微生物超声辅助发酵提升玉米加工副产物价值的机制研究：群落演替与代谢变化

为解决玉米加工副产物（玉米蛋白粉-玉米秸秆混合物CCM）资源浪费和环境污染问题，研究人员通过超声辅助发酵技术（50?W/L和100?W/L）结合黑曲霉（Aspergillus niger）和发酵乳杆菌（Limosilactobacillus fermentum），显著降解大分子物质（如玉米醇溶蛋白）并提升可溶性蛋白（6.79倍）和总氨基酸（1.44倍），同时增强抗氧化活性。该研究为农业副产物高值化利用提供了新策略。

　　

每年全球产生超过50亿吨农业副产物，其中玉米加工副产物如玉米蛋白粉（CGM）和玉米秸秆（CS）因难降解、利用率低，常被焚烧或填埋，造成资源浪费和环境污染。CGM虽含60%蛋白质，但水溶性差且缺乏赖氨酸和色氨酸；CS的致密纤维结构则阻碍消化吸收。传统发酵技术存在周期长、效率低等问题。如何高效转化这些副产物成为高附加值资源，是当前研究的难点。

为解决这一问题，吉林农业大学国家小麦玉米深加工工程实验室的研究团队创新性地将超声辅助发酵技术应用于玉米蛋白粉-玉米秸秆混合物（CCM）的发酵过程，结合黑曲霉（Aspergillus niger）和发酵乳杆菌（Limosilactobacillus fermentum），系统探究了微生物群落演替与代谢变化的机制。相关成果发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上。

关键技术方法
研究采用超声辅助发酵（功率密度50?W/L和100?W/L）结合高通量测序（HTS）和非靶向代谢组学技术，分析CCM发酵过程中的微生物群落结构、代谢物变化及功能通路。通过扫描电镜（SEM）和能量色散谱（EDS）观察微观结构，结合酶活性测定和抗氧化能力评估，全面解析超声对发酵效率的提升作用。

研究结果

1. 微生物与理化性质
超声辅助发酵显著促进黑曲霉（ergosterol含量增加）和发酵乳杆菌（活菌数提升）的生长，pH从5.68降至4.05，抑制腐败菌。酶活性分析显示，蛋白酶和纤维素酶活性分别提升5.09倍和5.74倍，促进大分子降解。SDS-PAGE证实玉米醇溶蛋白（15–55?kDa）被有效分解，可溶性蛋白（TCASP）和总游离氨基酸（TFAA）分别增加6.79倍和1.44倍。

2. 储存稳定性与抗氧化能力
酸性环境抑制脂肪酶活性，丙二醛含量降低58.77%，延长货架期。总酚类、黄酮类和还原糖含量分别提升3.96倍、0.94倍和9.5倍，DPPH和ABTS自由基清除活性显著增强。

3. 形态结构
SEM显示超声处理后CCM颗粒尺寸减小、孔隙率增加，EDS分析表明氮元素含量上升（AT%从27.65增至32.61），碳元素下降，反映微生物对纤维素的利用。

4. 微生物群落演替
高通量测序揭示核心功能菌群为乳酸菌（Limosilactobacillus、Pediococcus）和真菌（Pichia、Aspergillus），有害菌（如Pantoea、Alternaria）丰度降低。环境酸化驱动群落向耐酸物种转变。

5. 代谢功能与通路
KEGG和MetaCyc预测显示，碳水化合物代谢（PPP、TCA循环）和氨基酸合成通路（赖氨酸、色氨酸）上调。代谢组学检测到86种差异代谢物，包括B族维生素（如核黄素）、抗氧化酚类（如阿魏酸）及神经活性物质（如5-羟色胺）。

结论与意义
该研究阐明了超声辅助发酵通过调控核心功能微生物（如乳酸菌和黑曲霉）的代谢网络，实现CCM的高效降解与高值转化。环境酸化是驱动群落演替的关键因素，而代谢通路的优化（如氨基酸合成和抗氧化物质积累）显著提升了CCM的营养价值和功能性。研究为农业副产物的资源化利用提供了理论依据和技术支撑，对推动绿色农业和循环经济发展具有重要意义。