酵母与细菌共培养

摘要

酵母与细菌共培养在自然界普遍存在，目前已广泛应用于食品领域（如乳制品、酒精饮料）。其优势包括：拓宽底物范围、提高生产效率、改善产品营养。

目前从平板到生物反应器的工艺已开发完善，但工业化仍面临挑战——许多菌间相互作用尚未阐明。传统离线测量仍是主要手段，在线单细胞监测技术虽带来新可能，但应用仍处起步阶段。

本综述聚焦细菌、酵母及二者共培养的工艺与过程分析最新进展。建立适宜的监测方法，将加速工业共培养工艺开发，推动技术标准化与跨地区应用。

一、引言

在限定环境中，涉及两种或两种以上已知微生物的共培养，已被认为是诱导特定产物生物合成以及调控机制（包括辅因子和代谢物交换）的有效方法。

1.1 纯培养的局限性

传统上，微生物生物生产多采用无菌纯培养或非无菌混合培养。纯培养由于缺乏最佳的生物因素（如细胞间通讯与相互作用）和非生物因素（如温度、pH值、氮源和碳源），其生长状况往往与自然环境中的生长大相径庭。

1.2 共培养的优势

 提高产量：每种微生物都能刺激其他微生物，从而提高特定代谢物的产量

 增强稳健性：对培养条件变化具有更高的适应能力

 缓解代谢负担：通过菌株间转化过程的共享及辅因子交换，有效缓解中间代谢物过量积累的问题

 应对复杂原料：更能应对复杂原料组成的挑战

1.3 共培养的局限性

 底物竞争导致产品专一性降低

 底物吸收无法精确分配给单一微生物

1.4 监测技术的重要性

由于共培养系统比纯培养更难控制，引入能够提供足够时间分辨率和相关数据的监测工具至关重要。监测技术可分为三类：

 实时监测：直接在细胞悬浮液中或其附近进行

 在线监测：位于培养系统旁边

 离线监测：需在一定空间距离外进行，需要样品转移

目前适用的过程分析技术包括：散射光谱、吸光度与自荧光光谱、荧光标记以及流式细胞术。

1.5 本综述的目标

✅ 概述共培养体系合成多种产品（尤其是食品应用）的最新进展

✅ 探讨用于监测和控制微生物群落的适当工具

✅ 重点关注单细胞分析技术及其机遇与挑战

图1. 展示了酵母与细菌共培养的不同培养规模、监测技术及产品应用前景。

二、微生物共培养的类型与应用

自然界存在多种共生关系，如固氮细菌与豆科植物、真菌共生体与植物等。通过模拟这些系统，相关研究可应用于生物技术工艺。

共培养技术已广泛应用于食品开发，涵盖乳制品、酒精饮料及替代蛋白等，用于赋予食品独特的颜色、风味、口感和质地。

（说明：本综述中所描述的共培养比例均以 CFU/mL 为单位，除非另有说明。）

2.1 酵母共培养

（1）葡萄酒酿造

研究案例：酿酒酵母 QA23 与托鲁氏酵母 Zymaflore® alpha 共培养

 方法：在含生长因子（麦角甾醇、油酸等）的膜反应器中进行

 关键发现：通过调整生长因子浓度，可有效控制两种菌群的比例

（2）啤酒发酵

研究案例：托鲁氏酵母 Biodiva™ 与酿酒酵母 Safale S-04™ 共培养

 接种比例效果：

1:2 → 托鲁氏酵母提前死亡

1:20 → 酿酒酵母生长受抑制

 风味化合物变化：

癸酸乙酯：较纯培养提高 46.7%~70.1%

十二酸乙酯：较纯培养提高约 148%

（3）乙醇生产

研究案例：固定化酿酒酵母 PE-2 与谢弗氏假丝酵母共培养

 方法：细胞固定于海藻酸钙珠

 效果：

乙醇产量较纯酿酒酵母培养提高 4 倍

乙醇产量较纯谢弗氏假丝酵母培养提高了3倍

（4）乙酸乙酯生产

研究案例：酿酒酵母 Y3401 与异常威克汉姆酵母 Y3604 共培养

 接种方式比较：同时接种 > 顺序接种

 最优条件：酿酒酵母:威克汉姆酵母 = 3:1，产量达 6.41 g/L

（5）果寡糖生产

研究案例：出芽短梗霉与酿酒酵母共培养

