综述：从遗传限制到工艺障碍：对Kluyveromyces marxianus在食品工业中高效生物制造和生物加工应用的综述

《Current Research in Food Science》：From Genetic Constraints to Process Hurdles: A review of Kluyveromyces marxianus for Efficient Bio-manufacturing and Bio-processing in Food Industry

克鲁伊弗氏酵母（Kluyveromyces marxianus）因其耐高温、高生长速率、广谱底物利用及高细胞密度发酵能力，成为食品工业生物制造的重要候选菌种。本文系统综述其生理特性、发酵策略优化（包括动态供料、代谢通路重构、溶氧调控及温度优化）、基因编辑技术（CRISPR-Cas9及传统同源重组）及工业应用（酶生产、前体/益生菌制备、食品添加剂合成、乙醇生产及废水处理）。研究指出通过整合动态供料、代谢工程与过程优化可突破高密度发酵瓶颈，而基因编辑技术的进步为功能菌株开发提供新工具。工业应用涵盖酶（如β-半乳糖苷酶、纤维素酶）、食品添加剂（如2-苯乙醇）、乙醇及单细胞蛋白生产，同时具有降解食品废水中的有机酸及重金属的潜力。未来需解决基因编辑效率、蛋白分泌机制优化及AI辅助代谢网络解析等挑战，以推动其在绿色食品制造中的产业化。

　　Kluyveromyces marxianus，一种广泛应用于生物制造的微生物平台，因其独特的内在特性展现出巨大的应用潜力。近年来，该酵母在利用木质纤维素生物质、异源蛋白生产以及风味和香料分子合成方面得到了显著发展。然而，关于其在食品工业中的最新应用综述已超过五年，这在一定程度上限制了其在该领域的快速推广。本文旨在系统总结K. marxianus的生理特性及其潜在的工业应用，重点分析高细胞密度发酵过程中的关键限制因素，并提出一种综合策略，结合动态补料、代谢通路工程以及发酵参数优化，以推动其在食品工业中的高效制造与应用。

K. marxianus作为微生物细胞工厂，具有多个显著优势。首先，它能够在较高的温度下生长，这使其在工业发酵中具备较高的热耐受性，从而降低了冷却和分离等操作的能耗。其次，该酵母的生长速度非常快，这有助于提高生产效率，缩短发酵时间，降低生产成本。此外，它能够利用多种廉价的碳源，包括乳清、乳制品副产品以及木质纤维素水解物，这些特性使其在工业生物制造中具有重要的应用价值。最后，K. marxianus对多种胁迫条件具有较强的耐受能力，这使其在复杂工业环境中的稳定性更高，同时还能有效应对发酵过程中产生的代谢副产物，从而提高产物的产量。

在高细胞密度发酵过程中，K. marxianus面临多个挑战，包括碳源利用效率、溶解氧调控以及代谢副产物的抑制。这些因素直接影响发酵的效率和产物的产量。为了克服这些限制，研究人员提出了一种综合解决方案，通过动态补料策略、代谢通路工程以及发酵参数优化，以实现高细胞密度发酵的高效进行。例如，动态补料可以有效维持发酵过程中的碳源供应，避免由于碳源过量导致的抑制效应。同时，优化代谢通路可以提高细胞对代谢副产物的耐受能力，减少其对发酵过程的负面影响。此外，调整发酵参数，如溶解氧浓度、pH值和温度，也可以提高发酵效率，从而增加产物的产量。

在食品工业中的应用方面，K. marxianus展现出了广泛的可能性。首先，它可以用于生产多种食品酶，如β-半乳糖苷酶、菊粉酶、果胶酶、脂肪酶等。这些酶在食品加工中具有重要作用，能够提高食品的营养价值和功能性。其次，K. marxianus可以用于生产糖类物质，如果糖和果糖寡糖（FOS），这些物质不仅具有良好的甜味特性，还能够调节肠道菌群，提高食品的健康价值。此外，该酵母还能够合成芳香化合物，如酯类和醛类，这些化合物在面包、奶酪、果酒等食品的风味改良中具有重要作用。K. marxianus还能够将食品废弃物转化为乙醇，这不仅有助于资源的循环利用，还能降低环境负担。最后，该酵母在食品废水处理方面也具有应用前景，能够有效降解有机物，降低化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD），从而实现废水的资源化利用。

在基因工程和发酵技术的不断发展下，K. marxianus的工业应用潜力得到了进一步挖掘。基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，已被广泛应用于该酵母的基因改造，以提高其代谢能力和产物产量。同时，研究人员还开发了多种基因工程工具，如筛选标记、启动子和终止子，这些工具为K. marxianus的基因改造提供了重要支持。此外，通过优化发酵条件，如温度、pH值和补料策略，可以显著提高K. marxianus的发酵效率，使其在食品工业中发挥更大的作用。

尽管K. marxianus在食品工业中的应用前景广阔，但其工业化的进程仍面临一些挑战。例如，在高细胞密度发酵过程中，如何提高碳源的利用效率、优化溶解氧调控、减少代谢副产物的抑制，以及如何实现基因编辑技术的高效和精准，都是需要进一步研究的问题。此外，由于K. marxianus的发酵特性与传统酵母有所不同，如其 Crabtree 负性特征，即在有氧条件下更倾向于呼吸作用而非酒精发酵，这使得其在某些特定发酵过程中需要额外的优化策略。因此，为了推动K. marxianus在食品工业中的广泛应用，需要进一步优化其代谢通路，提高其对复杂环境的适应能力，并开发高效的基因编辑工具。

综上所述，K. marxianus作为一种具有多种优势的微生物平台，其在食品工业中的应用潜力巨大。通过基因工程、发酵优化和代谢调控，可以进一步提高其生产效率和产品质量，从而推动其在食品工业中的广泛应用。然而，其工业化进程仍需克服一些技术挑战，如提高其对高浓度乙醇和发酵过程中产生的代谢副产物的耐受能力，以及优化其在高细胞密度发酵中的表现。未来，随着生物技术的不断发展，K. marxianus有望成为食品工业中一种高效的生物制造平台，为可持续发展和绿色制造提供新的解决方案。