优化培养基条件下超声辅助发酵提高植物乳植杆菌L13无细胞上清液的抑菌活性

《Food Bioscience》：Ultrasound-assisted fermentation improves the antibacterial activity of Lactiplantibacillus plantarum L13 cell-free supernatant under optimized medium conditions

　　葡萄糖、酵母浸粉和色氨酸是 *L. plantarum* L13 活性的关键驱动因素。培养基优化和超声处理分别使抗菌活性提高了 32% 和 9%。抗菌活性具有 pH 依赖性，且对蛋白酶 K 敏感。RNA-seq 揭示了培养基优化和超声处理的不同响应。逐步富集的基因涉及群体感应、蛋白质转运和 ABC 转运。引言微生物污染导致的食品腐败是影响食品质量与安全的主要因素，尤其在高蛋白食品如水产品中，在储存过程中极易被腐败菌污染（Zhang et al., 2025）。*Shewanella putrefaciens*（希瓦氏菌）是冷藏水产品中的重要特定腐败菌之一，因此常被用作指示菌株，以评估天然抗菌物质对水产品相关腐败菌的抑制效果（Jia et al., 2024; Li et al., 2026）。乳酸菌来源的抗菌化合物，包括核糖体合成的细菌素，作为潜在的生物防腐剂对抗食品borne 病原体和腐败微生物引起了广泛关注（Liang et al., 2025; Woraprayote et al., 2023）。*Lactiplantibacillus plantarum*（植物乳杆菌）是最广泛研究的乳酸菌之一，具有产生多种抗菌化合物（包括细菌素）的能力。植物乳杆菌素在结构和生物合成方面具有多样性（Goel & Halami, 2023）。例如，*L. plantarum* LPL-1 被报道可产生 IIa 类细菌素（Wang et al., 2018）。在已表征的 *L. plantarum* C11 体系中，植物乳杆菌素的产生由肽介导的群体感应调控，涉及组氨酸激酶和响应调节蛋白 PlnC 和 PlnD（Zhang et al., 2022）。然而，*L. plantarum* 发酵体系的抗菌活性可能除细菌素外还涉及非蛋白质代谢物（Isaac et al., 2024; Qadi et al., 2023）。尽管乳酸菌产生的细菌素显示出可观的应用潜力，但其实际应用仍受限于产量低、菌株依赖性较强以及下游分离纯化的困难（Zhang et al., 2022）。因此，提高乳酸菌发酵体系的胞外抗菌活性对于其在食品保鲜中的潜在应用仍然至关重要（Zhao, Meng, et al., 2021）。碳氮源和培养条件对 *L. plantarum* 细菌素产生的影响已得到研究。响应面分析表明温度和 pH 是影响细菌素产量的显著因素，强调了优化培养条件的重要性（Veettil & Chitra, 2022）。除营养调控外，物理刺激越来越多地被用于调控微生物发酵。超声作为一种物理手段，已被用于调节微生物生理和发酵性能，其响应取决于处理条件和产生菌株（Manyatsi et al., 2024）。适当的超声处理已被证明可增强 *L. plantarum* 的生长和代谢活性，部分原因在于提高了膜通透性和底物摄取，从而影响发酵相关的代谢响应（Behzadnia et al., 2020; Chen et al., 2023）。超声也被越来越多地应用于增强乳酸菌相关的抗菌体系。经超声处理的 *L. plantarum* SC019 后生元对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出强抑制活性，并具有良好的储存稳定性（Luo et al., 2026）。此外，*L. plantarum* ZDY2013 的发酵液被用于超声-微波辅助合成氧化锌纳米颗粒，所得材料可有效抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Li et al., 2023）。这些研究展示了超声在制备乳酸菌衍生抗菌产品中的应用。本研究则侧重于培养过程中的超声处理以及随后收集的无细胞上清的抗菌活性。RNA 测序（RNA-seq）提供了一种基因组水平的研究方法，用于阐明营养或物理处理下与抗菌活性增强相关的转录响应。