玉米苞叶固态发酵中环境因子与微生物互作驱动菌群演替提升微生物蛋白产量的机制研究

这篇综述系统阐述了玉米苞叶两阶段开放式固态发酵(SSF)生产微生物蛋白(MP)过程中，环境因子(温度、pH、毛细水/自由水)与微生物互作如何驱动菌群演替(MCS)。研究通过随机森林算法和共现网络模型揭示，发酵前期以芽孢杆菌(Bacillus)和曲霉(Aspergillus)为核心的功能模块受毛细水、自由水和pH调控，后期酵母菌(Saccharomyces/Cyberlindnera)主导阶段则主要受水分形态影响。该成果为定向调控玉米苞叶发酵菌群及优化微生物蛋白生产提供了理论框架。

　　

1 引言

全球人口增长导致蛋白质需求激增，玉米苞叶作为高纤维素副产品亟需高效利用。研究采用两阶段固态发酵系统，结合黑曲霉(Aspergillus niger)和酵母菌株，使真实蛋白含量提升65.12%。通过高通量测序和机器学习算法，揭示了环境参数与微生物互作调控菌群动态的机制。

2 材料与方法

实验采用CGMCC保藏的菌种，通过1000kg规模的两阶段发酵：P1阶段以黑曲霉降解纤维素，P2阶段接种酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和产朊假丝酵母(Candida utilis)。运用Illumina MiSeq测序、随机森林分析和共现网络建模，结合核磁共振(NMR)水分检测等技术，解析菌群-环境互作关系。

3 结果与讨论

3.1 两阶段发酵的理化特性变化

P1阶段黑曲霉代谢使温度升至39.23°C，pH由5.8降至3.94，滤纸酶活(FPA)呈双峰波动。水分形态分析显示毛细水占比达90%，自由水在P2阶段显著减少。这种相变直接影响了微生物的代谢途径选择。

3.2 菌群动态特征

α多样性分析表明细菌在P1阶段Chao1指数更高，而真菌在P2阶段Shannon指数提升。PCoA显示发酵阶段解释细菌群落变异的68.7%，显著高于真菌的50.9%。随机森林鉴定出15个细菌标志属(如芽孢杆菌)和15个真菌标志属(如曲霉、酵母菌)，其丰度与水分形态显著相关。

3.3 环境因子的调控作用

共现网络分析发现P1阶段61个模块中，模块1(8.89%)与毛细水(r=0.41)、自由水(r=0.21)强相关。P2阶段酵母菌与自由水正相关，而曲霉与毛细水正相关，反映水分形态通过溶解氧和底物传输调控菌群构象。

3.4 菌群演替驱动机制

酵母菌与厚壁菌门(Firmicutes)呈正协同，与变形菌门(Proteobacteria)负相关。随机森林模型证实毛细水对细菌PCoA1变异的解释度达24%，对真菌Shannon指数影响超28%，凸显其作为核心调控因子的地位。

4 结论

研究建立了"水分形态-菌群模块-蛋白产量"的调控模型，为玉米苞叶固态发酵的菌群定向改造提供了新策略。毛细水/自由水的空间分配被证明是操纵菌群演替的关键开关，这一发现对优化微生物蛋白生产工艺具有重要指导价值。