四甲基吡嗪（Tetramethylpyrazine，TTMP）是一种来自川芎的生物碱。目前的研究表明，四甲基吡嗪可有效治疗心血管疾病，包括高血压、冠心病、病毒性心肌炎、心力衰竭和心律失常。四甲基吡嗪治疗其他疾病（如癌症、糖尿病、肝损伤、肾损伤和缺血性中风）的疗效也受到了更多的关注。目前，获得四甲基吡嗪的方法有三种：植物提取、化学合成和微生物发酵。植物提取主要使用川芎，其具有诸如产率低、过程繁琐和耗时以及原材料来源有限的缺点，不能满足巨大的市场需求。迄今为止，四甲基吡嗪的工业生产主要依靠化学合成。虽然化学合成的产率高于植物提取的产率，但它也有缺点，如污染严重、生产成本高和反应过程不可控。Kosuge等人成功从日本传统发酵食品纳豆中分离出四甲基吡嗪，并首次发现微生物具有合成四甲基吡嗪的能力。此后，微生物生产TTMP的研究迅速发展。微生物发酵具有天然、绿色、低污染、反应温和等优点。微生物发酵生产TTMP已成为近年来的研究热点。然而，为了实现微生物发酵生产TTMP的产业化和长远发展，开发廉价的发酵底物有利于降低成本和增加产品利润。

  本文结合前期市场调研和微生物合成TTMP代谢途径分析，选择制糖工业副产物糖蜜作为碳源，豆粕（榨油副产物）作为氮源。进一步探索了利用食品工业副产物（糖蜜和豆粕）代替碳源和氮源（葡萄糖和胰蛋白胨）进行TTMP发酵的可行性。以糖蜜含量、豆粕含量和磷酸二铵含量为影响因素，TTMP产量作为响应值，使用软件Design-Expert 10.0.4.0实现CCD设计（表5）。在获得实际响应值后，建立多变量方程，绘制三维曲面图，并检查影响因素之间的交互作用。

  表2显示预测值和实验值。表2表明实验误差较小，模型有效。模型的方差分析（ANOVA）如表3所示。结果表明，该模型的F值为19.18，p<0.0001，表明该模型具有显著性（p<0.05）。此外，对于拟合不足，p值为0.3635 （p> 0.05），表明拟合不足不显著，模型适合预测的要求。决定系数R2（0.945）表明了模型的可靠性。该模型可用于分析和预测各组分含量对TTMP产量的影响。

  通过Design Expert 10.0.4.0软件的分析，获得了影响因素的最佳值，以实现最大的TTMP生产率。最佳条件如下：糖蜜含量为72.5g/L，磷酸氢二铵含量为37.4g/L，豆粕含量为53.4g/L。在最佳条件下，TTMP的理论产量为1469.03 mg/L（表4）。验证了最佳条件下的最佳TTMP产量，实际最大TTMP产量为1328.95mg/L（表4）。本研究为微生物发酵产四甲基吡嗪提供了更为廉价的发酵底物。

  2023年9月8日，相关研究结果在国际学术期刊《Molecules》（中科院生物学大类二区TOP期刊）上以题为“Optimization of Molasses and Soybean Meal Content to  Enhance Tetramethylpyrazine Yield by Bacillus sp. TTMP20”发表。论文第一单位为广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，2021级硕士研究生李雨佳为第一作者，2021级硕士研究生甘姗灵为共同第一作者，尚常花副教授为通讯作者。

  （图文/尚常花）