乳酸菌與醋酸菌共培養：提升 Nisin 生產與功能性生物膜開發

前言：Nisin 是食品生物技術中最具代表性的 bacteriocin 之一，主要由特定 Lactococcus lactis 菌株產生。它是一種核糖體合成的抗菌胜肽，對多種革蘭氏陽性菌具有抑制活性。由於 Nisin 已在食品保藏領域具有重要應用，同時也逐漸被研究用於生醫材料、抗菌包裝與功能性薄膜，因此如何提升 Nisin 生產效率，仍是發酵生物技術中的重要課題。

近年研究顯示，Nisin 生產不一定只能依賴單一菌株發酵。微生物共培養系統能創造新的生物交互作用，進一步改善代謝物產量、調整發酵環境，並將抗菌胜肽整合進功能性材料。其中一個具有潛力的方向，是乳酸菌與醋酸菌的共培養，特別是將 Lactococcus lactis subsp. lactis 與可生產細菌纖維素的醋酸菌，例如 Komagataeibacter xylinum，建立共同發酵系統。

本文將解析 LAB–AAB 共培養如何提升 Nisin 生產、支持細菌纖維素整合，並開發具抗菌功能的生物膜，應用於食品、包裝與生物材料研究。

乳酸菌
Nisin 生產菌

醋酸菌
纖維素形成菌

→

共培養
發酵系統

→

提升 Nisin 產量

功能性 BC/Nisin 生物膜

1. 為什麼 Nisin 在微生物生物技術中重要？

Nisin 屬於 lantibiotic 類 bacteriocin，對多種革蘭氏陽性菌具有抗菌活性。在食品系統中，Nisin 常被用於支持食品保存，特別是在需要控制腐敗菌或產孢菌的產品中，具有重要應用價值。

除了食品保存外，Nisin 也被研究用於控釋型包裝、抗菌薄膜、傷口敷料概念與生物醫學材料應用。然而，這些應用需要的不只是單純在液態培養中生產 Nisin，而是需要有效率的生產、穩定配方、控釋能力，以及與載體材料的相容性。

這正是共培養發酵值得關注的原因。與其分別生產 Nisin 與載體材料，共培養系統可能讓抗菌胜肽生產與生物材料形成在同一個整合型生物過程中同步發生。

Comparison of antimicrobial activity between pure cultured (A, B) and co-cultured (C, D) BC film samples.

2. 共培養概念：乳酸菌作為生產者，醋酸菌作為基質建構者

在 LAB–AAB 共培養系統中，Lactococcus lactis 主要負責 Nisin 生物合成，而 Komagataeibacter xylinum 等醋酸菌則參與細菌纖維素形成。細菌纖維素是一種高純度、奈米尺度纖維網絡，具有良好的保水性、機械強度與生物相容性，因此適合作為生物活性分子的載體基質。

這種共培養策略創造了一種生物分工：

微生物夥伴	主要角色	功能貢獻
*Lactococcus lactis*	Nisin 生物合成	產生抗菌胜肽，並在發酵環境中提供 bacteriocin 活性。
*Komagataeibacter xylinum*	細菌纖維素形成	建立纖維素網絡，可作為載體、薄膜結構或功能性生物材料基質。
共培養系統	微生物交互作用與製程整合	將抗菌代謝物生產與材料形成整合於單一發酵策略。

相較於單一菌株系統，這種方法不只讓研究者觀察產量變化，也能進一步探討微生物互作如何影響基因表現、pH、基質形成、抗菌活性與薄膜特性。

3. 影響 Nisin 產量的發酵變因

共培養發酵比單一菌株發酵更複雜。兩種微生物可能競爭營養、改變 pH 環境、產生會互相影響的代謝物，或改變氧氣與基質可利用性。因此，要優化 Nisin 生產，必須精準控制多項變因。

接種比例

乳酸菌與醋酸菌的起始比例，會強烈影響發酵方向。如果 Nisin 生產菌生長太慢，Nisin 輸出可能不足；如果纖維素形成菌過早占優勢，基質利用與氧氣條件可能偏離 Nisin 生物合成的最佳狀態。因此，平衡的接種比例非常關鍵。

接種時間

分段接種可能產生與同步接種不同的結果。讓其中一種微生物先建立生長優勢，可能會改變第二種微生物進入時的環境。在以 Nisin 為目標的系統中，接種時間可能同時影響 Nisin 基因表現與細菌纖維素基質形成。

pH 與有機酸動態

Nisin 生產對 pH 與生長條件相當敏感。乳酸菌發酵會產生乳酸，而醋酸菌代謝則會影響酸轉化與需氧代謝路徑。在設計良好的共培養系統中，微生物交互作用可能創造比單一乳酸菌培養更有利於 Nisin 生物合成的環境。

氧氣與表面發酵

醋酸菌與細菌纖維素形成高度受到氧氣供應影響，特別是在氣液界面。因此，反應器設計、表面積、攪拌方式與氧氣傳遞，都是 BC/Nisin 共培養系統放大時的重要因素。

接種
比例

接種
時間

pH / 有機酸
動態

氧氣
傳遞

→

優化
Nisin 生產

4. 基因表現：為什麼 nisA 重要？

nisA 基因編碼 Nisin 生物合成的前驅胜肽。測量 nisA 表現，可協助研究者判斷共培養環境是否真正刺激 Nisin 生物合成路徑，而不只是改變最終發酵體積或表觀活性。

如果共培養條件提高 nisA 表現，代表微生物交互作用可能影響 Lactococcus lactis 的調控狀態或代謝狀態。這使共培養策略具備更明確的機制基礎：它不只是把兩種菌混在一起，而是可能重新塑造 Nisin 生產菌的生理環境。

