《Fermentation》：Furan Inhibitor Effects on Native Lactic Acid Bacteria from Maule Region: Growth Kinetics and Lactic Acid Production from Agroindustrial Waste
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摘要：从智利毛莱地区水果和蔬菜中分离的天然乳酸菌（LAB）被鉴定为植物乳植杆菌（*Lactiplantibacillus plantarum*）和戊糖乳植杆菌（*L. pentosus*）。研究人员在与农工废弃物增值相关的呋喃抑制剂（糠醛和5-甲基糠醛（5-M
摘要：从智利毛莱地区水果和蔬菜中分离的天然乳酸菌（LAB）被鉴定为植物乳植杆菌（*Lactiplantibacillus plantarum*）和戊糖乳植杆菌（*L. pentosus*）。研究人员在与农工废弃物增值相关的呋喃抑制剂（糠醛和5-甲基糠醛（5-MF））胁迫下，评估了其生长和乳酸生产能力。在含有天然呋喃（11–57 mg/L）的水果水解液中，LAB的生长与无抑制剂对照相似，并产生17–25 g/L乳酸。在受控条件下，12 g/L糠醛使细菌生长降低80%以上，乳酸产量仅降至2 g/L。相比之下，相同浓度的5-MF表现出显著更高的耐受性，乳酸产量可达7 g/L。在与商业参考菌株植物乳植杆菌PL8014（*Lactiplantibacillus plantarum* PL8014）在相同条件下的直接对比中，天然分离株B1在大多数测试的糠醛和5-MF浓度下，乳酸产量达到或超过PL8014，包括两个最严苛的5-MF条件。Logistic生长模型和Luedeking–Piret模型准确描述了所有抑制条件下的细菌生长动力学和乳酸生产动力学（R2 > 0.96）。抑制剂浓度被证明比抑制剂类型更为关键，尽管糠醛始终表现出更强的抑制效力。这些发现证实了毛莱地区天然LAB的生物技术潜力，并为优化木质纤维素废弃物的乳酸生产提供了定量动力学参数，支持循环经济策略。
**毛莱地区天然乳酸菌对呋喃抑制剂的响应及其乳酸生产潜力：一项系统动力学研究**
**1. 研究背景与目的**
工业化进程的快速推进，尤其是农业产业化领域，产生了大量有机废弃物，对环境造成了严重污染。传统的填埋和露天焚烧等处置方式不仅无法实现资源化利用，反而加剧了环境污染。在此背景下，循环经济模式的实施成为将有机废弃物转化为有价值副产品的迫切需求。农业工业废弃物富含纤维素、半纤维素、果胶和木质素等结构性生物聚合物，这些成分可通过化学或生物技术途径转化为有价值的生物燃料和生物产品，是生物炼制的重要原料来源。
乳酸菌（LAB）作为工业微生物中的重要类群，在发酵和食品生产中发挥着关键作用。然而，农业工业木质纤维素废弃物在利用前通常需要酸水解等预处理以释放可发酵糖，这一过程不可避免地会产生呋喃类抑制物（如糠醛、5-甲基糠醛（5-MF）和羟甲基糠醛），这些化合物会造成细胞应激，影响微生物代谢和蛋白质结构，严重时导致细胞凋亡。同型发酵和异型发酵LAB对呋喃衍生物的敏感性存在差异，异型发酵菌株往往通过更有效的解毒机制表现出更强的耐受性。因此，理解LAB对呋喃抑制物的代谢响应，对于优化农工副产物的再利用、实现高效的乳酸生产具有重要意义。
本研究旨在对智利毛莱地区水果和蔬菜中分离的天然LAB进行分类学鉴定，评估其在呋喃抑制剂胁迫下的生长和乳酸生产性能。研究人员假设糠醛和5-MF在相同浓度下对LAB生长和乳酸生产具有差异性的抑制作用，且糠醛因化学结构和毒性机制差异而具有更强毒性，并通过Logistic和Luedeking–Piret模型量化动力学参数以验证这一假设。
**2. 主要技术方法**
研究人员从智利毛莱地区有机种植的甜菜、萝卜和草莓表面采集样品，经系列稀释后在MRS琼脂平板上分离纯化LAB菌株。通过革兰氏染色、过氧化氢酶试验、厌氧培养和发酵能力测试等生化特征分析初步鉴定菌株特性。利用16S rRNA基因测序进行分子分类学鉴定，引物对为FD1（27f）和RP2（1492r），PCR产物经纯化后在ABI PRISM 3500xl平台测序，序列经质量控制和拼接后提交至NCBI GenBank数据库进行BLASTn比对。细菌培养使用改良MRS培养基，在苹果和梨废弃物无酸热水解液以及含有不同浓度（3、6、9、12 g/L）糠醛或5-MF的受控条件下进行，苹果和梨水解液中的呋喃浓度采用SPME-GC/MS/MS方法定量。乳酸浓度通过高效液相色谱（HPLC）定量。生长动力学和产物动力学分别采用Logistic和Luedeking–Piret模型进行数学拟合，使用非线性最小二乘法（Levenberg–Marquardt算法）估计参数。统计分析采用方差分析（ANOVA）和Tukey检验。
