发酵方式和培养基对 Levilactobacillus brevis PD20.100 生产 1,3-丙二醇与有机酸的影响

将废料变为有用材料

各行各业每天都会产生难以再利用的剩余物，例如生物柴油厂的粗甘油以及鱼类加工产生的富含蛋白的残渣。本研究探讨一种经适应性培养的微生物如何将这些低价值废料转化为 1,3-丙二醇——一种用于环保塑料和个人护理品的关键原料——以及有用的有机酸。通过比较不同的发酵运行方式和不同的营养配方，研究人员寻求在可持续性、成本与生产率之间找到平衡点。

从燃料废料与鱼类下脚料到新产品

研究聚焦于 1,3-丙二醇，这是一种用于制造具弹性和耐用性的纤维（用于服装等）以及防冻剂、涂料和化妆品成分的小分子。传统上它由石油合成，但也可以由“吃”碳源的微生物生产。本文中团队以粗甘油——生物柴油副产物且常含杂质——与葡萄糖作为主要碳源。作为微生物所需的另一大类营养氮源，研究比较了两种选择：传统的富养实验室培养基改良 MRS（mMRS）和由鱼类加工剩余物制成的粉状产品鱼蛋白水解物（FPH）。目标是评估 FPH 是否能替代昂贵的实验室成分，同时仍能维持良好的产量。

微生物如何完成这一工作

研究者使用了一株经适应性进化的乳酸菌 Levilactobacillus brevis PD20.100，该菌株已被训练以耐受高糖和粗甘油。在细胞内，甘油在两条互联的代谢支路之间分流：一条将其转化为 1,3-丙二醇，另一条将其转化为乳酸和醋酸。这些支路在内部共享“电子”，因此两者之间的平衡至关重要。如果条件合适，更多流量会导向 1,3-丙二醇；反之则更多生成有机酸。研究考察了培养基组成（mMRS 与 FPH）、细胞形式（游离细胞与包埋在海藻酸盐小球中）以及发酵方式（一次批量、补料批和重复批）如何影响这一平衡。

比较不同的发酵运行方式

在简单的批量试验中，使用悬浮细胞并将两种碳源均设为 60 g/L 时，mMRS 给出了最佳总体结果，1,3-丙二醇浓度约为 39–40 g/L，且对粗甘油的转化率很高。改用 FPH，微生物仍能产生可观的 27–31 g/L，但生长速度较慢且剩余底物更多，可能是因为 FPH 含有苦味或抑制性肽类并缺乏 mMRS 中的一些维生素。将细胞包埋在海藻酸盐小球中提高了稳定性并允许重复使用，但通常会导致峰值产物水平低于游离悬浮细胞。当团队尝试补料批策略——随时间添加更多甘油和葡萄糖时——在 mMRS 中某种特定的补料模式表现良好，尽管仍低于最佳的批量运行。在 FPH 中，相同策略导致产率更低且随时间更明显的减速。

重复利用细胞与放大化

重复批发酵（即将细胞或小球在新鲜培养基中循环多次）展示了性能随时间变化的情况。在 mMRS 中，悬浮细胞在若干个循环内保持较高的 1,3-丙二醇产量，然后逐步下降，可能是应激和产物累积削弱细胞活力所致。在 FPH 中，这种下降发生得更早且更陡峭，指向抑制性成分的累积效应。海藻酸盐小球中包埋的细胞显示出类似模式：在 mMRS 中初期表现良好，但经过几次循环后明显下降，FPH 中尤其明显。最后，研究者在使用 FPH 的受控搅拌罐发酵器中放大试验。通过更好地控制 pH、混合与氧气水平，系统达到了近 29 g/L 的 1,3-丙二醇，且对粗甘油的利用效率远高于小型摇瓶。

对更绿色生产的意义

总体而言，研究表明经进化的 L. brevis PD20.100 菌株可在多种条件下将生物柴油副产物甘油转化为有价值的 1,3-丙二醇和有机酸。传统的 mMRS 培养基仍能提供最高产率和最快的发酵速度，但由鱼类加工废料制成的鱼蛋白水解物作为较低成本且更可持续的氮源，展现出前景。通过周到的工艺设计、生物反应器中的精细控制以及进一步调整 FPH 组成，作者认为这种方法可帮助工业将两种难处理的废物流转化为有用化学品，推动循环生物经济目标并促进更环保的材料生产。

引用: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

关键词: 1,3-丙二醇, 粗甘油, 鱼蛋白水解物, 乳酸菌, 可持续发酵