

研究团队还探讨了乙酸在芽孢乳酸杆菌代谢中的具体作用机制。乙酸的代谢主要通过两种途径：一是**直接转化**，由乙酰辅酶A合成酶（ACS）催化；二是**间接转化**，通过乙酸激酶（ACK）和磷酸转乙酰酶（PTA）的协同作用，最终生成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是细胞生长和产物合成的重要前体，能够为菌体提供能量和合成细胞成分所需的碳骨架。因此，乙酸的代谢不仅有助于细胞的快速增殖，还能促进乳酸的合成。这一发现进一步支持了乙酸在乳酸发酵中的双重功能：作为碳源和pH调节剂。

在实际应用中，芽孢乳酸杆菌能够高效利用乙酸作为碳源，这一特性使其在酸性发酵环境中表现出良好的适应能力。然而，此前的研究多集中于乙酸在木质纤维素水解液中的代谢作用，而其在乳酸发酵中的潜在价值尚未被充分挖掘。本研究通过系统的实验设计和转录组分析，揭示了乙酸在乳酸发酵中的积极作用，为未来的研究和应用提供了新的方向。

为了验证乙酸的代谢作用，研究团队设计了多种培养基，包括**基础矿物培养基**和**营养丰富的培养基（AYP）**。基础矿物培养基含有钾氢磷酸盐（KH?PO?）、硫酸铵（(NH?)?SO?）、硫酸钠（Na?SO?）、硫酸镁（MgSO?）和酵母提取物等成分，而AYP培养基则富含酵母提取物，能够提供更全面的营养支持。通过对比不同培养基下的乙酸代谢效果，研究团队发现乙酸在基础矿物培养基中的利用效率更高，这可能与其代谢路径的特异性有关。

在发酵过程中，研究团队还采用了**pH控制策略**，通过动态调整碱剂的添加量，确保介质pH始终处于适宜的范围。这一策略不仅能够维持菌体的正常代谢活动，还能避免因pH过低导致的产物抑制问题。实验结果表明，在加入乙酸的情况下，菌体的生长速率和乳酸产量均显著提升，说明乙酸的加入能够有效缓解酸性环境对菌体的抑制作用。

从更广泛的视角来看，这项研究不仅对乳酸发酵工艺的优化具有重要意义，还为其他有机酸的生产提供了借鉴。许多有机酸的发酵过程同样面临产物抑制的问题，而乙酸作为一种低成本、易代谢的碳源，其在不同微生物中的应用潜力值得进一步探索。此外，随着生物技术的发展，代谢工程和进化工程在提升微生物耐酸性方面也展现出广阔前景。通过基因改造或筛选耐酸菌株，可以进一步增强微生物在酸性环境中的生存能力，从而实现更高效的有机酸生产。

研究团队还指出，乙酸的代谢不仅影响菌体的生长，还可能对发酵产物的分布产生影响。例如，在某些情况下，乙酸的代谢可能会促进其他代谢产物的合成，从而优化整个发酵体系的产物组成。这一发现提示，未来的研究可以进一步探讨乙酸在不同发酵条件下的代谢动态，以及其对多种产物合成的潜在影响。

综上所述，这项研究通过实验和转录组分析，揭示了乙酸在芽孢乳酸杆菌乳酸发酵中的重要作用。乙酸的加入不仅能够提高菌体的生长速率和乳酸产量，还能有效缓解酸性环境对发酵过程的抑制作用，从而实现更高的生产效率和更低的运营成本。这些成果为乳酸发酵工艺的优化提供了新的思路，也为其他有机酸的生产提供了参考。未来，随着对乙酸代谢机制的深入研究，以及对微生物耐酸性的进一步探索，这一策略有望在工业生产中得到更广泛的应用。