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问题 2
为解决发酵中多菌种共存对乙醇生产的挑战，研究人员以 LMQA SRC-143 和 PE-2 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为对象，探究与发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）共培养及细胞循环、酸洗的影响。发现 PE-2 单培养更具韧性，而 LMQA SRC-143 在共培养中性能提升，为优化发酵工艺提供新思路。
问题 5
研究背景与意义
在生物燃料领域，高效生产清洁可再生能源是全球关注的焦点。 bioethanol（生物乙醇）作为重要的替代燃料，能缓解能源危机与温室气体排放问题。然而，发酵过程中微生物的复杂互作（如酿酒酵母与乳酸菌的竞争）常导致生产效率波动，传统依赖化学手段控制杂菌的方式既不经济也不环保。巴西作为甘蔗 bioethanol 生产大国，广泛采用的 Melle-Boinot 工艺（含细胞循环与酸洗）虽能提升效率，但长期运行中乳酸菌（如发酵乳杆菌 Lactobacillus fermentum）的污染难以避免，其对酵母生理与发酵性能的影响尚不明确。此外，非商业酵母菌株在复杂微生物环境中的适应性潜力未被充分挖掘。因此，揭示酵母与乳酸菌的互作机制，筛选耐胁迫菌株，对优化可持续发酵工艺至关重要。
巴西坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）等机构的研究人员开展了相关研究，旨在明确发酵乳杆菌对酿酒酵母 LMQA SRC-143（分离自手工朗姆酒蒸馏厂）和商业菌株 PE-2 的发酵性能影响，以及细胞循环和酸洗条件下的生理响应。研究成果发表于《Biochemical Engineering Journal》，为工业发酵中微生物管理提供了新视角。
关键技术方法
研究采用多组学手段结合流式细胞术分析：
- 发酵工艺：模拟 Melle-Boinot 流程，进行含细胞循环与酸洗（pH 2.0-2.5，1-2 小时）的连续 8 轮分批发酵，设置纯培养与共培养（酵母 + 发酵乳杆菌 L. fermentum CCT 1668）对照。
- 性能检测：测定各轮发酵终点的乙醇浓度、可溶性固形物（蔗糖为主）消耗率及 pH 变化。
- 生理分析：利用流式细胞术定量酵母细胞活力（viability）、活性（vitality）及胞内碳水化合物储备（如糖原），评估菌株在胁迫条件下的适应性。
研究结果
发酵动力学差异
- 前两轮发酵中，所有处理组乙醇浓度与底物消耗均较低，可能因酵母需适应初始环境。从第三轮起，共培养组（尤其 LMQA SRC-143）乙醇产量与底物利用率显著提升，表明长期共培养可促进该菌株性能优化。
- PE-2 纯培养组在后期发酵中表现稳定，但共培养时乙醇产量略低于单培养，显示其对乳酸菌竞争的耐受性有限。
细胞生理响应
- 流式细胞术显示，LMQA SRC-143 在共培养条件下，细胞活力（>90%）与胞内碳水化合物储备显著高于纯培养，表明发酵乳杆菌可能通过代谢互作（如提供生长因子或调控 pH）增强其抗逆性。
- PE-2 纯培养时活力维持较好（85%-90%），但共培养时活力下降约 15%，提示商业菌株对乳酸菌胁迫的适应机制较弱。
酸洗与细胞循环的影响
- 酸洗虽有效降低细菌负荷（约 45%），但频繁酸洗导致酵母短期活力波动，尤其 PE-2 对酸性环境更敏感。细胞循环（平均 210 次）未显著影响 LMQA SRC-143 的生理状态，显示其在工业循环条件下的稳定性。
结论与讨论
本研究颠覆了 “乳酸菌共培养必然抑制发酵” 的传统认知，证实非商业菌株 LMQA SRC-143 可通过与发酵乳杆菌的特异性互作提升性能，而商业菌株 PE-2 的优势仅体现在单培养环境。机制上，乳酸菌可能通过代谢产物（如维生素、氨基酸）补充酵母在高糖胁迫下的营养需求，或通过竞争排斥其他有害菌间接促进酵母生长。
研究意义在于：①揭示微生物互作的菌株特异性，为工业菌种筛选提供新方向；②证明无需化学干预即可通过优化微生物群落提升发酵效率，契合可持续发展目标（SDG 7）；③流式细胞术的应用为工业发酵中实时监测酵母生理状态提供了高效工具，可助力快速工艺调控。未来研究可进一步探索代谢物交换网络，明确关键互作因子，推动 “微生物组工程” 在 bioethanol 生产中的实际应用。
