通过合成微生物群落的发酵作用降解棉酚并改善脱脂棉籽粕的营养成分

《Food Microbiology》：Degradation of Gossypol and Improvement of Nutritional Components in Defatted Cottonseed Meal through Fermentation by a Synthetic Microbial Community

　　

摘要

某些微生物能够提高脱脂棉籽粉的利用效率和营养价值，脱脂棉籽粉是油料加工的副产品。在本研究中，鉴定了11种具有强棉酚降解能力的微生物菌株。通过上清液交叉喂养实验研究了这11种耐棉酚菌株之间的相互作用。基于这些相互作用，构建了28个合成微生物群落（SynComs）。对这些SynComs的发酵性能进行评估后，发现了4种核心功能菌株：YZ-1（Pichia kudriavzevii LNTJQ-1）、YZ-3（Wickerhamomyces anomalus YJQ-1）、YZ-6（Candida tropicalis TJQ-4）和YZ-7（Saccharomyces cerevisiae LNTJQ-3）。在所有测试的SynComs中，SC5（由YZ-1、YZ-3和YZ-7组成）被认为是最佳菌群。SC5将游离棉酚降解了93.82%（从1068.00 mg/kg降低到66.00 mg/kg），同时使粗蛋白含量提高了11.08%，总氨基酸含量提高了7.98%（基于干物质）。总之，筛选出具有棉酚降解能力的微生物并构建SynComs提高了脱脂棉籽粉的营养价值和利用效率，为将其开发为动物饲料资源提供了可行的解决方案。

引言

近年来，全球对可持续动物饲料成分的需求不断增加，促使人们探索非谷物饲料资源，包括油料和谷物加工副产品、微生物蛋白以及作物秸秆（Shi等，2026年）。脱脂棉籽粉（DCSM）是从棉籽中提取油脂后剩下的固体残渣，是一种产量高且蛋白质含量丰富的宝贵副产品。DCSM每年可生产约1000万吨蛋白质，足以满足全球5亿多人的蛋白质需求（Kumar等，2021年）。然而，目前棉籽蛋白仅占全球蛋白质供应量的约5%（Lv等，2025年；Yan, Li等，2025年）。这种有限的利用主要归因于DCSM存在的几个问题，如适口性差、消化率低以及含有游离棉酚等抗营养因子。游离棉酚会对动物的生长、发育和生殖健康产生不利影响，从而限制了其作为饲料成分的应用（Shang等，2026年）。

传统的游离棉酚解毒方法（物理和化学方法）往往效率低下，会导致大量营养损失，并具有较高的环境风险；因此，开发绿色高效的生物解毒技术至关重要。生物方法被广泛认为是去除游离棉酚和提高DCSM营养价值的最优途径。这些方法不仅成本效益高且安全，还能增加蛋白质和必需氨基酸的含量，并改善饲料的适口性。近年来，它们在DCSM的解毒过程中得到了广泛应用（Yan, Li等，2025年）。其中，固态发酵可以有效降解抗营养成分，提高营养含量并产生有益的代谢产物（X. Zhang, Miao, Pan等，2023年）。据报道，Bacillus属（Z. Zhang等，2022年）、Lactobacillus属（Lv等，2024年）和真菌（S. Wang等，2024年；L. Zhang等，2024年）能够有效降解棉酚。人类消费的游离棉酚安全限量为200 mg/kg，而动物饲料的安全限量为100–500 mg/kg（Lv等，2025年）。从粪便中分离出了36株Bacillus coagulans菌株，发现它们具有棉酚降解能力。经过优化发酵条件后，Bacillus coagulans S17可将游离棉酚含量从923.80 mg/kg降低到167.90 mg/kg，降解率为81.83%，被确定为最佳菌株（Z. Zhang等，2022年）。从DCSM中分离出了8株具有棉酚降解能力的菌株。Meyerozyma guilliermondii WST-M1对DCSM的发酵将游离棉酚含量从1228.64 mg/kg降低到310.84 mg/kg，降解率为74.70%（S. Wang等，2024年）。单株菌株对原料组成的变化敏感，需要严格的无菌条件以防止污染，这会增加运营和资本成本。因此，使用由安全菌株组成的合成微生物群落（SynComs）是一个有前景的解决方案。