**3. 研究结果**
**3.1 乳酸菌的分子鉴定**
生化筛选确认所有分离菌株（B1、B2、B3、F1、R1）均为革兰氏阳性、过氧化氢酶阴性，能在微需氧和厌氧条件下良好生长，并具有活跃的发酵能力和明显的乳酸产生能力。16S rRNA基因序列分析鉴定出两个主要物种：戊糖乳植杆菌（*Lactiplantibacillus pentosus*）和植物乳植杆菌（*Lactiplantibacillus plantarum*），所有菌株与参考序列的BLASTn一致性均≥99%。从萝卜中分离的耐久肠球菌（*Enterococcus durans*）因属于肠球菌科且部分肠球菌种为条件致病菌，被排除在后续实验之外。
**3.2 水果水解液中的呋喃浓度**
SPME-GC/MS/MS分析显示，苹果水解液中糠醛和5-MF浓度分别为45.12 mg/L和32.14 mg/L，梨水解液中两者浓度更高，分别达到94.25 mg/L和51.76 mg/L。这些数值与果胶丰富的水果残渣在温和无酸水解过程中天然形成呋喃的情况一致。
**3.3 水果水解液中的生长与工作菌株筛选**
在含有低浓度有机呋喃（11–57 mg/L）的苹果和梨水解液中，分离的LAB菌株表现出良好的生长和碳水化合物消耗能力，乳酸产量达到17–25 g/L。其中，分离株B1在最初的24小时内表现出最高的生物量积累和最快速的初始乳酸生产效率，因此被选为后续受控呋喃抑制实验的唯一生物模型。
**3.4 呋喃对生长和生产的抑制**
**3.4.1 糠醛的作用**
糠醛被证明是细菌生长的强效抑制剂。在6 g/L浓度下，生长速率降低超过50%，而在12 g/L浓度下，抑制率超过80%。同时，乳酸产量急剧下降，在最高抑制剂浓度下仅达到2 g/L。
**3.4.2 5-甲基糠醛的作用**
与糠醛相比，5-MF的抑制效果显著较低。即使在最高测试浓度（12 g/L）下，LAB仍能维持高达7 g/L的乳酸产量，表现出对该化合物更强的耐受性。
**3.5 动力学数学建模**
Logistic和Luedeking–Piret模型对实验数据的拟合系数（R2）在大多数条件下大于0.96，RMSE和MAE值较低，验证了模型的预测能力。生长速率（r）和承载能力（K）随糠醛浓度增加呈单调下降趋势，而5-MF则呈非线性模式，在中等抑制剂浓度下观察到最佳生长。统计分析（ANOVA，p < 0.05）确认糠醛在所有测试浓度下对动力学参数的降低均显著于无抑制剂对照。模型在高浓度5-MF条件下对细菌生物量的预测存在一定局限性（12 g/L时RMSE = 0.7792），表明需要纳入额外参数以捕捉LAB的特定耐受机制。
**3.6 与商业参考菌株的性能比较**
在与商业参考菌株植物乳植杆菌PL8014（*Lactiplantibacillus plantarum* PL8014）的平行对比中，B1在低至中等糠醛浓度（3、6、9 g/L）和大多数5-MF浓度下获得了更高的生物量产量。在12 g/L糠醛条件下，PL8014保持了相对较高的最终OD值（从3至12 g/L最终生物量相对降低63.7%，B1为83.1%）。乳酸生产方面，B1在8种呋喃和5-MF条件中的5种条件下产量超过PL8014（糠醛3、6、9 g/L；5-MF 9和12 g/L），在5-MF 9和12 g/L时产量分别是PL8014的2.7倍和2.1倍，而PL8014仅在糠醛12 g/L和5-MF最低两个浓度（3和6 g/L）下超过B1。
**4. 讨论与结论**
本研究表明毛莱地区水果和蔬菜中存在具有显著生物技术潜力的天然LAB（戊糖乳植杆菌和植物乳植杆菌），这些菌株能在含低浓度天然呋喃（11–57 mg/L）的水果水解液中高效生长并产生17–25 g/L乳酸。与文献中报道的其他呋喃耐受LAB相比，天然菌株B1在12 g/L 5-MF极端胁迫条件下仍能维持高达7 g/L的乳酸产量，这一天然耐受性具有明显竞争优势。作者指出，仅通过16S rRNA测序区分戊糖乳植杆菌和植物乳植杆菌存在分类学局限性，需要recA等额外标记进行精确物种鉴定，但B1的优异功能表现验证了其生物技术应用价值。动力学分析显示糠醛和5-MF具有不同的抑制机制：糠醛导致动力学参数单调下降，而5-MF呈现非线性响应模式，提示可能的适应性或解毒机制。糠醛与5-MF毒性差异可能归因于其不同的化学性质和毒性机制，如糠醛破坏细胞膜完整性和改变关键酶系统的能力。
研究结论指出，抑制剂浓度比抑制剂类型更为关键，尽管糠醛在低至3 g/L的浓度下即表现出更强的抑制效力。数学模型的良好拟合（R2 > 0.96）验证了其在优化发酵过程中的实用性。与商业参考菌株PL8014的直接对比表明，B1在大多数测试条件下达到或超过该成熟生产菌株的性能，特别是在更严苛的胁迫条件下，支持其作为工业乳酸生产的天然替代菌株的潜力。研究获得的定量动力学参数为优化木质纤维素废弃物的乳酸生产、推动农工废弃物资源化和循环经济策略发展提供了重要基础。作者也指出，实验在受控实验室条件下进行，未来需开展生物反应器中试放大研究，并评估复杂抑制剂混合物的影响，以全面评估其在工业生物炼制中的可行性。
