李欣，黃芳，常旭，廖蓓，李志軍，陳雄，*

（1.發(fā)酵工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，工業(yè)微生物湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068；2.安琪酵母股份有限公司，湖北宜昌443003）

醋酸菌（acetic acid bacteria，AAB）廣泛分布于自然環(huán)境中，也是發(fā)酵食品（如食醋、酒類產(chǎn)品、可可豆和紅茶）中的一種重要微生物[1]。醋酸菌并非一個(gè)嚴(yán)格的微生物分類學(xué)概念，而是指能以氧氣為終端電子受體，氧化糖類、糖醇類和醇類生成相應(yīng)的糖醇、酮和有機(jī)酸的革蘭氏陰性細(xì)菌總稱[2]。第一個(gè)AAB屬——醋酸桿菌屬（Acetobacter spp.）是1898年由BEIJERINCK M[3]提出的。當(dāng)前，已報(bào)道的AAB共16個(gè)屬，84個(gè)種[4]。至2017年年底，美國國立生物技術(shù)信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）已收錄公布了12個(gè)屬共148個(gè)AAB菌株的基因組信息。在這些屬中，由于醋酸桿菌屬（Acetobacter）和葡糖醋桿菌屬（Gluconacetobacter）對(duì)乙醇和乙酸的高耐受性而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[5-8]。本文針對(duì)這兩種醋酸菌的營(yíng)養(yǎng)需求進(jìn)行綜述。

1 醋酸菌的一般特性

醋酸菌是革蘭氏陰性或革蘭氏不定型的橢圓或桿狀細(xì)胞，呈單個(gè)、成對(duì)或短鏈狀排列。醋酸菌不形成芽孢，菌體周生或端生鞭毛，因而具有運(yùn)動(dòng)能力。生長(zhǎng)最優(yōu)pH值是5.0～6.5，而它們能夠在更低pH值（3～4）下生長(zhǎng)[9]。除少量種屬中的菌株具有一定的耐熱性[10-11]，絕大部分的醋酸菌最適生長(zhǎng)溫度在28℃～30℃之間。

以醋化醋酸桿菌（A.aceti）為代表的醋酸桿菌屬能氧化乙酸鹽和乳酸鹽，能氧化乙醇產(chǎn)乙酸，泛醌為Q-9型[1]。以液化葡糖醋桿菌（Ga.liquefaciens）為典型菌株的葡糖醋桿菌屬能氧化葡糖酸鹽和醋酸鹽，能氧化酒精產(chǎn)醋，輔酶Q為Q-10型[1]。

2 醋酸菌常用的培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是開展微生物研究的最基礎(chǔ)的材料。不同培養(yǎng)基適應(yīng)于不同類型微生物。對(duì)醋酸菌基本培養(yǎng)而言，最常用的培養(yǎng)基是由5%葡萄糖和1%酵母浸膏組成的葡萄糖-酵母浸膏培養(yǎng)基[12]。在此基礎(chǔ)上衍生改良的葡萄糖-酵母浸膏-碳酸鈣培養(yǎng)基、葡萄糖-酵母浸膏-蛋白胨-乙醇培養(yǎng)基和葡萄糖-酵母浸膏-蛋白胨-醋酸-乙醇培養(yǎng)基[13-15]以及酵母抽提物-蛋白胨-甘露醇培養(yǎng)基和麥芽提取物-酵母浸膏-乙醇培養(yǎng)基[16]被用于醋酸菌的分離和富集。此外，強(qiáng)化醋酸乙醇培養(yǎng)基（4%葡萄糖、1%酵母浸膏、1%蛋白胨、0.33%Na2HPO4·2H2O、0.15%檸檬酸、適量乙酸和乙醇）和 Dobereiner無氮培養(yǎng)基（0.06%KH2PO4、0.02%MgSO4、0.002%CaCl2、0.001%FeCl3、0.000 2%Na2MoO4、10%庶糖，pH4.5）分別適用于耐酸（醇）和固氮醋酸菌的培養(yǎng)[17-18]。經(jīng)典的赫斯特林-施拉姆培養(yǎng)基（hestrinschramm，HS），組份包括2%葡萄糖、0.5%酵母浸粉、0.5%蛋白胨、0.375%Na2HPO4和0.115%檸檬酸）被用于合成細(xì)菌纖維素的醋酸菌的分離[19]。不同醋酸菌的性能具有較大的差異，往往還需要針對(duì)性的開展培養(yǎng)基優(yōu)化工作。孫文瑛等結(jié)合Plackett-Buramn實(shí)驗(yàn)、最陡爬坡實(shí)驗(yàn)和Box-Behnken實(shí)驗(yàn)方法對(duì)醋桿菌1IA1的發(fā)酵產(chǎn)酸培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化，獲得以乙醇、葡萄糖、酵母粉和乙酸為主要成分的含有金屬鹽的醋酸發(fā)酵培養(yǎng)基[20]。