SynComs可以通过自上而下（定向驯化）和自下而上（人工合成）的方法来构建（Lawson等，2019年）。自上而下的方法从天然或现有的微生物群落开始，通过环境筛选、干扰或工程改造简化或优化其功能，最终获得具有设定性能的SynComs。另一种方法是从特定菌株开始有目的地选择和组装，以构建具有预定义功能的SynComs（Ruan等，2024年）。理想情况下，将来自不同发酵系统的功能不同的微生物整合到一个模型微生物群落中是可行的。然而，这种方法可能会忽略对整个系统至关重要的关键物种和特定相互作用（Nikoloudaki等，2024年）。因此，在发酵过程中考虑SynComs的复杂生物过程和相互作用（包括协同作用和竞争作用）是必要的。值得注意的是，微生物代谢产物会影响微生物群的稳定性和功能，从而影响整个发酵过程（Jing等，2024年；Sun等，2025年）。在龙舌兰汁的发酵过程中，酵母之间的相互作用显著影响了发酵效率。Saccharomyces cerevisiae和Pichia kluyveri的共同发酵使异戊酰 acetate和乙酰 acetate的含量增加了2–3倍（Barbosa-Hernández等，2026年）。

本研究的目的是构建一个多样性高且功能稳定的SynCom，具有高效的棉酚降解能力，从而减轻DCSM中抗营养因子的不利影响，支持其作为动物饲料原料的替代方案。我们实验室之前筛选出的11种具有棉酚降解能力的菌株被用于研究它们的相互作用，以了解其各自的棉酚降解能力。通过上清液交叉喂养实验评估了菌株间的相互作用，并构建了28个SynComs。根据群落组成计算了促进频率（PF），并评估了发酵性能以确定核心功能菌株。生化实验测定了游离棉酚、粗蛋白、蛋白消化率、小肽、还原糖和总糖的含量。响应面法用于优化固态发酵条件，为将DCSM开发为动物饲料资源提供了实际支持。

节选

材料、试剂和微生物菌株

DCSM购自河北省石家庄市灵秀兴德农产品有限公司。DCSM经过机械粉碎并通过40目标准筛网过滤。在65°C下干燥至恒重后，样品被收集并储存在4°C下。棉酚 acetate（纯度≥98%）购自中国陕西省东和福生物技术有限公司。胃蛋白酶和胰蛋白酶购自北京Solarbio科技有限公司。

耐棉酚菌株的筛选和降解能力评估

当将25株菌株培养在耐棉酚培养基平板上时，有11株菌株表现出正常生长（表S1），表明它们具有棉酚降解能力。进一步评估了这11株菌株的棉酚降解能力和生长表现（图S1）。所有11株菌株在48小时内达到生长平台期，此时棉酚降解效率也达到峰值。因此，后续分析在48小时时间点进行。平均

结论

本研究筛选出了11种具有棉酚降解能力的菌株，并根据交叉喂养实验的结果构建了28个SynComs。确定了4种关键菌株（YZ-1、YZ-3、YZ-6和YZ-7），SC5在响应面优化的条件下表现出稳定的棉酚降解能力和改善的营养价值。这些发现强调了在研究过程中考虑微生物相互作用而非随机组合的必要性。

CRediT作者贡献声明

Yongjun Wei：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取、数据管理、概念构思。 Zhanqiang Yan：撰写——初稿撰写、可视化、方法设计、资金获取、数据分析。 Xiaolong Ma：可视化、研究、数据管理。 Yibei Wan：软件开发、数据管理。 Ivan Mijakovic：撰写——审稿与编辑。 Lingbo Qu：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、研究。 Lei Shi：撰写——审稿与编辑。 Ying Zhang：撰写——审稿

Zorn等，2024年；Yan等，2025年；Zhang等，2023年。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可应要求提供。

本研究得到了河南省自然科学基金（项目编号242300421097）、河南省教育厅高校科技创新人才计划（项目编号25HASTIT057）、棉花生物育种与综合利用国家重点实验室（项目编号CBIU2023ZZ06、CB2024A30、CB2025A37和CBIU2023ZZ09）、河南省青少年自然科学基金（项目编号262300422734）以及诺和诺德基金会的资助。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

Zhanqiang Yan|Xiaolong Ma|Yibei Wan|Lei Shi|Ying Zhang|Ivan Mijakovic|Lingbo Qu|Yongjun Wei 郑州大学化工学院、药学院，中国郑州450001