《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Optimization of
Lactiplantibacillus plantarum Cultivation Using Response Surface Methodology with Functional Validation Through Antibacterial Activity Against Foodborne Pathogens
编辑推荐：
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脱脂牛奶有助于高效培养Lactiplantibacillus plantarum。
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脱脂牛奶有助于高效培养Lactiplantibacillus plantarum。
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响应面法基于活细胞计数优化了培养条件。
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优化后的培养物仍具有对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。
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在搅拌罐生物反应器中扩大培养规模提高了细菌生物量的产量。
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优化过程证明了脱脂牛奶作为食品级培养基的潜力。
引言
Lactiplantibacillus plantarum是一种多功能的乳酸菌，由于其广泛的代谢适应性、产生细菌素以及外多糖（EPS）的生物合成能力，被广泛用于食品发酵中作为发酵剂、辅助菌种和益生菌（Kwon等人，2020年；Tao等人，2024年）。它能够在多种生态位中定殖，从植物材料到人体胃肠道，这凸显了其在食品生物技术和人类健康方面的应用价值。然而，要充分实现其工业潜力，仍需要高效、可扩展且符合食品级的生物量生产策略（Loo等人，2025年；Lim等人，2025年；Mokshin等人，2025年）。
乳酸菌的生长表现和代谢产物合成受到温度、pH值和氧气可用性等环境条件的强烈影响（Choi等人，2021年）。Lactiplantibacillus plantarum通常在中温（30–40°C）和接近中性的pH值下表现出最佳活性，尽管不同菌株之间存在差异（Bustos等人，2025年）。De Man, Rogosa, 和 Sharpe（MRS）培养基虽然营养丰富且适用于实验室培养，但成本较高，不适合大规模食品级应用（Zhang等人，2020年）。相比之下，脱脂牛奶（SM）提供了一种营养丰富、以蛋白质和乳糖为基础的基质，成本低廉、易于获取，并符合食品行业标准（Sar等人，2021年）。尽管如此，针对脱脂牛奶优化Lactiplantibacillus plantarum>生物量和功能活性的研究尚未全面展开。
统计优化技术，如响应面法（RSM），为评估多个变量的交互效应提供了强大的工具（Oslan等人，2025年）。与传统的逐个变量优化（OFAT）方法相比，RSM可以同时评估多个培养变量的单独效应和交互效应，从而提高优化效率并减少实验次数。它通过识别影响生物量和代谢产物合成的培养因素之间的交互作用来减少实验次数。中心复合设计（CCD）是最常用的RSM实验设计之一，可以通过评估选定变量之间的线性、二次项和交互效应来开发预测性二次模型（Palujam等人，2020年）。将这类方法与预测性动力学模型（包括在DMFit中实现的Baranyi–Roberts模型）相结合，可以进一步加深对工艺的理解，提供最大特定生长速率（μmax）和迟滞期长度的估计（Oslan等人，2019年；?li?ewska和Chlebicz-Wójcik，2020年）。这种综合策略为发酵过程设计提供了比传统单变量方法更全面的框架。
将优化后的培养条件从摇瓶放大到生物反应器过程中，由于曝气、剪切应力和混合动力学的差异，会带来额外的复杂性（Mustafa等人，2019年；Oslan等人，2020年）。此外，虽然抗菌活性是Lactiplantibacillus plantarum作为益生菌和生物保护剂的典型特征（Tao等人，2024年），但大多数优化研究主要集中在生物量生产上，只有在我们优化培养后才会评估其抗菌活性。此外，脱脂牛奶作为一种潜在的替代培养基也受到了广泛关注，因为它提供了支持乳酸菌生长的必需营养物质，同时为生物量生产提供了实用的选择。
尽管已有研究报道了在脱脂牛奶中培养Lactiplantibacillus plantarum并应用RSM来优化生物量生产，但这些研究主要集中在实验室规模上，且在生物反应器条件下的验证有限。此外，以往的研究通常侧重于生物量的改进，而没有全面评估生长动力学、优化后的抗菌活性或与抗菌活性相关的生物活性化合物。因此，优化培养物的可扩展性和功能表现尚未得到充分研究。为了解决这些问题，本研究将培养条件的统计优化与生长动力学分析、实验室规模生物反应器验证、针对代表性食源性病原体的抗菌活性评估、SDS–PAGE法对细菌素样蛋白的表征以及扫描电子显微镜（SEM）对细胞形态的分析相结合。这种综合方法提供了对生物量和功能特性的更全面评估，从而支持了Lactiplantibacillus plantarum》作为益生菌和天然防腐剂的潜在工业应用。
因此，本研究旨在使用响应面法（RSM）优化Lactiplantibacillus plantarum的培养条件，以温度、pH值和搅拌速度为独立变量来最大化生物量生产。优化后的培养条件在实验室规模生物反应器中进行了验证，随后进行了生长动力学分析、对选定食源性病原体的抗菌活性评估、使用SDS–PAGE法对细菌素样蛋白的表征以及通过扫描电子显微镜对细胞形态的评估。这些综合分析提供了对优化培养物的可扩展性和功能特性的全面评估，为其在食品工业中的应用提供了支持。
部分摘录
微生物制备和分子确认
Lactiplantibacillus plantarum来自马来西亚沙巴大学食品科学与营养学院的菌种库。该菌种最初从发酵酸菜中分离出来，并保存在80%（v/v）甘油溶液中，冰点为–80°C。单个菌落在De Man, Rogosa and Sharpe（MRS）琼脂平板上接种并扩增，通过重复划线获得纯培养物。在实验使用前，该菌株在37°C的MRS肉汤中经过两次传代复苏。
L. plantarum的分子确认分析
从图1可以看出，16S rDNA基因的PCR扩增结果显示阴性对照没有条带形成，表明没有污染。成功观察到约121bp的PCR产物，证实了Lactiplantibacillus plantarum的分子身份。观察到的片段大小与通用引物对785F/907R针对16S rRNA V5区域产生的扩增子大小一致（Singh等人，2020年）。
结论
本研究成功地使用响应面法（RSM）优化了L. plantarum的培养条件。最优条件（36.8°C、pH 6.27和158 rpm）使活细胞密度提高了24.27%，而在生物反应器验证中达到了9.04 log CFU/mL的最大活细胞密度。优化后的培养物仍具有对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。
作者贡献声明
Siti Nur Hazwani Oslan:撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，方法学，正式分析，概念化。 Jiun Shen Loo:撰写 – 初稿，方法学，数据管理，概念化。 Joo Shun Tan:撰写 – 初稿，方法学，调查，数据管理，概念化。 Feri Hermanto:验证，概念化。 Nurul Huda:撰写 – 初稿，方法学，概念化。
Hemalatha和Subathra，2022年；Lim等人，2024年；Prajapati等人，2024年；Sar等人，2022年。