3 碳源

碳源和能量源是影響醋酸菌生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。醋酸桿菌能利用糖作為碳源以支撐自身的生長(zhǎng)代謝過程，然而，它們對(duì)糖類的利用差異既表現(xiàn)在種間，也反映在種內(nèi)。不同菌株可轉(zhuǎn)化產(chǎn)酸的糖類有很大的不同[21]。醋酸桿菌屬（Acetobacter）和葡糖醋桿菌屬（Gluconacebacter）均無法利用D-阿拉伯糖、L-鼠李糖、蜜二糖、蔗糖、棉子糖、三梨醇和己六醇。葡糖醋桿菌屬能利用D-葡萄糖、D-半乳糖、D-果糖和甘油。這兩個(gè)屬中的部分菌株能利用L-阿拉伯糖、D-木糖和D-甘露糖。部分葡糖醋桿菌屬菌株能利用L-山梨糖和D-甘露醇。部分醋酸桿菌屬菌株能利用D-葡萄糖和D-半乳糖。醋酸桿菌不能利用甘油，而葡糖醋桿菌能利用。此外，一些多糖也能被葡糖醋桿菌利用[22]。醋酸桿菌能通過多條代謝途徑利用糖，如磷酸己糖途徑、糖酵解途徑（embden-meyerhof-parnas pathway，EMP） 和 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑（entner-doudoroff pathway，ED）[23]，但是不同種屬間的醋酸菌糖代謝產(chǎn)能的效率不同，相對(duì)于醋酸桿菌，糖更適于作為葡糖醋桿菌屬（Gluconacebacter）的碳源。

對(duì)醋酸菌而言，乙醇是一種雙功能營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，既可以被視為生長(zhǎng)碳源，也是產(chǎn)酸促進(jìn)劑。王麗麗等發(fā)現(xiàn)乙醇對(duì)液體深層醋酸發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)菌株滬釀1.01的菌體生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[24]。宋勇強(qiáng)等以提高甘肅傳統(tǒng)食醋中的1株優(yōu)勢(shì)醋酸菌A3產(chǎn)酸量為目標(biāo)，采用正交設(shè)計(jì)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法，確定發(fā)酵初始乙醇濃度為4.2%[25]。張衛(wèi)華等運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化醋酸菌發(fā)酵條件，確定的乙醇濃度為6.1%vol[26]。一般而言，當(dāng)乙醇醋酸桿菌屬（Acetobacter）和葡糖醋桿菌屬（Gluconacebacter）以乙醇為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，其生長(zhǎng)過程經(jīng)歷3個(gè)階段。首先，乙醇能快速被氧化成乙酸，并伴隨著乙酸從周質(zhì)空間釋放到外界環(huán)境。這一時(shí)期也被稱為乙醇氧化期。隨后，醋酸菌進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，其可育細(xì)胞數(shù)減少或降低生長(zhǎng)產(chǎn)率。第三個(gè)生長(zhǎng)期為乙酸氧化期，期間乙酸在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)被可溶性乙醇脫氫酶（alcoho dehydrogenase，ADH）和乙醛脫氫酶（aldehyde dehydrogenase，ALDH）分解，同時(shí)伴隨能量的產(chǎn)生和碳源的同化作用[27]。

相對(duì)于醋酸桿菌屬，葡糖醋桿菌屬具有更多樣化的功能和作用，如固氮作用、合成纖維素、生產(chǎn)水溶性棕色素[28-31]。葡萄醋桿菌屬在可利用碳源上展現(xiàn)了多樣性。Singh等針對(duì)Gluconacetobacter xylinus C18，基于中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)面優(yōu)化方法建立了以糖蜜（10.77%）和玉米漿（12.47%）為主的培養(yǎng)基，其最大細(xì)菌纖維素產(chǎn)量達(dá)到4.34 g/L[32]。Bilgi E等通過PB（Plackett-Burman）和中心組合設(shè)計(jì)獲得一個(gè)以糖蜜和玉米漿為主營(yíng)養(yǎng)的產(chǎn)細(xì)菌纖維素（4.24 g/L）的發(fā)酵體系[33]。除葡萄糖外，乙酸和乳酸也可作為額外的碳源以支撐葡糖醋桿菌的生長(zhǎng)和細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)[34]。此外，一些工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物，如發(fā)酵廢液和腐爛的水果，也被作為糖醋桿菌合成細(xì)菌纖維素的營(yíng)養(yǎng)組分[35-36]。

