基于合成微生物群落的两阶段序贯固态发酵提高甘蔗干叶短链脂肪酸产量

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Two-phase sequential solid-state fermentation based on a synthetic microbial community enhances short-chain fatty acid production from sugarcane dry leaves

　　

摘要

甘蔗干叶（SDL）因其致密的木质纤维素结构及低消化率而在饲料和食品工业中利用不足，需进行生物转化。Trichoderma erinaceum（猬皮拟青霉）能分泌高效纤维素酶，是一种极具前景的降解菌，但传统发酵易受批次差异和污染影响，而单一菌株的代谢能力有限。因此，本研究引入合成微生物群落并开发了两阶段序贯发酵工艺：第一阶段为5天的好氧发酵，利用Trichoderma erinaceum水解纤维素；第二阶段为5天的厌氧发酵，接种Kluyveromyces marxianus（马星汉逊酵母）、Lactiplantibacillus plantarum（植物乳杆菌）和Limosilactobacillus fermentum（发酵片球菌）以积累有机酸。好氧阶段后，A组（好氧-厌氧两相发酵联合合成菌群）相比对照组（CK），中性洗涤纤维（干物质基础）降低3.91%，酸性洗涤纤维（干物质基础）降低4.59%。厌氧阶段后，A组粗蛋白增加10.49%，乳酸（LA）增加18.65%，乙酸（AA）增加291.09%。宏基因组分析显示，好氧阶段乳酸升高与K. marxianus富集相关，厌氧阶段乳酸/乙酸积累伴随Lentilactobacillus（小片乳杆菌属）富集，GH（糖苷水解酶）富集与纤维降解相关。非靶向代谢组学鉴定出3264种差异代谢物，包括上调的藻酸（zosteric acid）、3-羟基肉桂酸、环(Pro-Arg)和carquinostatin A，这些代谢物与抗菌、风味、抗氧化相关，且与Lentilactobacillus正相关；4-氨基丁酸积累与Lentilactobacillus耐酸性增强相关，从而间接促进乳酸和乙酸的生成。总体而言，这种两阶段序贯固体发酵结合合成微生物群落的策略，有效将甘蔗干叶转化为富含有机酸的生物质，为循环生物经济下高附加值饲料和功能性食品原料的开发提供了一条可行途径。

引言

在全球资源循环利用和食品工业可持续发展的背景下，开发高附加值和功能性食品原料已成为食品科学与技术的重要方向。据统计，从2000年到2022年，全球主要作物总产量达到96亿吨，其中甘蔗占比最高（约20%，19亿吨）（《世界食物和农业 - 统计年鉴》，2024）。作为世界第三大甘蔗生产国，中国年产量约1亿吨，在全球甘蔗产业中占据重要地位（FAO, 2020）。甘蔗（Saccharum officinarum L.）收获后会产生大量叶片，可分为新鲜叶片和甘蔗干叶（SDL）。其中，干叶纤维结构致密且抗消化能力强，导致其在食品加工中利用率低，难以实现功能化整合，直接转化为食用成分具有挑战性（Menandro等, 2017）。因此，亟需通过生物转化策略将这些高纤维、低价值的农业副产品转化为富含有机酸和蛋白质的功能性食品原料。

微生物固体发酵（SSF）技术能有效去除不可利用因素，提高蛋白质、有机酸和生物活性物质的含量与多样性，提升底物的利用价值，已广泛应用于农业副产品的高值化利用（Xie等, 2024；Yan等, 2025, Yan等, 2022）。研究表明，用Calocybe indica（印度大球盖菇）对甘蔗渣进行56天SSF可将粗蛋白含量提高104.1%，体外干物质消化率提高38.8%（Khan等, 2024）。类似地，甘蔗叶的SSF可产生富含蛋白质的产品、酶制剂和有机酸，通过微生物作用实现生物质向高价值食品原料的转化。然而，传统发酵常因原料差异、环境波动和污染而导致批次变异和效率不稳定（Skowron等, 2022）。此外，单一菌株缺乏高效降解复杂底物和协同多产物合成的代谢能力（Govindaraju等, 2026）。为克服这一局限，合成微生物群落（SynComs）的概念作为微生物生态学和食品发酵的研究前沿应运而生（Gro?kopf & Soyer, 2014）。SynComs是在受控条件下将两种或两种以上遗传背景明确的微生物进行共培养，利用种间相互作用实现特定功能，具有简洁、可控和高稳定性等优势，可实现化合物积累的靶向调控，从而优于自然发酵体系（Jin等, 2024；Wang等, 2025）。我们此前的研究证实，乳酸菌（LAB）与酵母之间的共生关系——乳酸菌产生的乳酸降低pH以促进酵母生长，酵母来源的代谢物为乳酸菌提供营养——显著提高了整体代谢效率（Zhang等, 2019）。基于这种相互作用，可构建由酵母和乳酸菌组成的合成微生物群落，实现有机酸和细菌蛋白的靶向积累。

