《International Journal of Food Microbiology》：1,2-propanediol metabolism by heterofermentative lactobacilli in sourdough
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本研究针对乳酸菌在稳定期如何维持代谢活性这一关键问题，深入探讨了异型发酵乳酸菌将乳酸转化为1,2-丙二醇及进一步转化为丙酸的代谢通路。研究发现，该通路在稳定期被特异性激活，且其调控主要依赖于生长阶段而非pH或乳酸浓度，为开发具有长效保鲜功能的发酵食品 starter cultures 提供了理论依据。
在微生物的世界里，乳酸菌是食品发酵领域当之无愧的“明星”。无论是酸奶、泡菜还是面包，都离不开它们的辛勤工作。然而，这些微小的劳动者也面临着生存挑战：在营养丰富的环境中，它们优先选择快速但低效的“快餐”式代谢途径，以求迅速增殖；但当食物耗尽、进入生长稳定期后，如何维持生命活动、避免“饿死”则成了关乎生存的大问题。长期以来，科学家们观察到某些乳酸菌在稳定期甚至能存活数周乃至数月，其背后必然存在一套高效的“慢食”代谢系统来提供能量。其中，将乳酸（乳酸菌的主要代谢产物）转化为1,2-丙二醇，并进一步转化为丙酸的途径，被认为是一种关键的“慢食”策略。这条通路不仅能回收利用自身产生的乳酸，还能生成具有抗真菌活性的丙酸，在食品防腐方面潜力巨大。然而，对于哪些乳酸菌拥有这套“本领”，以及环境因素（如酸度、底物浓度）和生长阶段如何调控这条通路，科学界的认知仍不清晰。
为了解开这些谜团，来自加拿大阿尔伯塔大学的研究团队在《International Journal of Food Microbiology》上发表了一项研究，他们将目光投向了酸面团生态系统中的异型发酵乳酸菌，特别是Furfurilactobacillus属的成员，系统深入地揭示了1,2-丙二醇代谢的调控规律及其生物学意义。
研究人员综合运用了微生物代谢产物分析（通过高效液相色谱HPLC定量检测有机酸、醇类和糖类）和基因表达分析（通过逆转录定量PCR，即RT-qPCR，检测关键基因aldA和pduC的mRNA水平）等关键技术。实验在改良的MRS培养基和以高粱粉为基质的酸面团模型中进行，以模拟真实发酵环境。研究涉及了包括Lentilactobacillus buchneri、Levilactobacillus lettrarii以及多种Furfurilactobacillus（如Ff. rossiae、Ff. cerealis、Ff. cerevisiae、Ff. milii）在内的多个菌株，通过设置不同的pH值、乳酸浓度和培养时间，全面评估了这些因素对代谢通路的影响。
3.1. 在含己糖培养基中1,2-丙二醇及其他代谢物的形成
研究首先在含有葡萄糖、果糖和麦芽糖的培养基中评估了不同乳酸菌的代谢能力。结果发现，Lt. buchneriFUA3252展示了最高的1,2-丙二醇产量。添加50 mmol/L的乳酸后，大多数测试菌株的1,2-丙二醇产量均有增加，但Ff. cerevisiaeFUA3583和Ff. rossiaeFUA3124例外。值得注意的是，在两株Ff. rossiae（FUA3124和FUA3911）的培养上清液中检测到了丙酸，这表明它们可能具备将乳酸通过1,2-丙二醇完全转化为丙酸的能力。
3.2. 在含葡萄糖和阿拉伯糖培养基中1,2-丙二醇及其他代谢物的形成
当以阿拉伯糖作为碳源时，所有测试的Furfurilactobacillus菌株均通过磷酸酮醇酶途径将其代谢为乳酸和乙酸，但并未观察到1,2-丙二醇的形成。这表明，在这些实验条件下，可能存在于这些菌株基因组中的戊糖磷酸途径并未被激活用于1,2-丙二醇的合成。
