一种集成生物工艺优化方法，用于从Trachinotus ovatus的副产品中共同生产益生菌和丁酸

《Bioresource Technology Reports》：An integrated bioprocess optimization for the co-production of probiotics and butyric acid from Trachinotus ovatus by-products

　　

黄浩楠|张电常|丁贤

上海海洋大学食品科学与技术学院，上海，201306，中国

摘要

鱼类加工副产品的大量产生不仅对环境构成挑战，同时也是一种未被充分利用的资源。本研究开发了一种集成的、经过统计优化的生物工艺，通过使用丁酸梭菌（Clostridium butyricum）DH01进行发酵，将Trachinotus ovatus加工副产品转化为高价值产品。采用了一种顺序优化策略——包括单因素实验、Plackett-Burman设计、最速上升法（steepest ascent）和响应面法（Response Surface Methodology）——来共同优化发酵条件，以最大化发酵液的益生菌生物量和总抗氧化能力。在优化条件下（麦芽糖17.02?g·L^?1、牛肉提取物16.63?g·L^?1、接种量1%、L-半胱氨酸盐酸盐0.7?g·L^?1、37?°C），该工艺在应用于原始副产品基质时，实现了14.34?×?10⁸?CFU·mL^?1的生物量和13.56?U·mL^?1的总抗氧化能力（T-AOC）。在48小时的发酵周期内，丁酸的产率为18.38?g·L^?1，产速为0.38?g·L^?1·h^?1，产率为0.51?g·g^?1，同时还产生了戊酸、异戊酸和己酸。此外，发酵液中的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性显著增强，显示出有机酸和抗氧化能力的双重功能输出。这项工作建立了一种潜在的可扩展的生物精炼策略，将低价值的水产废弃物转化为高密度的益生菌生物量和功能丰富的代谢物，有助于水产养殖和饲料行业的循环经济发展。

引言

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）是一种在水产养殖和动物饲料中应用广泛的益生菌，在可持续生产系统中作为抗生素和生长激素的关键替代品（Du et al., 2024; Boyd et al., 2020）。其益处是多方面的，包括增强消化酶活性和营养吸收（Dai et al., 2017）、产生功能性短链脂肪酸（SCFAs）如丁酸以调节肠道稳态（Kanai et al., 2015）、合成维生素（Sandhu and Radhakrishnan, 2025）、改善生长性能（Chen et al., 2025）、调节脂质和氨基酸代谢（Liu et al., 2018）、塑造有益的肠道微生物群（Chen et al., 2021; Zhao et al., 2026）以及提升宿主的抗氧化和免疫能力（Duan et al., 2018; Liang et al., 2020）。

丁酸是C. butyricum产生的SCFAs之一，在维持肠道屏障完整性、调节免疫反应和发挥抗炎作用方面起着关键作用（Kanai et al., 2015; Markowiak-Kope? & ?li?ewska, 2020）。此外，据报道C. butyricum通过激活Nrf2/Keap1信号通路，上调抗氧化酶如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的表达，从而增强宿主的抗氧化能力（Li et al., 2021; Duan et al., 2018）。尽管这些功能益处已有充分文献记载，但C. butyricum的工业化生产仍面临发酵效率、成本和活细胞产率等重大瓶颈（Jones, 2024）。

尽管已经研究了碳源和氮源（He et al., 2004; Yin and Wang, 2017; Lan et al., 2021）、温度（Zhao et al., 2005）及其他工艺参数（Chong et al., 2009; RamKumar et al., 2021）的优化以提高生物量，但研究主要集中在细胞密度上。通过集成生物工艺工程系统地同时优化生物量和关键功能特性（如抗氧化能力）的研究仍然不足。

与此同时，不断扩大的水产养殖业产生了大量的富含营养的加工副产品（例如鱼头、内脏），全球年产量接近1.7亿吨（Xia et al., 2024; Chen et al., 2020; Gill et al., 2025）。这些生物量的不当处理不仅造成了巨大的资源浪费（Caruso et al., 2020），也是环境污染的来源（Dou and Wu, 2021）。微生物发酵为这些废弃物的增值提供了有前景的途径（Tlais et al., 2020; Betiku et al., 2023）；然而，使用这种复杂废弃物作为底物时，转化效率低和工艺不稳定仍然是工业应用的主要障碍。

因此，两个关键挑战并存：(i) 提高C. butyricum的功能效率和生产成本，(ii) 开发高效稳定的水产废弃物转化生物工艺。这种协同作用提供了一个明确的机会：利用优化的发酵工艺将低价值的鱼类副产品转化为高价值产品。解决这一问题需要从单纯追求生物量最大化转向生长和功能性代谢物生产的共同优化。

因此，本研究旨在设计并实施一种集成的、经过统计优化的生物工艺。我们采用了一种顺序策略，结合了单因素实验（SFEs）、Plackett-Burman（PB）设计、最速上升法（SA）和响应面法（RSM），目标是最大化发酵液的益生菌生物量和总抗氧化能力（T-AOC）。然后直接将优化后的工艺应用于Trachinotus ovatus加工副产品的增值。这项工作为水产废弃物的高价值生物转化提供了工程驱动的、可扩展的策略，有助于实现水产养殖和饲料行业的实际循环经济解决方案。

章节片段

培养基制备

使用的培养基为强化梭菌培养基（Reinforced Clostridial Medium，RCM），每升含有：10.0?g蛋白胨、3.0?g酵母提取物、5.0?g葡萄糖、10.0?g牛肉提取物、1.0?g可溶性淀粉、0.5?g盐酸半胱氨酸、5.0?g NaCl和3.0?g乙酸钠。培养基在121?°C下高压灭菌20分钟。

所有培养基均用去离子水配制，调整至pH?7.0?±?0.2，然后在121?°C下高压灭菌20分钟。对于厌氧培养，还需将培养基煮沸

优化研究

通过平板计数和OD₆₀₀测量监测了C. butyricum DH01在基础发酵培养基中的生长情况，结果显示出一致的趋势。在指数生长阶段，生物量迅速增加，在20小时时达到最大值7.7?×?10⁸?CFU·mL^?1。因此，所有后续实验均采用这一培养期。

进行了单因素实验（SFEs）以优化生物量生产的关键营养和操作参数。在测试的碳源中，葡萄糖和

结论

本研究开发了一种集成的、经过统计优化的生物精炼工艺，利用丁酸梭菌（C. butyricum DH01）对T. ovatus加工副产品进行增值。

从定量上看，响应面法（RSM）使生物量和功能活性同时得到提升，生物量达到12.67?×?10⁸?CFU·mL^?1，总抗氧化能力（T-AOC）达到13.56?U·mL^?1，分别比优化前提高了64.5%和67%。进一步使用副产品进行发酵后，效果更佳

CRediT作者贡献声明

黄浩楠：撰写——原始草稿、可视化、实验设计、数据整理。张电常：方法学设计、实验研究。丁贤：撰写——审稿与编辑、监督、方法学设计、实验研究。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

致谢

中国广东省科技规划项目的支持。