在食品安全與防腐領(lǐng)域，尋找天然、高效的抗菌劑始終是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。短鏈和中鏈羧酸（short- and medium chain carboxylic acids, SCCA/MCCA），例如我們熟知的乳酸、丁酸等，是微生物發(fā)酵產(chǎn)生的天然化合物，其中一部分已被用作食品防腐劑。然而，目前實(shí)際應(yīng)用的SCCA/MCCA種類有限，這限制了生物防腐手段的多樣性和效能提升。特別是己酸（caproate），作為一種具有潛力的中鏈羧酸，其在食品體系中的抗菌特性尚未得到充分開發(fā)。為了拓寬生物防腐劑的“武器庫”，一項(xiàng)發(fā)表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上的研究，將目光投向了合成微生物菌群，旨在通過精巧的“菌際合作”設(shè)計(jì)，高效生產(chǎn)富含己酸的發(fā)酵液，并驗(yàn)證其在食品保藏中的應(yīng)用潛力。

為了回答上述問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)施了包含多個(gè)步驟的系列實(shí)驗(yàn)。核心是構(gòu)建了兩種類型的合成菌群：一種是由羅伊氏乳桿菌（Limosilactobacillus reuteri）和克氏梭菌（Clostridium kluyveri）組成的細(xì)菌菌群；另一種則引入了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），組成了多界（細(xì)菌-真菌）菌群。研究通過靶向交叉喂養(yǎng)策略，即利用不同微生物代謝的互補(bǔ)性，為關(guān)鍵功能菌提供底物。實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了底物（如乙醇、乳酸、糖等）的消耗和多種代謝產(chǎn)物（包括乳酸、己酸、甘露醇、甘油等）的生成動(dòng)力學(xué)。最后，通過體外抗菌實(shí)驗(yàn)（針對(duì)指示細(xì)菌、酵母和霉菌，在不同pH條件下）和碎肉模型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，全面評(píng)估了純化的己酸以及最終發(fā)酵液的抗菌效力。

在研究方法上，作者主要運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)：1) 合成微生物菌群的構(gòu)建與培養(yǎng)策略，通過組合不同功能的微生物（羅伊氏乳桿菌、克氏梭菌、釀酒酵母）實(shí)現(xiàn)代謝互補(bǔ)；2) 代謝產(chǎn)物分析與動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，利用高效液相色譜等技術(shù)定量分析發(fā)酵液中的短鏈/中鏈羧酸、醇類等成分的變化；3) 體外抗菌活性測(cè)定，在pH 4.5和6.5兩種條件下，評(píng)估發(fā)酵液及特定成分對(duì)目標(biāo)微生物（細(xì)菌、酵母、霉菌）的抑制效果；4) 食品模型驗(yàn)證，使用碎肉作為模擬體系，驗(yàn)證發(fā)酵液在接近真實(shí)食品環(huán)境中的防腐性能。

研究人員首先設(shè)計(jì)了一個(gè)由羅伊氏乳桿菌和克氏梭菌組成的細(xì)菌合成菌群。在首次運(yùn)行的生物工藝中，通過添加乙醇（EtOH）啟動(dòng)了己酸的合成途徑。經(jīng)過22天的發(fā)酵，該體系成功產(chǎn)生了濃度為63.9 mM（約7.4 g L^?1）的己酸。為了優(yōu)化工藝，他們隨后進(jìn)行了兩輪為期12天的短期發(fā)酵對(duì)比。結(jié)果表明，定期補(bǔ)充乙醇的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生了更多的己酸（28.9 mM，約3.4 g L^?1），而未補(bǔ)充乙醇的對(duì)照組產(chǎn)量為21.7 mM（約2.5 g L^?1）。更為重要的是，當(dāng)引入釀酒酵母構(gòu)成多界菌群后，即使不額外添加乙醇，發(fā)酵液中也形成了37.9 ± 11.4 mM（約4.4 g L^?1）的己酸。這證實(shí)了酵母通過其代謝活動(dòng)，能夠?yàn)榭耸纤缶�的�?elongation 過程提供必要的底物，實(shí)現(xiàn)了自給自足的發(fā)酵過程。

研究不僅觀察到了預(yù)期的交叉喂養(yǎng)現(xiàn)象（如乳酸、乙醇作為己酸合成前體），還揭示了菌群成員間更復(fù)雜的代謝互動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵過程中，菌群會(huì)生成并重新代謝甘露醇和甘油等多元醇。對(duì)最終發(fā)酵液的成分分析表明，乳酸和己酸是其中最主要的羧酸。這些發(fā)現(xiàn)說明，合成菌群內(nèi)部存在動(dòng)態(tài)、多向的代謝網(wǎng)絡(luò)，其產(chǎn)物譜系比單一菌株培養(yǎng)更為豐富。

純化合物活性：體外實(shí)驗(yàn)顯示，純己酸在pH 4.5和pH 6.5的條件下，均能有效抑制細(xì)菌、酵母和霉菌的生長(zhǎng)。而在碎肉模型中，乳酸和己酸表現(xiàn)出了協(xié)同抗菌作用，兩者的組合比單獨(dú)使用任何一種酸具有更強(qiáng)的防腐效果。

發(fā)酵液活性：富含己酸的完整發(fā)酵液同樣顯示出廣譜的抗菌活性。其抗菌效果在pH 4.5時(shí)最為顯著，在pH 6.5時(shí)活性相對(duì)減弱，但仍具有一定抑制作用。這證明發(fā)酵液的整體抗菌效力不僅來自于己酸，也可能源于乳酸等其他代謝產(chǎn)物的貢獻(xiàn)。

本研究成功地設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種能夠高效生產(chǎn)己酸的新型多界合成微生物菌群。通過結(jié)合羅伊氏乳桿菌、克氏梭菌和釀酒酵母，并利用它們之間精巧的代謝分工與交叉喂養(yǎng)，研究人員開發(fā)出了一種可以不依賴或減少依賴外源乙醇供應(yīng)、就能生產(chǎn)己酸發(fā)酵液的生物工藝。這項(xiàng)工作超越了僅優(yōu)化單一產(chǎn)物產(chǎn)量的范疇，深入揭示了菌群內(nèi)部復(fù)雜的代謝相互作用，例如甘露醇和甘油的生成與再利用。

從應(yīng)用角度看，該研究提供了關(guān)鍵證據(jù)，表明所獲得的富含己酸的發(fā)酵液具有強(qiáng)大的、pH依賴性的廣譜抗菌活性，尤其對(duì)碎肉中的微生物污染表現(xiàn)出良好的抑制潛力。乳酸與己酸的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升了其作為生物防腐劑的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)研究不僅為開發(fā)基于新型中鏈羧酸的食品生物防腐劑開辟了新途徑，也為理解和設(shè)計(jì)更復(fù)雜的合成微生物生態(tài)系統(tǒng)用于定向生產(chǎn)高附加值化合物提供了寶貴的見解和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。