利用天然*Streptococcus infantarius*和*Bacillus coagulans*从啤酒糟中生产L-乳酸的整合预处理与发酵策略

《Journal of Chemical Technology & Biotechnology》：Integrated pretreatment and fermentation strategies for L-lactic acid production from brewers' spent grain using native Streptococcus infantarius and Bacillus coagulans

　　

背景：啤酒糟（BSG）是啤酒工业中丰富的木质纤维素副产物，作为乳酸（LA）生物技术生产的可再生底物具有巨大潜力。本研究评估了整合预处理、酶水解和发酵策略，以利用天然*Streptococcus infantarius*和嗜热*Bacillus coagulans*菌株从BSG高效生产光学纯L-乳酸（L-LA）。
结果：研究人员对来自两个来源的BSG样品分别进行热、热/酸和热/碱预处理，随后使用商业纤维素酶和半纤维素酶进行酶糖化。热/酸预处理是最有效的策略，促进了木质纤维素基质的广泛破坏并增强了可发酵糖的释放，同时将抑制剂浓度维持在适合微生物发酵的水平。*S. infantarius*在碱性条件下显示出有限的糖利用率和相对较低的LA生产率。相比之下，*B. coagulans*菌株有效共发酵BSG水解产物中的己糖和戊糖，在存在预处理衍生抑制剂的情况下，实现了高达0.82?g?g^?1的L-LA产率、高达0.74?g?L^?1?h^?1的容积生产率和超过99%的光学纯度。
结论：热/酸预处理与代谢稳健的*B. coagulans*菌株的结合使得BSG能够可持续转化为高价值光学纯L-LA。这些发现支持在整合生物精炼和循环生物经济框架内对啤酒副产物进行增值化。? 2026 作者。《Journal of Chemical Technology and Biotechnology》由John Wiley & Sons Ltd代表化学工业协会（SCI）出版。

**研究背景、存在问题与研究目的**
当前，线性生产模式带来的环境负担、对食品级原料的竞争压力以及可再生资源高效利用的需求，推动了对农业工业残余物进行高附加值化合物可持续生产的研究。啤酒糟（Brewers' spent grain, BSG）是啤酒工业中最主要的固体副产物，约占酿造总废物的85%，每年全球产量达数百万吨。BSG是一种富含纤维（约70%）和蛋白质（约20%）的木质纤维素材料，其纤维组分主要由阿拉伯木聚糖、纤维素和木质素构成，使其成为生物精炼平台生产生物能源和生物基化学品极具潜力的原料。然而，BSG的增值化通常需要通过物理化学预处理破坏木质纤维素基质释放可发酵糖，随后进行酶水解。预处理过程可能产生抑制化合物（如糠醛、羟甲基糠醛（HMF）和酚类衍生物），影响微生物生长和发酵性能。因此，需要开发有效的预处理策略，以实现高糖释放的同时控制抑制剂浓度，并结合能够耐受抑制物并高效共发酵己糖和戊糖的微生物菌株，从而高效生产光学纯L-乳酸（L-LA）。乳酸（Lactic acid, LA）是一种手性分子，存在L-和D-对映体，在食品、医药和材料领域（如聚乳酸（PLA）生产）有广泛应用。*Bacillus coagulans*因其嗜热、低pH生长、高效共发酵己糖和戊糖生成光学纯L-(+)-LA以及耐受抑制物的特性而受到关注。此外，天然*Streptococcus infantarius*菌株具有代谢阿拉伯木聚糖的能力，可减少对游离糖或淀粉的依赖。本研究旨在评估和比较不同的物理化学预处理策略，以增强BSG中可发酵糖的生产，并利用两种具有不同代谢能力的微生物（*S. infantarius*和*B. coagulans*）评估水解产物的可发酵性，分析其发酵性能及在啤酒工业副产物可持续生产LA中的潜力。该论文发表在《Journal of Chemical Technology》。

**主要技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：（1）对两种来源的BSG（BSG-FQ来自墨西哥Grupo Modelo，BSG-ATB来自德国波茨坦当地啤酒厂）进行热、热/酸（1% H₂SO₄）和热/碱（1% NaOH）预处理，均在121°C、15分钟条件下进行；（2）使用商业酶制剂（Cellic^? CTec3和Cellic^? HTec2）进行酶水解（50°C，48小时）；（3）通过DNS比色法和高效液相色谱（HPLC）表征水解产物中的总糖、单糖（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）及抑制物（糠醛、HMF、儿茶酚）浓度；（4）分别进行*S. infantarius* ssp. 25?124在碱性条件（pH 9和10）下的分批发酵，以及*B. coagulans*菌株A162和A166在pH控制（pH 6.0）和50°C下的分批发酵，监测糖消耗、LA产量和光学纯度。样本队列来源明确：BSG-FQ由墨西哥Grupo Modelo提供，BSG-ATB由德国波茨坦当地啤酒厂提供；*S. infantarius*分离自墨西哥传统发酵饮料Pozol，*B. coagulans*菌株A162和A166为实验室保藏菌株。