4 氮源

氮源是培養(yǎng)基中重要營(yíng)養(yǎng)組分，對(duì)維持醋酸菌代謝具有重要作用，如醋酸菌催化乙醇轉(zhuǎn)化乙酸的代謝過程中會(huì)消耗氨基酸[37]。大部分醋酸菌能夠使用無機(jī)氮源硫酸銨作為唯一氮源，因?yàn)樗鼈兡芾冒焙铣伤邪被醄38-39]。培養(yǎng)基中的自由氨基酸是AAB很好的氮源[40-41]。20種氨基酸混合物能替代水解酪蛋白用于弱氧化醋桿菌（Acetobacter suboxydans）的生長(zhǎng)[42]。為避免配制培養(yǎng)基的麻煩，往往在培養(yǎng)基中使用蛋白胨或酵母浸粉，它們能確保為醋酸菌的生長(zhǎng)提供一個(gè)總量的氮源。

醋酸菌對(duì)氨基氮源的需求極大的受到菌株和使用培養(yǎng)條件的影響[43]。早期文獻(xiàn)報(bào)道纈氨酸對(duì)弱氧化醋酸桿菌（Acetobacter suboxydans）的生長(zhǎng)是必需的，而且，纈氨酸、異亮氨酸、丙氨酸和組氨酸是滿足該菌生長(zhǎng)的最小氨基酸組合，盡管增加這些氨基酸的濃度并不會(huì)顯著促進(jìn)生長(zhǎng)，但減少將會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)能力顯著降低[44]。然而，Kerwar等的研究卻顯示不一致的結(jié)果。他們認(rèn)為纈氨酸對(duì)弱氧化醋酸桿菌的生長(zhǎng)有抑制作用，但是添加異亮氨酸能消除纈氨酸所引起的生長(zhǎng)抑制效應(yīng)[45]。Belly和Claud在分析弱氧化醋酸桿菌ATCC 621的營(yíng)養(yǎng)需求時(shí)，指出在一個(gè)全合成的不含氨基酸的培養(yǎng)基中添加谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和組氨酸能刺激生長(zhǎng)，而甘氨酸的促生長(zhǎng)能力較弱[46]。蘇氨酸和高絲氨酸對(duì)醋化醋桿菌（Acetobacter aceti）的生長(zhǎng)有抑制效應(yīng)[47]。Sainz研究了兩株蘋果醋桿菌（A.malorum）對(duì)氨基酸和銨鹽需求特征，結(jié)果顯示以M9培養(yǎng)基為對(duì)照，添加脯氨酸能明顯促進(jìn)蘋果醋桿菌1437和7742的生長(zhǎng)，同時(shí)，丙氨酸只對(duì)菌株7742有顯著的促生長(zhǎng)效果。此外，這兩個(gè)醋酸菌在谷氨酸、谷氨酰胺或絲氨酸存在下還具有大部分生長(zhǎng)能力，但是在單一銨離子條件下的生長(zhǎng)能力非常弱[48]。Yin等以巴氏醋酸桿菌（Acetobacter pasteurianus）AC2005為研究對(duì)象，從16種氨基酸中篩選出3種對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用的3種氨基酸（天冬氨酸、谷氨酸和脯氨酸），并重點(diǎn)研究了前兩種氨基酸的促生長(zhǎng)效果。細(xì)菌生長(zhǎng)、可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)、乙酸產(chǎn)量和乙酸生產(chǎn)速率分別提高了1.04、5.43、1.45、3.30 倍；添加谷氨酸后，這些指標(biāo)分別增長(zhǎng) 0.51、0.72、0.60、0.94 倍[49]。

5 溶氧

醋酸菌通過不完全氧化過程（也稱為氧化發(fā)酵）利用細(xì)胞膜結(jié)合的脫氫酶在周質(zhì)空間內(nèi)將底物氧化成產(chǎn)物（一般為酸）[50]。以輔酶Q為主體的電子傳遞鏈負(fù)責(zé)將電子從底物轉(zhuǎn)移到最終的電子受體氧分子上[51-54]。因此，氧是氧化發(fā)酵完成必不可少的重要營(yíng)養(yǎng)因子。氧氣的可利用程度會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)酵速率和產(chǎn)率[55-57]。同時(shí)，溶氧不足也會(huì)導(dǎo)致醋酸菌從可培養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇婊畹豢膳囵B(yǎng)狀態(tài)（viablebutnon-culturable，VBNC）[58]，這將嚴(yán)重影響了醋酸菌的篩選、培養(yǎng)和發(fā)酵研究開展。還有研究表明溶氧水平對(duì)葡糖醋桿菌G.xylinus形成的細(xì)菌纖維素的晶體構(gòu)型、厚度和性能均產(chǎn)生影響[59]。