 方法：固定化出芽短梗霉 + 包埋后10小时接种酿酒酵母

 效果：果寡糖含量达 131.9 g/L，较对照组提高约 23 倍

（6）药物前体生产

研究案例：热带假丝酵母与酿酒酵母共培养生产苯乙酰卡宾醇

 底物：甘蔗渣水解液

 效果：产量 8.65 mmol（纯培养仅 4.50 mmol）

 优化：两相乳化体系使生产效率提高 1.5 倍

2.2 酵母-细菌共培养

（1）开菲尔发酵

牛奶开菲尔：菌粒由细菌多糖、乳酸菌、乙酸菌和酵母组成，具有心脏保护、抗病毒、抗癌等多种健康益处。

水开菲尔：选定瓦尔比酵母菌和肠膜明串珠菌优化后获得：

乙醇：7 g/L

乳酸：4.98 g/L

（未优化对照组：乙醇 23 g/L，乳酸仅 1.33 g/L）

（2）γ-氨基丁酸生产

菌株：酿酒酵母 SC125 + 粪肠球菌 AB157

效果：产量提高 1.74 倍

机制：与 GABA 合成相关基因（glnH、glnM、gad、gadA）表达上调

（3）胞外多糖生产

菌株：鼠李糖乳杆菌 + 酿酒酵母

效果：产量提高 39%~49%

最佳菌株：RW-9595 M

（4）花生大豆奶发酵

菌株：嗜酸乳球菌 + 嗜酸乳杆菌 + 酿酒酵母

效果：

 乳酸浓度：8.51 g/L（单菌培养仅 0.03~3.26 g/L）

 碳水化合物消耗率：58%~78%

 氨基酸消耗量明显更高

（5）啤酒中乳酸菌存活

问题：啤酒花中的异α-酸具有抗菌性，抑制乳酸菌生长

解决方案：副干酪乳杆菌 L26 + 酿酒酵母 S-04 共培养

效果：乳酸菌活菌数达 10⁹ CFU/100 mL（单菌培养7天后无活菌）

（6）白酒酿造

菌株：酿酒酵母 + 面包乳杆菌

关键因素：

 低还原糖（~15 g/L）有利于面包乳杆菌生长（提高1.8倍）

 高乙醇（40 g/L）抑制面包乳杆菌（下降1.56倍）

（7）香肠发酵

菌株：汉氏德巴利酵母 + 木糖葡萄球菌 + 戊糖片球菌

比例：4:1:0.2

机制：促进α-酮酸生成，实现氨基酸交叉供给

效果：支链醛类浓度明显高于单菌培养

（8）Nisin 生产

菌株：乳酸乳球菌 + 酿酒酵母

最优比例：100:1（乳酸乳球菌:酿酒酵母）

效果：nisin 产量提高 81.4%

（9）双歧菌素 A 生产

菌株：动物双歧杆菌 + 异常威克汉姆酵母 Y-5

效果：产量提高 3 倍

（10）白藜芦醇生产

菌株：工程大肠杆菌 + 酿酒酵母

机制：大肠杆菌分泌对香豆酸 → 酿酒酵母转化为白藜芦醇

最优条件：1:1 接种，33.5℃

产量：36 mg/L

（11）含氧紫杉烷类生产

菌株：工程酿酒酵母 + 大肠杆菌

关键策略：使用木糖替代葡萄糖，避免乙醇积累抑制大肠杆菌

最终产量：33 mg/L

（12）生物燃料生产

菌株：专性厌氧菌（植物发酵梭菌）+ 工程酿酒酵母

机制：酵母消耗氧气，缓解厌氧菌受到的抑制

效果：

 共培养乙醇产量：22 g/L

 纯培养：6~9 g/L

 菌群稳定维持 50 天

2.3 细菌共培养

（1）微生物蛋白生产

菌株：甲烷氧化菌 + 氢氧化菌

效果：必需氨基酸比单菌培养高出 2.4~6.1 倍

（2）维生素 B12 富集

菌株：弗氏丙酸杆菌 + 解淀粉芽孢杆菌

最优比例：1000:1

条件：厌氧48小时 + 需氧24小时

（3）2-酮-L-古洛糖酸生产

菌株：氧化葡萄糖杆菌 + 普通酮古洛糖酸菌

优化效果：

 初始产量：12.9 g/L（~15%）

 优化后：59.1 g/L

 基因工程改造后：76.6 g/L（达工业水平 89.7%）

（4）ABE 发酵

菌株：纤维梭菌 + 贝耶林克氏梭菌