然而，SDL具有固有的高纤维、低蛋白特性，往往造成严苛的发酵环境（Wei等, 2026）。Trichoderma erinaceum（T. erinaceum）能分泌高度活性的纤维素酶和半纤维素酶复合体，其关键酶活性优于传统的Trichoderma reesei（里氏木霉），酶谱更为丰富（De Assis等, 2024），使其成为协同发酵的理想候选菌株。然而，T. erinaceum是专性好氧菌，需要好氧条件才能高效产酶和降解纤维，而酵母和乳酸菌是兼性厌氧菌，在厌氧条件下产酸和富集蛋白的效率更高。基于此，我们设计了厌氧-好氧两阶段序贯固体发酵。在好氧阶段，接种T. erinaceum，利用其纤维素酶复合体将纤维素水解为可发酵单糖，同时消耗氧气并产生CO₂，从而将系统转变为缺氧状态，为后续微生物提供碳源。这种从好氧到厌氧的有序过渡为兼性厌氧菌和厌氧菌的定殖和代谢创造了有利的微环境。在厌氧阶段，引入乳酸菌和酵母形成合成微生物群落。Kluyveromyces marxianus（K. marxianus）能高效利用多种碳源，是优良的单细胞蛋白生产菌（Bilal等, 2022）。Lactiplantibacillus plantarum（L. plantarum）通过同型发酵产生大量乳酸（Kim等, 2021），而Limosilactobacillus fermentum（L. fermentum）通过异型发酵生成乙酸（Adler-Nissen & Demain, 1994），降低pH并改善发酵品质。它们共同作用，预期形成代谢互补的菌群，实现有机酸和细菌蛋白的靶向积累。

因此，我们假设两阶段序贯固体发酵结合合成微生物群落能有效稳定地提高甘蔗叶的高值化利用水平。此外，本研究将采用宏基因组测序和LC-MS非靶向代谢组学来表征营养和功能品质改善背后的微生物和代谢变化，旨在为甘蔗叶的高值化利用和食品应用功能性原料的开发提供理论依据和技术参考。

章节摘要

实验材料

甘蔗干叶采集自广西崇左市的一家水牛奶场。其营养组成为：干物质（DM）95.71%，粗蛋白（CP）3.63%，中性洗涤纤维（NDF）81.42%，酸性洗涤纤维（ADF）52.51%，纤维素（CL）37.18%，半纤维素（HC）29.56%，粗灰分（Ash）11.82%。叶片在收获后于田间自然风干，这是其干物质含量较高的原因。后续固体发酵时，水分

不同发酵时间和处理对发酵SDL营养组成的影响

发酵时间显著影响DM、NDF、ADF和HC（P < 0.05，表2）。随时间推移，B组DM含量先降后升；A组和B组的NDF、ADF和HC也先降后升，而CP则持续增加。在早期阶段，微生物快速增殖消耗可溶性碳水化合物并产生CO₂，导致DM暂时下降，被动提高了NDF和ADF的相对比例（表2）。这种被动富集部分

结论

本研究证明，两阶段序贯固体发酵结合合成微生物菌群可提高SDL的营养价值，并与微生物类群富集（尤其是Lentilactobacillus和Kluyveromyces marxianus）以及代谢物积累（包括zosteric acid、3-羟基肉桂酸、cyclo(Pro-Arg)和carquinostatin A）相吻合。这些微生物和代谢变化与短链脂肪酸含量增加相关。总体而言，

CRediT作者贡献声明

Wei Caixiang：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，形式分析，数据管理。Bu Zeming：软件，资源，项目管理。Yan Qi：撰写 – 审阅与编辑，软件，数据管理。Huang Xiaohua：验证，调查，形式分析。Cai Xinghua：概念设计。Zou Caixia：监督，资源，项目管理，经费获取。

知情同意声明

所有参与者均声明同意参与本研究并使用其信息。所有作者声明本研究保护所有参与者的权利和隐私。

基金资助

本研究由广西自然科学基金重点项目资助，批准号 2024GXNSFDA010039；广西重点研发计划资助，批准号桂科农 AB2506910044；广西研究生教育创新项目资助，批准号 YCBZ2026058。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢广西饲料监测所提供仪器和耗材。我们衷心感谢所有参与本研究的教师和团队成员的贡献与支持。

Wei Caixiang|Bu Zeming|Yan Qi|Huang Xiaohua|Cai Xinghua|Zou Caixia

广西大学动物科学技术学院，南宁 530005，中国