《BMC Microbiology》：Optimization of fermentation conditions for enhanced acetylcholine and biomass production of Lactiplantibacillus plantarum AM2 using the Taguchi approach
編輯推薦：
為提升植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）AM2 產乙酰膽堿（ACh）及生物量，研究人員采用田口陣列設計優化發酵條件與培養基成分。確定關鍵影響因素，獲最優條件，使 ACh 和生物量分別提升 6.32 倍與 4.56 倍，為工業應用及調控腸 - 腦軸提供依據。
研究背景
在微生物代謝研究與腸道菌群調控領域，植物乳植桿菌（Lactiplantibacillus plantarum）作為重要的益生菌種，其代謝產物乙酰膽堿（Acetylcholine, ACh）因在腸 - 腦軸（Gut-Brain Axis）調控中扮演關鍵角色而備受關注。乙酰膽堿不僅是中樞神經系統的重要神經遞質，參與記憶、認知等功能，其水平下降還與阿爾茨海默�。ˋlzheimer’s Disease）等神經退行性疾病密切相關。然而，目前關于植物乳植桿菌合成乙酰膽堿的定量機制及高效生產策略尚不明確，如何通過優化發酵條件提升其代謝活性與生物量產出，成為制約該菌株在功能性食品與生物醫藥領域應用的瓶頸。
為突破這一困境，埃及亞歷山大法羅斯大學（Pharos University in Alexandria）與亞歷山大大學（Alexandria University）的研究團隊開展了相關研究。其成果發表于《BMC Microbiology》，旨在通過田口法（Taguchi Approach）這一高效的實驗設計方法，系統篩選影響植物乳植桿菌 AM2 產乙酰膽堿及生物量的關鍵因素，明確其代謝規律，為工業化生產及益生菌制劑開發提供理論支撐。
主要技術方法
研究采用田口陣列設計（Orthogonal Array Design），以 L12 正交表系統考察牛肉浸膏、蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、pH、攪拌速率、接種量 7 個因素對乙酰膽堿產量與生物量的影響。通過響應值分析（Response Value Analysis）與方差分析（ANOVA）確定顯著影響因子，并建立回歸模型預測最優條件。實驗中利用酶聯免疫吸附測定（ELISA）定量乙酰膽堿濃度，通過干重法與分光光度法測定生物量，結合統計學工具（Statistica 10 軟件）驗證模型有效性。
研究結果
1. 關鍵影響因素篩選
通過 12 組正交實驗（表 1），發現牛肉浸膏與蛋白胨是影響乙酰膽堿合成的核心因子（P<0.05），而接種量對生物量產出起決定性作用（P<0.05）。酵母浸膏、葡萄糖等因素對乙酰膽堿影響較弱，但葡萄糖對生物量呈正相關趨勢（P=0.2047）。
2. 最優發酵條件確定
- 乙酰膽堿生產：最優條件為牛肉浸膏 11 g/L、蛋白胨 40 g/L、酵母浸膏 5 g/L、葡萄糖 20 g/L、pH 5.7、無攪拌、接種量 1%（v/v），預測濃度 490.83 pg/mL，實驗值 495.8 pg/mL，較基礎條件提升 6.32 倍。
- 生物量生產：最優條件為牛肉浸膏 8 g/L、蛋白胨 10 g/L、酵母浸膏 20 g/L、葡萄糖 35 g/L、pH 6.6、攪拌速率 150 rpm、接種量 4%（v/v），預測值 20.58 g/L，實驗值 21.3 g/L，提升 4.56 倍。
3. 模型有效性驗證
方差分析顯示，乙酰膽堿模型 R2=0.9236，生物量模型 R2=0.9739，表明模型擬合度良好。驗證實驗證實預測值與實測值高度吻合，田口法在多因素優化中展現出高效性。
結論與討論
本研究首次通過田口法系統優化植物乳植桿菌 AM2 的發酵條件，明確了營養因子與環境參數對其代謝活性的調控機制。結果表明，氮源（牛肉浸膏、蛋白胨）是乙酰膽堿合成的限速因素，而接種量與攪拌速率通過影響菌體生長狀態決定生物量產出。該優化策略使乙酰膽堿與生物量顯著提升，為工業化發酵提供了可復制的技術方案。
從應用前景看，提升乙酰膽堿產量有助于強化植物乳植桿菌在腸 - 腦軸調控中的作用，為阿爾茨海默病等神經退行性疾病的預防與治療提供了新方向。此外，生物量的優化可降低生產成本，縮短發酵周期，推動該菌株在益生菌制劑、功能性食品中的規�；瘧�。盡管研究未深入探討高階因子互作，但其建立的基礎模型為后續采用響應面法（RSM）等進一步優化奠定了基礎。
綜上，該研究不僅拓展了植物乳植桿菌的功能特性認知，更通過工程化手段架起了基礎研究與產業應用的橋梁，為微生物代謝優化與益生菌精準開發提供了典型范例。