**研究结果**

**BSG-FQ和BSG-ATB的成分分析**
通过ANKOM 2000纤维分析仪（Van Soest法）测定，两种BSG样品的半纤维素含量（BSG-FQ: 48.5%干重，BSG-ATB: 42.1%干重）显著高于文献平均值（约30.6%），纤维素含量（BSG-FQ: 27.2%，BSG-ATB: 17.7%）与文献相当，而木质素含量（两种样品均为7.6-7.7%干重）明显低于常规报道。研究人员得出结论：高半纤维素和低木质素含量有利于增加可发酵结构碳水化合物（特别是戊糖）的可用性，并降低生物质顽抗性，从而可能采用更温和的预处理条件并减少抑制物形成。

**水解产物表征**
研究人员比较了不同预处理策略对糖释放和水解产物质量的影响。热/酸预处理表现出最高效率，促进了半纤维素大量解聚和结构碳水化合物增溶，显著提高了后续酶水解的可及性。在热/酸条件下，葡萄糖和木糖是主要单糖，48小时水解后达到最大浓度；阿拉伯糖浓度相对较低，可能因酸性条件下的降解或难水解的阿拉伯木聚糖结构所致。糖化率数据显示：热/酸预处理使纤维素→葡萄糖转化率达到90.75%，半纤维素→木糖转化率达到39.23%，均高于其他预处理。抑制物分析表明，热/碱预处理几乎未产生抑制物（HMF、糠醛、儿茶酚浓度极低），而热/酸预处理产生了较高浓度的抑制物（HMF 14.7 mg L^?1，糠醛37.3 mg L^?1，儿茶酚316.3 mg L^?1），但仍在可发酵范围内。研究人员认为，热/酸预处理因其早期糖释放、减少酶需求和支持下游发酵的潜力，成为BSG生物技术增值最有效可行的策略。

**BSG的发酵**

***S. infantarius* ssp. 25?124的发酵**
研究人员使用BSG-FQ酸水解产物（初始总糖46.3 g L^?1），在初始pH 9和10条件下进行*S. infantarius*分批发酵（无pH控制）。结果显示，发酵动力学受初始pH显著影响：pH 9条件下pH持续下降，而pH 10条件下初期快速酸化后趋于稳定。LA产率（Y_LA/S）分别为0.61和0.67 g g^?1，容积生产率（Q_LA）分别为0.15和0.20 g L^?1 h^?1。50小时后约三分之一糖未被消耗，表明底物利用率有限。研究人员认为，由于缺乏pH控制和碱性条件下的代谢限制，该菌株的发酵性能相对较低。因此，后续实验选择*B. coagulans*。

***B. coagulans*菌株A162和A166的发酵**
研究人员首先在合成培养基（初始总糖80 g L^?1，葡萄糖30 g L^?1 + 木糖50 g L^?1）中进行发酵，48小时内底物完全消耗，菌株A162和A166的Y_LA/S分别为0.71和0.76 g g^?1，Q_LA分别为1.20和1.28 g L^?1 h^?1。随后使用BSG-ATB热/酸酶水解产物（初始总糖46.2 g L^?1）进行发酵，50小时内糖完全消耗，Y_LA/S分别提高到0.79和0.82 g g^?1，但Q_LA降至0.73和0.74 g L^?1 h^?1。研究人员指出，较高的Y_LA/S归因于代谢流更少转向副产物，而较低的Q_LA则与初始糖浓度较低和抑制物存在有关。两种菌株均同时消耗葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，证实了其己糖-戊糖共发酵能力。光学纯度分析显示，两种发酵系统中L-LA光学纯度均超过99%（合成培养基中99.5%，BSG水解产物中99.6%），表明底物复杂性不影响立体选择性。

**结论总结与讨论**
研究人员在讨论中指出，*B. coagulans*菌株的代谢稳健性、对木质纤维素衍生抑制物的耐受性以及共发酵能力使其特别适用于BSG增值化。与*S. infantarius*相比，*B. coagulans*表现出更高的糖利用率和LA产量。热/酸预处理与*B. coagulans*的结合实现了BSG向高光学纯度L-LA的高效转化。结论部分（论文CONCLUSION）翻译如下：
这项工作证明了通过结合物理化学预处理、酶水解和微生物发酵的整合生物技术方法，将BSG转化为增值LA的可行性。所评估BSG样品的成分特征，特别是其高半纤维素含量和相对较低的木质素比例，证实了它们作为生物精炼原料的适用性。在评估的预处理策略中，热/酸预处理在破坏木质纤维素基质方面最为有效，能够早期并增强可发酵糖的释放，同时产生与发酵相容的抑制剂浓度。该方法减少了酶依赖，支持了高效下游加工，使其成为研究条件下BSG增值最可行的选项。乳酸菌发酵性能受所选微生物代谢能力的强烈影响。虽然天然*Streptococcus infantarius*菌株表现出对碱性条件的耐受性和对BSG衍生糖的部分利用，但其LA生产率和底物转化效率有限。相比之下，*Bacillus coagulans*菌株A162和A166表现出稳健的发酵行为，有效共发酵BSG水解产物中的己糖和戊糖，耐受预处理衍生抑制物，并以高产率和优异光学纯度（>99% L-LA）生产LA。总体而言，优化的热/酸预处理与代谢灵活的*B. coagulans*菌株的结合，使得从啤酒副产物中可持续生产光学纯LA成为可能。这些发现强化了BSG作为循环生物经济框架内可再生碳源的潜力，并为未来工艺优化和工业规模放大提供了坚实基础。