6 其它營(yíng)養(yǎng)需求

醋酸桿菌屬（Acetobacter）和葡糖醋桿菌屬（Gluconacebacter）能氧化乙酸和乳酸形成二氧化碳和水。乙酸是一個(gè)雙功能營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，既可以作為碳源，也可以作為培養(yǎng)基的緩沖體系。當(dāng)作為營(yíng)養(yǎng)因子時(shí)，高濃度的乙酸并不抑制醋酸菌的生長(zhǎng)，但過量的乙酸（15 mol/L，pH值=1.8）會(huì)限制細(xì)菌的生長(zhǎng)[60]。適量的丙酸也具有促進(jìn)作用，但鹽酸和磷酸等無機(jī)酸及乳酸并不具有相似的功能[61]。培養(yǎng)基緩沖能力和離子強(qiáng)度對(duì)G.xylinus BCRC12334固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)細(xì)菌纖維素有顯著的影響，200 mmol/L pH 4.75乙酸緩沖培養(yǎng)基中的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量為3.56 g/L，遠(yuǎn)高于葡萄糖-酵母浸粉-蛋白胨培養(yǎng)基（2%葡萄糖、0.5%酵母浸粉和0.5%蛋白胨）（0.66 g/L）和 HS培養(yǎng)基（1.23 g/L）[62]。此外，檸檬酸也常被作用緩沖溶劑用于木醋桿菌（Acetobacter xylinum）的培養(yǎng)中[63]。

醋酸菌對(duì)維生素的需求研究受到的關(guān)注極少，只有零星片段的研究報(bào)告。生黑醋桿菌（Acetobacter melanogenum），氧化醋桿菌（Acetobacter oxygans）和惡臭醋桿菌（Acetobacter rancens）都要求泛酸（pantothenic acid，維生素 B5）、煙酸（nicotinic acid），但氧化醋桿菌不需要硫銨（Thiamin，維生素 B1）[64]。

醋酸菌對(duì)金屬鹽的需求沒有系統(tǒng)的研究結(jié)果報(bào)告。在一些情況下，碳酸鈣通常作為pH調(diào)節(jié)劑而被使用。磷酸鹽也被作為醋酸菌的營(yíng)養(yǎng)成分之一[65]。

7 結(jié)論

從第一例醋酸菌被發(fā)現(xiàn)以來，篩選獲得的醋酸菌菌株數(shù)量急劇增加，種屬得到極大擴(kuò)展，作用功能也越來越豐富。研究者已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種適用于不同研究目的的培養(yǎng)基，但是它們僅能滿足醋酸菌基本的生長(zhǎng)要求。同時(shí)，醋酸菌營(yíng)養(yǎng)需求的研究主要集中于廉價(jià)碳源的篩選和發(fā)酵效果評(píng)價(jià)及氨基氮源的生理功能，而對(duì)微量元素，如維生素和金屬鹽的研究極少收到關(guān)注。然而，不同種屬、不同菌株在不同的應(yīng)用條件所需要的營(yíng)養(yǎng)需求都有差異。因此，更精細(xì)的揭示營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)醋酸菌的影響和作用機(jī)制，深入到基因表達(dá)調(diào)控、蛋白表達(dá)差異和代謝等水平，更有助于理解醋酸菌的多樣性、差異性和獨(dú)特性[66]。

醋酸是一種重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，在化工、輕紡、塑料、醫(yī)藥、橡膠以及染料等行業(yè)有著十分廣泛的用途[67]。同時(shí)，食醋是人們?cè)谌粘Ｉ钪袕V泛食用的調(diào)味品。利用醋酸菌轉(zhuǎn)化食用酒精是高濃度食醋的主要生產(chǎn)方法。開發(fā)低成本高效率的醋酸發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽是醋酸菌研究的重要方向，如江南大學(xué)研發(fā)了由水解酵母粉（26.5%）、檸檬酸銨（15.5%）、葡萄糖（44.8%）、磷酸氫二鉀（4.2%）和磷酸氫二鈉（3.7%）組成的醋酸菌發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽[68]。目前，中國市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的醋酸菌培養(yǎng)基是進(jìn)口德國的弗林斯醋酸菌發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)鹽，主要由酵母浸出物、無機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子等物質(zhì)復(fù)配得到，雖然使用方便，但價(jià)格昂貴。中國最大的酵母制造商安琪酵母有限公司也開發(fā)出用于液態(tài)米醋發(fā)酵和酒精醋發(fā)酵的3種型號(hào)營(yíng)養(yǎng)鹽。然而，相比進(jìn)口產(chǎn)品，在促生長(zhǎng)和促代謝方面，國產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)鹽還存在微弱的差異與不足。因此，基于醋酸菌營(yíng)養(yǎng)需求特征，開展精細(xì)化改進(jìn)和優(yōu)化是未來營(yíng)養(yǎng)鹽研究的重要方向。