编辑推荐：
为提升植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）AM2 产乙酰胆碱（ACh）及生物量，研究人员采用田口阵列设计优化发酵条件与培养基成分。确定关键影响因素，获最优条件，使 ACh 和生物量分别提升 6.32 倍与 4.56 倍，为工业应用及调控肠 - 脑轴提供依据。
研究背景
在微生物代谢研究与肠道菌群调控领域，植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）作为重要的益生菌种，其代谢产物乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh）因在肠 - 脑轴（Gut-Brain Axis）调控中扮演关键角色而备受关注。乙酰胆碱不仅是中枢神经系统的重要神经递质，参与记忆、认知等功能，其水平下降还与阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease）等神经退行性疾病密切相关。然而，目前关于植物乳植杆菌合成乙酰胆碱的定量机制及高效生产策略尚不明确，如何通过优化发酵条件提升其代谢活性与生物量产出，成为制约该菌株在功能性食品与生物医药领域应用的瓶颈。
为突破这一困境，埃及亚历山大法罗斯大学（Pharos University in Alexandria）与亚历山大大学（Alexandria University）的研究团队开展了相关研究。其成果发表于《BMC Microbiology》，旨在通过田口法（Taguchi Approach）这一高效的实验设计方法，系统筛选影响植物乳植杆菌 AM2 产乙酰胆碱及生物量的关键因素，明确其代谢规律，为工业化生产及益生菌制剂开发提供理论支撑。
主要技术方法
研究采用田口阵列设计（Orthogonal Array Design），以 L12 正交表系统考察牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、pH、搅拌速率、接种量 7 个因素对乙酰胆碱产量与生物量的影响。通过响应值分析（Response Value Analysis）与方差分析（ANOVA）确定显著影响因子，并建立回归模型预测最优条件。实验中利用酶联免疫吸附测定（ELISA）定量乙酰胆碱浓度，通过干重法与分光光度法测定生物量，结合统计学工具（Statistica 10 软件）验证模型有效性。
研究结果
1. 关键影响因素筛选
通过 12 组正交实验（表 1），发现牛肉浸膏与蛋白胨是影响乙酰胆碱合成的核心因子（P<0.05），而接种量对生物量产出起决定性作用（P<0.05）。酵母浸膏、葡萄糖等因素对乙酰胆碱影响较弱，但葡萄糖对生物量呈正相关趋势（P=0.2047）。
2. 最优发酵条件确定
- 乙酰胆碱生产：最优条件为牛肉浸膏 11 g/L、蛋白胨 40 g/L、酵母浸膏 5 g/L、葡萄糖 20 g/L、pH 5.7、无搅拌、接种量 1%（v/v），预测浓度 490.83 pg/mL，实验值 495.8 pg/mL，较基础条件提升 6.32 倍。
- 生物量生产：最优条件为牛肉浸膏 8 g/L、蛋白胨 10 g/L、酵母浸膏 20 g/L、葡萄糖 35 g/L、pH 6.6、搅拌速率 150 rpm、接种量 4%（v/v），预测值 20.58 g/L，实验值 21.3 g/L，提升 4.56 倍。
3. 模型有效性验证
方差分析显示，乙酰胆碱模型 R2=0.9236，生物量模型 R2=0.9739，表明模型拟合度良好。验证实验证实预测值与实测值高度吻合，田口法在多因素优化中展现出高效性。
结论与讨论
本研究首次通过田口法系统优化植物乳植杆菌 AM2 的发酵条件，明确了营养因子与环境参数对其代谢活性的调控机制。结果表明，氮源（牛肉浸膏、蛋白胨）是乙酰胆碱合成的限速因素，而接种量与搅拌速率通过影响菌体生长状态决定生物量产出。该优化策略使乙酰胆碱与生物量显著提升，为工业化发酵提供了可复制的技术方案。
从应用前景看，提升乙酰胆碱产量有助于强化植物乳植杆菌在肠 - 脑轴调控中的作用，为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的预防与治疗提供了新方向。此外，生物量的优化可降低生产成本，缩短发酵周期，推动该菌株在益生菌制剂、功能性食品中的规模化应用。尽管研究未深入探讨高阶因子互作，但其建立的基础模型为后续采用响应面法（RSM）等进一步优化奠定了基础。
综上，该研究不仅拓展了植物乳植杆菌的功能特性认知，更通过工程化手段架起了基础研究与产业应用的桥梁，为微生物代谢优化与益生菌精准开发提供了典型范例。
