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本研究旨在解决短/中链羧酸(SCCA/MCCA)在食品生物防腐中种类单一的问题。研究人员通过设计包含罗伊氏乳杆菌、克氏梭菌和酿酒酵母的多界合成菌群，利用靶向交叉喂养策略，成功开发了可产己酸（C6）发酵液的生物工艺。结果表明，该发酵液在pH 4.5和6.5条件下对细菌、酵母和霉菌均表现出抗菌活性，并在碎肉模型中与乳酸产生协同抑菌效果，为开发新型生物防腐剂提供了新策略。
在食品安全与防腐领域，寻找天然、高效的抗菌剂始终是科学家们孜孜以求的目标。短链和中链羧酸（short- and medium chain carboxylic acids, SCCA/MCCA），例如我们熟知的乳酸、丁酸等，是微生物发酵产生的天然化合物，其中一部分已被用作食品防腐剂。然而，目前实际应用的SCCA/MCCA种类有限，这限制了生物防腐手段的多样性和效能提升。特别是己酸（caproate），作为一种具有潜力的中链羧酸，其在食品体系中的抗菌特性尚未得到充分开发。为了拓宽生物防腐剂的“武器库”，一项发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上的研究，将目光投向了合成微生物菌群，旨在通过精巧的“菌际合作”设计，高效生产富含己酸的发酵液，并验证其在食品保藏中的应用潜力。
为了回答上述问题，研究团队设计并实施了包含多个步骤的系列实验。核心是构建了两种类型的合成菌群：一种是由罗伊氏乳杆菌（Limosilactobacillus reuteri）和克氏梭菌（Clostridium kluyveri）组成的细菌菌群；另一种则引入了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），组成了多界（细菌-真菌）菌群。研究通过靶向交叉喂养策略，即利用不同微生物代谢的互补性，为关键功能菌提供底物。实验过程中，研究人员系统监测了底物（如乙醇、乳酸、糖等）的消耗和多种代谢产物（包括乳酸、己酸、甘露醇、甘油等）的生成动力学。最后，通过体外抗菌实验（针对指示细菌、酵母和霉菌，在不同pH条件下）和碎肉模型应用实验，全面评估了纯化的己酸以及最终发酵液的抗菌效力。
在研究方法上，作者主要运用了以下关键技术：1) 合成微生物菌群的构建与培养策略，通过组合不同功能的微生物（罗伊氏乳杆菌、克氏梭菌、酿酒酵母）实现代谢互补；2) 代谢产物分析与动力学监测，利用高效液相色谱等技术定量分析发酵液中的短链/中链羧酸、醇类等成分的变化；3) 体外抗菌活性测定，在pH 4.5和6.5两种条件下，评估发酵液及特定成分对目标微生物（细菌、酵母、霉菌）的抑制效果；4) 食品模型验证，使用碎肉作为模拟体系，验证发酵液在接近真实食品环境中的防腐性能。
研究结果
1. 生物工艺设计与己酸生产
研究人员首先设计了一个由罗伊氏乳杆菌和克氏梭菌组成的细菌合成菌群。在首次运行的生物工艺中，通过添加乙醇（EtOH）启动了己酸的合成途径。经过22天的发酵，该体系成功产生了浓度为63.9 mM（约7.4 g L?1）的己酸。为了优化工艺，他们随后进行了两轮为期12天的短期发酵对比。结果表明，定期补充乙醇的实验组产生了更多的己酸（28.9 mM，约3.4 g L?1），而未补充乙醇的对照组产量为21.7 mM（约2.5 g L?1）。更为重要的是，当引入酿酒酵母构成多界菌群后，即使不额外添加乙醇，发酵液中也形成了37.9 ± 11.4 mM（约4.4 g L?1）的己酸。这证实了酵母通过其代谢活动，能够为克氏梭菌的链 elongation 过程提供必要的底物，实现了自给自足的发酵过程。
2. 菌群内复杂的代谢交互
研究不仅观察到了预期的交叉喂养现象（如乳酸、乙醇作为己酸合成前体），还揭示了菌群成员间更复杂的代谢互动。研究发现，在发酵过程中，菌群会生成并重新代谢甘露醇和甘油等多元醇。对最终发酵液的成分分析表明，乳酸和己酸是其中最主要的羧酸。这些发现说明，合成菌群内部存在动态、多向的代谢网络，其产物谱系比单一菌株培养更为丰富。
3. 体外与模型系统中的抗菌活性
纯化合物活性：体外实验显示，纯己酸在pH 4.5和pH 6.5的条件下，均能有效抑制细菌、酵母和霉菌的生长。而在碎肉模型中，乳酸和己酸表现出了协同抗菌作用，两者的组合比单独使用任何一种酸具有更强的防腐效果。
发酵液活性：富含己酸的完整发酵液同样显示出广谱的抗菌活性。其抗菌效果在pH 4.5时最为显著，在pH 6.5时活性相对减弱，但仍具有一定抑制作用。这证明发酵液的整体抗菌效力不仅来自于己酸，也可能源于乳酸等其他代谢产物的贡献。
结论与讨论
本研究成功地设计并验证了一种能够高效生产己酸的新型多界合成微生物菌群。通过结合罗伊氏乳杆菌、克氏梭菌和酿酒酵母，并利用它们之间精巧的代谢分工与交叉喂养，研究人员开发出了一种可以不依赖或减少依赖外源乙醇供应、就能生产己酸发酵液的生物工艺。这项工作超越了仅优化单一产物产量的范畴，深入揭示了菌群内部复杂的代谢相互作用，例如甘露醇和甘油的生成与再利用。
从应用角度看，该研究提供了关键证据，表明所获得的富含己酸的发酵液具有强大的、pH依赖性的广谱抗菌活性，尤其对碎肉中的微生物污染表现出良好的抑制潜力。乳酸与己酸的协同效应，进一步提升了其作为生物防腐剂的应用价值。这项研究不仅为开发基于新型中链羧酸的食品生物防腐剂开辟了新途径，也为理解和设计更复杂的合成微生物生态系统用于定向生产高附加值化合物提供了宝贵的见解和实验基础。
