合成微生物联合体通过代谢与工艺优化提升柑橘醋中乙偶姻产量及功能品质

本研究创新性地构建了植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）NF2与巴氏醋杆菌（Acetobacter pasteurianus）NF171的合成菌群体系，通过代谢重编程（NADH代谢流下调/α-乙酰乳酸合成酶基因上调）与工艺参数优化（接种量3%/转速120 rpm/温度33°C/补糖20 g/L），使柑橘醋中乙偶姻（acetoin）产量提升8倍至4033.72 mg/L，同步富集乙酸（57.91 g/L）、酚酸（如绿原酸）及黄酮（如川陈皮素）等功能成分，为功能性果醋开发提供新范式。

　　

1 引言

食品发酵作为最古老的生物技术实践，正经历从经验导向到理性设计的变革。柑橘醋的风味核心物质乙偶姻（3-羟基-2-丁酮）具有奶油-坚果香气，其生物合成受"生长-分化-应激响应"多维调控。传统自然发酵存在微生物演替不可控、代谢通路冗余等问题，而本研究通过合成微生物组学技术，构建植物乳杆菌NF2与巴氏醋杆菌NF171的协同体系，解析二者在碳代谢流分配（柠檬酸-丙酮酸代谢轴）与氧化还原平衡（NADH/NAD⁺调控）中的互作机制，为高附加值果醋开发提供新思路。

2 材料与方法

以南丰蜜橘为原料，筛选出与巴氏醋杆菌NF171相容的植物乳杆菌NF2。采用三阶段接种策略（酒精发酵早期S/中期M/后期E），结合转录组学分析关键基因表达。通过单因素优化实验确定最佳工艺参数：接种量3%时乳酸残留量最高（1.57 g/L），120 rpm转速下乙偶姻积累达2421.95 mg/L，33°C时丙酮酸代谢活性最强，20 g/L葡萄糖补充可避免碳源竞争性抑制。

3 结果与讨论

3.1 菌群时空互作增强乙偶姻合成

中期接种组（CMM）乙偶姻产量达1616.95 mg/L，显著高于对照组。转录组显示：

• NADH代谢通路下调促使碳流向丙酮酸节点聚集

• α-乙酰乳酸合成酶（ALS）基因上调2.3倍

• 乳酸脱氢酶活性增强推动"乳酸-丙酮酸-乙偶姻"代谢轴

3.2 工艺优化实现产量突破

四维参数协同调控使乙偶姻终浓度提升至4033.72 mg/L：

• 3%接种量平衡菌群密度与底物消耗

• 120 rpm转速优化好氧/厌氧微环境

• 33°C维持酶活性温度窗口

• 20 g/L葡萄糖缓解碳源竞争

3.3 功能成分协同富集

该体系同步提升：

• 乙酸（57.91 g/L）构成风味基底

• 酚酸（绿原酸+62%）增强抗氧化活性

• 黄酮（川陈皮素69.34 mg/L）赋予保健价值

4 结论与展望

该研究创立了"代谢调控-工艺强化"双轮驱动策略，其创新点在于：

1. 揭示乳酸菌衍生的乳酸作为碳源信号激活醋杆菌乙偶姻合成通路的分子机制

2. 开发阶段式溶解氧控制技术缓解AAB与LAB的碳源竞争

   未来可通过¹³C同位素示踪技术精确定量碳流分配，结合CRISPR基因编辑强化citP基因表达，进一步突破产量瓶颈。该模式可拓展至苹果醋、蓝莓醋等发酵体系，推动发酵食品从风味导向到功能定制的产业升级。