從產業轉譯角度來看，基因表現資料應與 Nisin 活性、生物量生長、pH、代謝物輪廓與材料性能一起解讀。優良的發酵製程應同時提供生物學解釋與實際產出。

5. 細菌纖維素作為功能性 Nisin 載體

細菌纖維素具有高純度、奈米纖維結構、良好保水性、機械性能與生物活性分子相容性，因此是一種具有吸引力的生物材料。當 Nisin 被整合進細菌纖維素中，形成的 BC/Nisin 複合物可作為抗菌薄膜或生物活性材料。

這創造了一個雙重價值系統：

功能層	在 BC/Nisin 系統中的角色	應用價值
Nisin	抗菌胜肽	支持對特定革蘭氏陽性菌的抑制，並提供抗菌功能。
細菌纖維素	結構基質	提供薄膜結構、保水能力與潛在控釋特性。
BC/Nisin 複合物	功能性生物膜	結合抗菌活性與材料性能，可用於食品包裝或生物材料研究。

掃描式電子顯微鏡、FTIR、X-ray diffraction 與熱重分析等材料表徵方法，可用於確認 Nisin 是否成功與細菌纖維素基質結合，以及薄膜結構是否發生改變。

6. 抗菌性能與材料性能驗證

成功的 BC/Nisin 複合物應同時從微生物學與材料科學兩個角度評估。抗菌試驗可顯示薄膜是否能抑制目標菌；機械與結構分析則可確認薄膜是否具備實際處理與應用所需的穩定性。

關鍵評估指標包括：

驗證面向	分析方法	目的
Nisin 活性	瓊脂擴散法、HPLC、生物活性單位測定	確認抗菌活性與生產水準。
基因表現	nisA 與相關生物合成基因 qPCR	評估共培養是否刺激 Nisin 生物合成路徑。
薄膜形貌	SEM	觀察細菌纖維素纖維網絡與表面結構。
化學交互作用	FTIR	辨識官能基變化與可能的 Nisin-纖維素結合。
結晶性	X-ray diffraction	評估纖維素結構與結晶性變化。
熱穩定性	熱重分析	評估材料熱行為與穩定性。
機械性能	拉伸測試	測量楊氏模數、斷裂伸長率與處理性能。

這些指標非常重要，因為最終產物不只是發酵液，而是一種潛在功能性材料。抗菌活性、釋放行為、結構穩定性與安全性，都需要一起被納入評估。

7. HYGEM Perspective：從共培養發酵到功能性微生物平台

對 HYGEM / GEMBIOZ 而言，LAB–AAB 共培養概念不只是單一 Nisin 生產方法，而代表一種更廣泛的平台邏輯：透過微生物交互作用，產生功能性代謝物、生物材料與可應用的生物系統。

這一方法與 HYGEM 多項技術方向高度相關：

HYGEM 技術方向	與 LAB–AAB 共培養的連結	開發機會
合成微生物菌群	設計具有互補功能的微生物夥伴關係。	開發用於代謝物生產、材料形成或環境轉化的共培養系統。
發酵工程	優化接種比例、接種時間、pH、氧氣、基質與反應器條件。	支持從實驗室共培養放大至中試與量產發酵。
功能性代謝物平台	連結 bacteriocin、有機酸、胜肽、酵素與後生元成分。	建立食品保存、飼料安全、包裝與微生態應用產品管線。
生物材料整合	將微生物代謝物與細菌纖維素或其他基質結合。	創造功能性薄膜、控釋系統或生物活性載體材料。

在此脈絡下，Nisin 生產不只是發酵目標，而是展示微生物菌群如何被設計來產生高價值生物功能的一個模型案例。

**Nisin & Bacterial Cellulose Co-culture Fermentation**

結論：微生物協作作為生產策略

乳酸菌與醋酸菌共培養，為提升 Nisin 生產與將抗菌活性整合進細菌纖維素材料提供了一個具有潛力的策略。透過結合 Nisin 生產型乳酸菌與纖維素形成型醋酸菌，研究者可以建立一個讓代謝物生產與生物材料形成同步發生的系統。

對工業生物技術而言，這一策略也代表一個重要轉變：微生物不一定總是以單一菌株形式被開發。在許多情況下，最有價值的功能來自經設計的微生物協作。

未來開發應聚焦於菌株相容性、發酵控制、基因表現調控、材料表徵、抗菌性能、釋放動力學、安全性驗證與放大生產經濟性。當這些元素被整合後，LAB–AAB 共培養有機會成為抗菌生物膜開發、食品包裝創新與次世代微生物製造的重要平台。

核心訊息：
LAB–AAB 共培養將發酵從單一菌株生產，轉化為協作型微生物平台，連結 Nisin 生物合成、細菌纖維素形成、抗菌功能與生物材料開發。

Scientific References / Disclaimer

Reference directions include studies on nisin biosynthesis by Lactococcus lactis, LAB–AAB co-culture fermentation, bacterial cellulose production by Komagataeibacter species, BC/nisin composite films, antimicrobial activity assays, nisA gene expression, SEM, FTIR, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and mechanical property testing of antimicrobial biofilms.

Disclaimer: This article is intended for scientific communication and educational purposes only. Nisin, co-culture fermentation, bacterial cellulose materials, and antimicrobial film applications should be evaluated under appropriate regulatory, food safety, toxicological, and application-specific conditions before commercial use. Any performance data should be confirmed by validated experimental results and approved documentation.