共生机制：纤维梭菌糖化木质纤维素并生成丁酸 → 贝耶林克氏梭菌利用糖和丁酸生产丁醇

最优条件：同步接种、1:10 比例、前24小时控制 pH

效果：ABE 产量 11.8 g/L，提高 108%

（5）含 nisin 的细菌纤维素

菌株：木醋杆菌 + 乳酸乳球菌

最优比例：1:4（木醋杆菌:乳酸乳球菌）

效果：nisin 产量提高 170%，乳酸含量降低

三、共培养中的种群分析方法

群体分析对于理解相互作用机制、环境响应及细胞功能具有重要意义。

3.1 分析方法概述

目前存在多种分析方法，从传统的细胞计数到先进的组学技术，可分为以下几类：

表1.微生物共培养分析的主要方法分类及应用

注：宏基因组学、转录组学和蛋白质组学的联合应用（如代谢组学、RNA测序以及荧光标记蛋白）能够高效地深入揭示微生物间的相互作用信号。

3.2 显微图像分析

3.2.1 基本原理

显微图像分析能够整合多种技术（荧光、吸光度、形态学、尺寸等），通过不同信号对细胞进行分离。

3.2.2 应用方式

表2.不同显微成像技术的适用条件与示例

3.2.3 自动化与智能化

挑战：手动分析大量显微图像工作量巨大

当前解决方案：

 机器学习算法：开发自动化细胞成像技术，实现数据自动解读

 深度学习（神经网络）：处理海量图像，是目前细胞检测领域的最先进方法

注意：当细胞的大小和形状存在差异，或图像背景变化较大时，自动化方法仍面临挑战，需要人工对图像特征进行定义。

3.3 组学分析

3.3.1 宏基因组学

作用：

 深入揭示微生物的生理状态及其与环境之间的相互作用

 理解微生物如何摄取和降解营养物质

 解析微生物在面对压力时如何调整代谢途径

3.3.2 代谢组学

作用：追踪表型和细胞功能的动态变化

主要挑战：

 基因与代谢物之间存在巨大鸿沟，制约了知识获取深度

 难以全面分析细胞内和细胞外的所有代谢物（代谢物化学结构和性质差异极大）

 代谢物浓度和组成会迅速响应环境刺激，离线分析可能导致信息丢失

应对策略：多组学联合分析可提供更深层次的洞见

3.3.3 转录组分析

常用技术：实时定量PCR（qPCR）

应用：检测和定量生物量及目标DNA序列

优势：与其他组学方法结合，结果可与种群分析相关联

3.4 各类共培养的种群监测方法

3.4.1 酵母共培养

表3. 酵母共培养体系中用于监测菌群数量的分析方法

3.4.2 酵母-细菌共培养

表4. 酵母–细菌共培养体系中用于监测菌群数量的分析方法

3.4.3 细菌共培养

表5.细菌共培养体系中用于监测菌群数量的分析方法

3.5 基于代谢物的种群分析

3.5.1 通用特点

许多研究分析了糖类、有机酸和乙醇，揭示了部分代谢通量。然而，往往难以将合成过程归因于特定的微生物种类。

3.5.2 特异性代谢标志物

表6.共培养体系中关键代谢标志物及其指示意义

3.5.3 代谢物分析与基因表达联用

多项研究采用 qPCR 结合代谢物分析 的方法，探究与代谢物转化和合成密切相关的基因。

典型案例：

 测定紫杉烷类化合物（大肠杆菌产生）

 测定含氧紫杉烷类化合物（酿酒酵母产生）

 测定乙酸（大肠杆菌产生、酿酒酵母消耗）

局限性：紫杉二烯和含氧紫杉烷的生物合成过程复杂，限制了代谢物分析评估种群生长的能力。

3.6 流式细胞术在种群分析中的应用

由于细胞大小存在差异，流式细胞术分析成为可能。

典型研究：

 在酿酒酵母 BY4741 与枯草芽孢杆菌 W168 之间建立受控的信号传递

 将能够检测酿酒酵母产生的群体感应肽的荧光报告基因整合到枯草芽孢杆菌中

 利用流式细胞术检测肽类物质，实现单细胞水平的相互作用分析

3.7 特殊应用：生物膜群体分析

3.7.1 地杆菌与希瓦氏菌共培养

