电驱动发酵技术革新：破解乳酸菌代谢限制的可持续食品工业新路径

针对乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)传统发酵代谢效率低、需氧培养成本高的问题，研究人员提出电发酵技术，通过电极介导的厌氧呼吸替代有氧代谢。该研究实现了>60%的菌体产量提升和>90%的冷却成本降低，为食品工业提供了无需血红素(heme)和氧气的可持续解决方案，相关成果发表于《TRENDS in Biotechnology》。

　　

在食品工业中，乳酸菌(Lactic Acid Bacteria, LAB)如同看不见的魔术师，将牛奶转化为奶酪、酸奶等美味。其中乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)作为"明星菌种"，每年参与全球四分之一牛奶的发酵。然而这个微小工人存在先天不足——其发酵代谢模式能量产出低下，传统解决方案需要添加血红素(heme)和持续供氧来激活有氧呼吸，这不仅增加生产成本，还面临宗教饮食限制(如清真/犹太认证)和素食主义者的抵触。更棘手的是，氧气在粘稠食品基质中的传递效率极低，使得工业化放大举步维艰。

德国亥姆霍兹环境研究中心(UFZ)微生物生物技术系的研究团队独辟蹊径，开发出"生物电化学驱动"的替代方案。他们通过适应性实验室进化获得一株能利用铁氰化物(ferricyanide)作为电子受体的L. lactis突变株，结合电解槽连续再生氧化态介质，构建出无需氧气的"电发酵"系统。这项突破性研究发表在《TRENDS in Biotechnology》上，展示了一条颠覆传统食品发酵技术的新路径。

研究采用三项核心技术：1) 适应性实验室进化培育高效电子转移菌株；2) 铁氰化物介导的细胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer, EET)系统构建；3) 电解槽-发酵罐耦联工艺设计。通过比较基因组分析锁定menaquinone合成通路的关键作用，实现了11 mmol_e-/g_CDw/h的EET速率。

主要研究发现
Redox constraints of lactic acid bacteria
研究揭示LAB的代谢瓶颈源于NADH/NAD⁺平衡限制。传统发酵中，每分子葡萄糖仅产生2分子ATP，而呼吸代谢可通过氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)提升至3分子。

Anode-driven anaerobic growth of L. lactis
进化菌株CS4363-F2在50 mM铁氰化物下实现0.9 h^-1比生长速率，生物量得率达39 g_CDw/mol_glucose，媲美高浓度heme(2 μg/ml)的有氧培养。电化学再生系统使介质用量降低90%，仍维持21 g_CDw/mol_glucose的产量。

Prospective technical concept
提出的电解槽-种子罐耦联方案，理论上可使200 m³发酵罐的生物质生产率提升65%，同时回收呼吸电子生产氢气(6.5 kg/h)，冷却能耗降低90%。

这项研究的意义不仅限于食品工业。其揭示的高效EET机制为改造谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)等工业菌株提供了模板，而"氧化还原不平衡发酵"概念突破了生物合成的化学计量限制。正如作者Lars M. Blank指出，该技术已具备生物制造就绪度(BioMRLs)2-3级，下一步需要中试规模验证和全生命周期评估(LCA)。当电发酵技术遇上传统发酵罐，一场静悄悄的食品工业革命正在酝酿——不用冒泡的氧气，只需流动的电子。