基于牛血的循环生物加工技术，用于生产肽类抗菌剂和抗生物膜剂

《Bioresource Technology》：Circular bioprocessing of bovine blood for peptide-based antimicrobial and antibiofilm agents

牛血废弃物微生物发酵制备新型抗菌肽及生物膜抑制策略研究。通过发酵咖啡豆来源的三株菌株（T. delbrueckii、L. plantarum、B. coagulans）生成多肽水解物，发现T. delbrueckii发酵产物（BBPH1）对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌具有最强抑制活性，并鉴定出五种新型抗菌肽。本研究为牛血废弃物资源化及可持续抗菌肽开发提供新策略。

　　

甘慧（Gan Huey）、阿西夫·阿里·巴特（Asif Ali Bhat）、李宝宏（Bao-Hong Lee）、施明奎（Ming-Kuei Shih）、尹丽君（Li-Jung Yin）、田友琳（You-Lin Tain）、陈宇伟（Yu-Wei Chen）、施幼清（Yeu-Ching Shi）、侯志尧（Chih-Yao Hou）

台湾高雄科技大学水圈学院海鲜科学系，高雄 81157

摘要

屠宰场产生的牛血积累日益严重，这不仅是一个重大的环境挑战，也是一份未被充分利用的生物资源。为了解决这一问题，我们评估了三种从发酵咖啡豆中分离出的起始菌株（Torulaspora delbrueckii、Lactiplantibacillus plantarum 和 Bacillus coagulans）生成牛血肽水解物（BBPHs）的能力。所得到的肽水解物对多重耐药病原体（包括Pseudomonas aeruginosa、Staphylococcus aureus 和 Candida albicans）表现出强大的抗菌和抗生物膜活性。其中，由 T. delbrueckii 产生的水解物（BBPH1）显示出最强的生物活性。通过纯化和液相色谱-串联高分辨率质谱（LC-HRMS）对 BBPH1 进行肽谱分析，发现了五种此前未报道的抗菌肽，并验证了其针对目标病原体的生物活性。我们的研究结果表明，通过微生物发酵牛血可以产生具有功能性价值的肽片段，这支持了将屠宰场副产品转化为可持续抗菌产品开发途径的可行性，并推动了循环经济理念的实现。

引言

废物管理对工业运营构成了重大挑战，而推进可持续发展对于环境保护至关重要（Ashilenje 等，2026）。屠宰场产生的牛血是主要的废物来源之一（Palatsi 等，2011）。根据粮农组织的统计，2021 年将有超过 3.3 亿头牛被屠宰，相当于数百万吨的血液（Orzechowski，2024）。这种废物的不当处理会引发严重的环境问题，因为其高化学需氧量可能导致严重的水污染和含水层污染（Ojekunle 和 Lateef，2017）。因此，从传统的线性处理方式转向循环经济框架对于减少废物至关重要。利用牛血的内在生化潜力提供了一种可持续且有价值的替代方案，以缓解这一重大环境问题（Abou-Diab 等，2020a）。牛血因其高蛋白质、氨基酸、维生素、微量元素和生物活性化合物含量而成为有价值的底物，适用于食品、制药和生物医学领域的再利用（Cao 等，2025）。以往的研究主要集中在通过酶水解从血液蛋白中生成生物活性肽，例如从牛血红蛋白中提取的抗菌肽（Bah 等，2016；Nedjar-Arroume 等，2006；Wang 等，2024）。然而，这种方法受到纯化酶成本高昂、维持酶活性所需严格操作条件以及放大生产困难的限制（Guo 等，2018）。相比之下，微生物发酵提供了一种更简单、可能更具经济性的方法，它利用内源性微生物蛋白水解系统在温和条件下进行反应，无需外部提供酶（Agyei 和 Danquah，2011）。此外，微生物发酵已被证明能够将富含蛋白质的生物废物转化为高价值产品（Chilakamarry 等，2022）。 微生物发酵富含蛋白质的底物已成为生产具有抗菌和抗生物膜特性的生物活性肽水解物的有效途径（Saubenova 等，2025）。在此过程中，微生物蛋白酶和肽酶将大分子前体蛋白分解为较短肽段（Christensen 等，2022），其中一些肽段通过破坏细胞膜、干扰代谢或干扰生物膜形成发挥抗菌作用（Gagandeep 等，2024；Yasir 等，2018）。例如，由 Lactobacillus rhamnosus 发酵的初乳乳清产生了 10 kDa 的肽片段，能够抑制产肠毒素的 E. coli 菌株（Kashyap 等，2023）。同样，从大米种子中提取的蛋白质水解物对 Pseudomonas aeruginosa 和 Staphylococcus aureus 具有抗菌活性，并通过抑制群体感应和色素生成表现出显著的抗生物膜效果（Corrêa 等，2023）。这些研究表明，利用发酵产生的肽水解物作为针对临床和形成生物膜的病原体的天然方法具有可行性。微生物发酵过程中产生的肽谱具有高度的微生物特异性，反映了细菌、真菌和酵母所采用的多种蛋白水解机制，从而形成了不同的肽谱（LeBlanc 等，2002）。这种特异性使得通过选择合适的起始菌株来实现精准发酵策略成为可能，从而优化高价值生物活性肽的生物合成。特别是，从咖啡豆等特殊发酵环境中分离出的非传统菌株（如 Torulaspora delbrueckii、Lactiplantibacillus plantarum 和多种 Bacillus 物种）显示出益生菌特性，并具有生成抗菌化合物的能力（Elhalis 等，2023；López-Palestino 等，2025）。同时，将屠宰场副产品（如牛血）进行再利用符合循环生物加工的原则，将废物转化为高价值的功能性材料，减轻环境负担（Alibekov 等，2024）。在本研究中，我们评估了三种从咖啡豆中分离出的菌株（Torulaspora delbrueckii、Lactiplantibacillus plantarum 和 Bacillus coagulansP. aeruginosa、S. aureus 和 C. albicans 进行比较，并通过分馏和 LC-HRMS 肽谱分析来鉴定具有生物活性的候选物质。通过展示一种用于屠宰场血液再利用的微生物发酵途径，本研究旨在提供一种实用的循环经济策略，以生产适用于感染控制和生物医学应用的天然肽基抗菌剂。

