在废弃蘑菇基质的水解物以及经过热液预处理的耶路撒冷洋蓟茎中培养的耐盐细菌产生的外多糖

《Industrial Crops and Products》：Production of exopolysaccharides by halotolerant bacteria cultivated in hydrolysates of spent mushroom substrate and hydrothermally pretreated Jerusalem artichoke stalks

全球资源可持续利用需求推动新型生物基工艺探索，本研究首次利用废弃蘑菇基质（SMS）和耶路撒冷艺术菊花茎（JAS）通过嗜盐菌发酵生产胞外多糖（EPS）。SMS无需预处理，JAS经硫酸酸化热水解预处理后，两种基质的糖浓度分别为31.1 g/L和18.9 g/L。摇瓶实验显示SMS水解液支持更高EPS产量（17.8 mg/L/h）和菌体浓度（3.8 g/L），而JAS水解液因含较高抑制物（如乙酸、酚类）导致产量较低（13.3 mg/L/h）。生物反应器放大实验中，SMS水解液使SU4M菌株EPS体积生产力达100 mg/L/h，较合成培养基提高近50%。研究表明，SMS和JAS作为农业废弃物资源，在可持续生物经济中具有重要应用价值。

　　在当今社会，可持续发展已经成为全球关注的核心议题之一。随着资源利用的不可持续性问题日益突出，开发基于生物资源的新工艺显得尤为重要。本研究聚焦于利用两种农业副产品——食用菌培养后的废料（Spent Mushroom Substrate, SMS）和菊芋茎秆（Jerusalem Artichoke Stalks, JAS）作为原料，通过培养耐盐菌株生产胞外多糖（Exopolysaccharides, EPS）。这一研究不仅为资源的再利用提供了新思路，也为生物经济的发展带来了新的可能性。

食用菌培养产生的废料SMS是一种由木质纤维素组成的副产品，其来源于在北欧国家常见的桦木木屑和小麦麸皮混合培养基上生长的香菇（*Lentinula edodes*）。SMS中富含有机物和营养成分，经过酶解处理后可转化为含有可发酵糖的糖化液。与SMS不同，菊芋茎秆作为一种高产作物的副产品，其产量可达每公顷2.5吨，但其在生物转化方面的研究仍显不足。尽管菊芋块茎在食品和生物能源领域受到重视，但其茎秆的利用却长期被忽视。通过酸催化水热预处理，可以显著提高菊芋茎秆的酶解效率，从而获得适合微生物发酵的糖化液。

本研究选取了两种耐盐菌株SU4M和SU3A，这些菌株是从玻利维亚的高海拔超盐环境——乌尤尼盐沼（Salar de Uyuni）中分离出来的。这类微生物在高盐浓度下仍能形成生物膜，显示出其在生物过程中的强适应性和稳定性。在实验室条件下，菌株SU4M和SU3A在合成培养基和糖化液培养基中均表现出良好的生长性能和EPS生产能力。然而，由于菊芋茎秆的糖化液中含有较多的发酵抑制剂，如乙酸、甲酸、酚类化合物和芳香族化合物，这导致其在培养过程中EPS产量较低。

研究结果显示，使用SMS糖化液作为培养基的菌株SU3A和SU4M在生物量和EPS产量方面均优于使用菊芋茎秆糖化液的菌株。这主要是因为SMS在培养过程中已经经历了部分生物预处理，减少了木质纤维素的降解阻力，使得其可以直接进行酶解而不需额外的预处理步骤。此外，SMS糖化液中还含有较高的氮元素，这使得在无需补充外部营养的情况下，仍能维持较高的EPS产量。

在生物反应器中进行的实验进一步验证了SMS糖化液的高效性。与摇瓶培养相比，生物反应器能够提供更精确的环境控制，如温度、pH值和通气量，从而优化微生物的生长和EPS的产量。实验中发现，使用SMS糖化液的生物反应器培养在八小时内即可耗尽碳源，而摇瓶培养则需要48小时。这表明，生物反应器能够显著缩短培养时间，提高生产效率。同时，SMS糖化液在生物反应器中的最大生物量达到了3.55±0.14 g/L，而合成培养基的生物量仅为2.75±0.11 g/L，显示出SMS作为培养基的优势。

此外，研究还探讨了不同碳氮比对EPS产量的影响。通过调节培养基中的碳氮比例，可以进一步优化EPS的生产效率。例如，在非补充的SMS糖化液中，尽管生物量较低，但EPS产量与生物量的比例却较高，这表明即使在较低的生物量情况下，菌株仍具有较高的EPS生产能力。因此，采用碳过量、氮限制的培养策略可能有助于提高EPS的产量。

本研究的成果不仅展示了SMS和菊芋茎秆作为生物资源的潜力，还为生物经济的发展提供了新的方向。通过将这些农业副产品转化为高价值的生物基产品，可以有效减少废弃物的产生，提高资源利用率。此外，该研究还强调了微生物多样性在生物转化过程中的重要性，特别是耐盐菌株在高盐环境中的适应能力，为未来在极端环境下开发新型生物技术提供了基础。

总体来看，本研究为可持续利用农业和林业副产品提供了新的视角，同时也为生物技术在实际应用中的推广和优化提供了实验数据支持。通过进一步研究不同碳氮比对EPS产量的影响，以及探索更多类型的耐盐菌株，有望在未来的生物转化工艺中实现更高的效率和更低的成本。这不仅有助于推动生物经济的发展，也为实现环境友好型的资源利用提供了科学依据和技术路径。