研究目标：探究生物电化学系统中生物膜的形成过程

方法：

共聚焦激光扫描显微镜分析生物膜

荧光信号测定生物膜平均厚度

流式细胞术分别计数浮游细胞和生物膜中的细胞

主要发现：

共培养形成的生物膜比地杆菌单菌培养的生物膜厚 35%（后者几乎完全由地杆菌组成）

浮游状态的希瓦氏菌细胞对地杆菌产生积极影响

推测机制：希瓦氏菌释放的 H₂ 和黄素作为额外能量来源，促进电子转移效率；裂解释放的胞外 DNA 有助于生物膜形成与稳定

3.7.2 变异链球菌与念珠菌共培养

技术：

共聚焦激光显微镜 + 图像处理技术

流动池微流控装置

成果：

实现生物膜中群体生长的实时监测

捕捉单个细胞的演化过程

将细胞集群和聚集体归类为结构化的群落

3.8 综合分析与展望

借助种群分析对微生物功能及其相互作用的深入研究，我们可以：

✅ 充分挖掘微生物的代谢潜力

✅ 开发新型生物活性代谢物

✅ 精准调控代谢流，实现特定终产物的高效生产

然而，上述方法的结合虽然有助于更深入地理解群体，但所提供的信息仍然有限。亟需开发适用于在线和准在线的单细胞监测方法，以实现对微生物生长的有效控制。

四、单细胞监测

单细胞监测是实现在线/近线控制生长的先决条件。通过单细胞水平的分析，我们能够实时掌握微生物的生长状态、形态变化和生理活动，从而实现对培养过程的精准调控（见图2）。

图2. 离线、在线及在线单细胞监测。离线方法包括平板计数、分子技术和显微镜观察。在线旁线方法包括流式细胞术、自动细胞计数以及使用流动室的显微镜观察。最后，在线方法包括连接生物反应器的显微镜、阻抗法和激光背向反射。

4.1 主要技术

表7.单细胞监测的主要技术特点与应用案例

4.2 典型案例

案例1：散射光谱在线监测

Geinitz 等采用 48 孔板测量 280~720 nm 散射光谱，结合偏最小二乘回归估算克鲁维酵母与乳酸乳球菌共培养的群体组成，偏差约 25%。

案例2：葡萄糖脉冲策略稳定种群

Martinez 等利用葡萄糖脉冲策略调节酿酒酵母与大肠杆菌共培养的种群组成，通过在线流式细胞术验证，模型预测与实验结果吻合。

4.3分析方法汇总

表8.用于共培养群体分析的分析方法总结（平板计数、细胞大小分布、代谢物分析、转录组学、显微镜检查和流式细胞术）

五、结论与展望

5.1 核心结论

微生物共培养研究具有重要现实意义，可带来以下优势：

 提高生产效率

 增强菌群稳定性

 探索鲜为人知的代谢产物合成途径

当前瓶颈：对共培养过程可控性的认知尚显不足，制约了工业化应用。

5.2 实现工业化应用的价值

表9.共培养体系的主要收益维度与具体优势

5.3 最终愿景

✅ 传统共培养工艺可实现工业化转移

✅ 转移过程不降低产品质量

✅ 满足日益增长的健康食品需求

✅ 支持区域循环经济，推动可持续产品发展

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5.Liu Y, Nie R, Shen K, Diao X, Liu G (2024) Multi-omics profiling reveals the molecular mechanism of Bifidobacterium animalis BB04 in co-culture with Wickerhamomyces anomalus Y-5 to induce bifidocin A synthesis. World J Microbiol Biotechnol 40(11):1–17

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更新日期：2026-05-22

编制人：思琪

审稿人：叶凡