牛血收集

新鲜的牛血来自台湾的荷斯坦弗里斯安牛（Bos taurus），在商业屠宰场按照标准操作程序采集。血液在冷链条件下运输到实验室后，分装并储存在 ?20°C 下，待进一步处理。

发酵菌株和指示病原体

用于发酵的起始菌株是从自然发酵的咖啡豆中分离出来的，由 Bio?X?Biotech Co., Ltd.（台湾台北）提供。具体菌株包括 Torulaspora delbrueckii

盘扩散试验

使用盘扩散试验对 BBPH 制剂的抗菌效果进行了初步评估，以评估其对代表性病原体（包括 P. aeruginosa、S. aureus 和 C. albicans）的抑制潜力（Cui 等，2021）。氯霉素（100 μg/mL）和环己亚胺（100 μg/mL）作为阳性对照，未发酵的 BBPH 样本作为阴性对照（图 1）。所有经过微生物发酵的 BBPH 都产生了明显的抑制圈。

结论

本研究展示了一种可持续的生物再利用策略，即通过靶向微生物发酵将未得到充分利用的屠宰场副产品牛血转化为生物活性肽水解物。在评估的三种咖啡豆来源的起始菌株中，T. delbrueckii 发酵产生的 BBPH1 对 P. aeruginosa、S. aureus 和 C. albicans 表现出最强的抗菌和抗生物膜活性。在序贯生物测定和超滤的指导下...

统计分析

所有实验至少重复三次，数据以平均值 ± 标准差（SD）的形式呈现。统计差异通过单因素方差分析（ANOVA）进行分析，随后使用 Duncan 多重范围检验进行事后比较。p 值 < 0.05 被认为具有统计学意义。分析使用 IBM SPSS Statistics（版本 24.0；SPSS Inc., Armonk, NY, USA）进行。

伦理声明

本研究未涉及人类参与者或动物，因此不需要伦理批准。所有实验均使用从屠宰场获得的牛血作为废物进行，没有动物因本研究而受到伤害或牺牲。

CRediT 作者贡献声明

甘慧（Gan Huey）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。 阿西夫·阿里·巴特（Asif Ali Bhat）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写。 李宝宏（Bao-Hong Lee）：资源获取、方法论设计、实验研究、概念构思。 施明奎（Ming-Kuei Shih）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证。 尹丽君（Li-Jung Yin）：验证、实验监督、软件使用。 田友琳（You-Lin Tain）：方法论设计、实验研究。 陈宇伟（Yu-Wei Chen）：方法论设计、实验研究。 施幼清（Yeu-Ching Shi）：写作 – 审稿。

资助

本研究得到了中华人民共和国科学技术部（MOST）（授权号 113–2622-E-992–014 和 114–2622-E-992–013）和 Bio?X?Biotech Co., Ltd. 的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究。

致谢

作者感谢所有参与本研究的实验室成员，以及高雄科技大学的 HOU-LAB 团队的协助。