3.3. 在高粱酸面团中1,2-丙二醇及其他代谢物的形成
为了更接近实际应用场景，研究在高粱酸面团中进行了为期7天的发酵实验。结果表明，酸面团环境更有利于1,2-丙二醇和丙酸的积累。例如，Ff. cerealisC5在发酵7天后产生了高达40 mmol/kg的1,2-丙二醇。与培养基中的结果一致，Ff. rossiae菌株在酸面团中也产生了丙酸，进一步证实了其完整的代谢能力。
3.4. 在mMRS培养基和酸面团中aldA和pduC表达对pH和乳酸浓度的响应
为了探究代谢通路的调控机制，研究通过RT-qPCR分析了关键基因aldA（编码乳酸醛脱氢酶，催化乳酸向1,2-丙二醇转化的关键步骤）和pduC（编码丙二醇脱水酶亚基，参与1,2-丙二醇的利用）的表达。令人意外的是，pH值和乳酸浓度对aldA表达的影响在不同菌株和培养条件下并不一致，缺乏规律性。同样，pduC的表达也未受到pH、乳酸或培养基质（培养基vs.酸面团）的显著影响。这表明，这些环境因素可能不是调控该通路的主要开关。
3.5. 在延长培养的mMRS培养基中aldA的表达
最关键的发现在于对生长阶段的考察。研究人员比较了指数生长期（3小时）、早期稳定期（24小时）和长期稳定期（7天）的aldA表达水平。结果非常明确：对于所有测试的菌株（Ff. rossiaeFUA3124, FUA3911, Ff. cerevisiaeFUA3583, Ff. cerealisC5 和 Lv. lettrariiFUA3695），aldA的表达量均随着培养时间的延长而显著增加。这种表达模式与文献中广泛报道的“乳酸向1,2-丙二醇的转化主要发生在稳定期”的现象高度吻合。
综上所述，本研究得出了几个核心结论。首先，乳酸至1,2-丙二醇乃至丙酸的代谢能力是Furfurilactobacillus属内的一种系统发育特征，即这种能力与菌株的物种分类密切相关。例如，Ff. milii不转化乳酸，Ff. cerealis将乳酸转化为1,2-丙二醇，而Ff. rossiae是继Lv. lettrarii之后，在乳酸菌中发现的第二个能够将乳酸完全转化为丙酸的物种，这为利用特定菌株进行定向发酵提供了物种选择依据。
其次，也是本研究最重要的发现，即1,2-丙二醇代谢通路的关键调控因素并非之前猜测的pH或乳酸浓度，而是生长阶段。该通路在稳定期被特异性激活，这使得乳酸菌能够在营养受限的情况下，通过回收自身代谢产物（乳酸）来持续获得能量，从而维持长期的代谢活性和存活率。研究人员形象地将快速生长依赖的糖代谢称为“快餐”，而将稳定期激活的高效能量代谢途径称为“慢食”。他们认为，在指数生长期，细胞内部资源（如核糖体、空间）主要用于快速合成生物质，容不下“慢食”途径这种需要额外合成多种酶甚至蛋白质微区室（对于Pdu途径）的“重型装备”。进入稳定期后，生物质合成停止，细胞内的“空间”和“资源”变得充裕，从而为运行高效的“慢食”途径创造了条件。
这项研究的意义重大。在理论上，它深化了我们对乳酸菌代谢可塑性的理解，揭示了其在稳定期生存的能量维持策略。在应用上，该研究为筛选和开发具有特定功能的发酵剂指明了方向。例如，选用能够产生丙酸的Ff. rossiae等菌株，可以自然增强面包、饲料（青贮）等产品的抗真菌腐败能力，减少化学防腐剂的使用。此外，利用该通路维持发酵剂在冷藏储存或货架期内的活性，可以提高发酵剂的稳定性和使用效果。尽管调控该通路从“快餐”切换到“慢食”的具体分子信号（如哪些全局性调控因子参与）仍有待未来研究揭示，但本研究无疑为乳酸菌在食品生物技术中的更精准、更高效应用奠定了坚实的科学基础。