已有研究表明，*L. plantarum* 发酵体系抗菌活性的增强通常与多条功能通路的协同变化有关，包括分泌、转运、代谢和调控系统。在 NaCl 胁迫下，*L. plantarum* 细菌素活性的增强伴随着与细菌分泌、氨基酸生物合成、嘌呤代谢和双组分系统相关的转录组变化（Zhao, Zhao, et al., 2021）。在共培养体系中，*L. plantarum* ZY-1 在 *Limosilactobacillus fermentum* RC4 存在下细菌素产量的增加伴随着碳水化合物代谢、膜转运、氨基酸代谢和核苷酸代谢的变化（Zeng et al., 2025）。先前的研究已考察了苹果汁、银杏核和红枣汁中 *L. plantarum* 超声辅助发酵的情况，侧重于发酵性能和代谢或成分变化（Chen et al., 2023, 2026; Wang et al., 2021）。这些发现并未阐明在培养基优化之后超声是否提供额外的抗菌益处，或所得上清活性与 pH 依赖性、蛋白酶敏感性及转录响应之间的关系。本研究评估了三种发酵条件下 *L. plantarum* L13 无细胞上清对 *S. putrefaciens* CN32 的抗菌活性：标准 MRS 培养基、无超声处理的优化 MRS（mMRS）以及经超声处理的优化 MRS（Ultra）。这些比较旨在区分与培养基相关的变化与优化条件下超声处理的额外响应，同时将抗菌特性表征与转录组分析相结合。研究目标为：（1）优化培养基组分以增强上清的抗菌活性；（2）评估优化条件下超声处理的额外效果；（3）表征上清的 pH 依赖性和蛋白酶 K 敏感性；（4）使用 RNA-seq 和 RT-qPCR 检测相关转录响应。章节摘要2.1 菌株和培养基*L. plantarum* L13 分离自贵州卤水，保藏编号为 CGMCC No. 27398。该菌株在 37 °C 的 MRS 琼脂上活化 12 小时，然后转接至 MRS 肉汤中培养 8–12 小时至对数期作为种子培养液。MRS 肉汤每升含 20 克葡萄糖、10 克蛋白胨、10 克牛肉浸粉、5 克酵母浸粉、2 克磷酸氢二钾、5 克乙酸钠、0.1 克硫酸镁、2 克柠檬酸铵、0.05 克硫酸锰和 1 克吐温 80。pH 为3.1 培养基组分对 *L. plantarum* L13 抗菌活性的影响在所测试的碳源中，葡萄糖产生的抑菌圈直径最大，为 9.34 ± 0.57 毫米，其次是麦芽糖（9.15 ± 0.57 毫米），菊粉活性最低（图 1A）。在氮源中，酵母浸粉的抗菌活性最强（图 1B）。酪氨酸、丙氨酸和色氨酸与对照组相比显著增强了活性，其中色氨酸效果最强，而组氨酸、缬氨酸和赖氨酸无显著效果（图 1C）。相比之下，K?HPO?，4 讨论培养基优化和超声辅助发酵增强了 *L. plantarum* L13 发酵上清对 *S. putrefaciens* CN32 的胞外抗菌活性。培养基优化结果表明，葡萄糖、酵母浸粉和色氨酸是影响 *L. plantarum* L13 抗菌活性的主要营养因素。先前的研究已证明培养基组成对乳酸菌抗菌活性有显著影响，优化后的5 结论本研究开发了一种结合培养基优化和超声辅助发酵的策略，以提高 *L. plantarum* L13 发酵上清对 *S. putrefaciens* CN32 的抗菌活性。葡萄糖、酵母浸粉和色氨酸被确定为关键营养因素，适当的单次超声处理进一步提高了抗菌活性。pH 调节表明，可检测到的抗菌活性强烈依赖于酸性条件，而8 CRediT 作者贡献声明**赵千华**：撰写 – 初稿、可视化、方法学、形式分析、数据管理、概念化。**孙旦妮**：撰写 – 初稿、验证、方法学、调查研究、形式分析、数据管理。**许杰**：验证、方法学、形式分析。**胡美中**：验证、资源、调查研究。**聂润冰**：验证、调查研究。**李宗瑞**：调查研究、数据管理。**朱莹**：可视化、调查研究。**秦昆明**：资源、方法学。**刘亚男**：7 基金作者感谢以下项目的资金支持：贵州省基础研究计划（自然科学）（编号：ZK[2024]686）、连云港市科技计划（基础研究）（编号：JCYJ2324）、江苏海洋资源开发技术创新中心开放基金（编号：LWJJ-02）、江苏省高校优先学科发展项目（PAPD）。利益冲突声明作者声明不存在利益冲突。赵千华 | 孙旦妮 | 许杰 | 胡美中 | 聂润冰 | 李宗瑞 | 朱莹 | 秦昆明 | 刘亚男 | 潘赛坤 | 杨杰