基于响应面法的产油酵母Cutaneotrichosporon oleaginosus工艺参数优化及脂肪酸谱精准调控研究

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Influence of process parameters on single-cell oil production by Cutaneotrichosporon oleaginosus using response surface methodology

本研究针对微生物油脂生产过程中经济可行性受限于发酵效率低下及脂肪酸谱不可控的瓶颈问题，通过响应面法(RSM)和Box-Behnken设计(BBD)系统解析了温度(T)、pH和溶解氧浓度(DO)对Cutaneotrichosporon oleaginosus产油性能及脂肪酸组成的影响。研究发现温度与pH是调控脂质产量和饱和度的关键因子，在补料发酵中使脂质生产率提升至0.39 g/L/h，并实现脂肪酸饱和度>10%的精准调控，为无需基因改造生产定制化微生物油脂提供了新策略。

　　

随着全球对可持续油脂需求的日益增长，微生物来源的单细胞油脂(Single-Cell Oils, SCOs)作为植物油脂和化石油脂的可再生替代品受到广泛关注。其中，产油酵母Cutaneotrichosporon oleaginosus因其脂质积累能力超过细胞干重的60%，且能利用多种底物，成为工业应用潜力巨大的菌株。然而，微生物油脂生产的经济可行性仍受限于发酵效率不高和产品功能性难以调控两大挑战。传统遗传工程手段虽能定向改造脂肪酸谱，但面临技术壁垒和法规限制。因此，如何通过工艺参数优化同时提高脂质产率并实现脂肪酸组成的精准调控，成为当前研究的焦点。

为解决上述问题，Schneider等人在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表研究，采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)和Box-Behnken实验设计(Box-Behnken Design, BBD)，系统探讨了温度(20–30°C)、pH(5.5–7.5)和溶解氧浓度(Dissolved Oxygen Concentration, DO)(10–50%)对C. oleaginosus ATCC 20509脂质生产及脂肪酸组成的影响。通过建立二次多项式模型，研究人员成功实现了脂质产量的提升和脂肪酸谱的定向调控，为微生物油脂的产业化应用提供了重要理论依据和实践方案。

本研究主要采用以下关键技术方法：利用平行生物反应器系统进行可控发酵实验；通过设计实验(DoE)框架下的三因素三水平BBD优化工艺参数；采用气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC-FID)分析脂肪酸甲酯(Fatty Acid Methyl Esters, FAMEs)组成；通过Bligh-Dyer法提取并重量法定量脂质；结合尼罗红染色显微观察脂滴积累动态。

模型构建与质量评估

通过34组发酵实验数据构建的二次模型显示，温度与pH对脂质产量和脂肪酸组成具有显著影响，而DO影响较小。脂肪酸饱和度模型的确定系数R²达0.91–0.94，预测精度高，而脂质产量模型R²为0.55–0.66，适用于趋势分析。模型验证实验中，饱和度预测偏差仅2.1–2.4%，证实模型可可靠指导脂肪酸谱调控。

工艺参数的影响机制

温度升高(20°C→30°C)可显著增加饱和脂肪酸比例，其贡献度为57%，推测与低温诱导脂肪酸脱饱和酶活性上调有关。pH通过调节乙酸吸收速率间接影响脂肪酸组成：低pH促进未解离乙酸扩散，提升乙酰辅酶A水平，进而增强C16:0向C18:0的延伸反应，使棕榈酸比例降低达13%。二者协同可实现饱和度>10%的调控范围。

优化条件下的发酵性能

在优化条件下（饱和脂肪酸最大化：30°C, pH 7.0, 10% DO），脂质产率提升至0.39 g/L/h，较文献值提高50%。脂肪酸组成在发酵48小时后趋于稳定，饱和脂肪酸比例达47.0%，其衍生生物柴油的十六烷值(64.0)和氧化稳定性优于传统植物油，符合EN14214标准。而在低温度(20°C)、低pH(5.5)条件下，油酸含量提升至57.4%，适于生产高附加值产品如生物润滑剂或可可脂替代品。

工业应用潜力

本研究首次建立了通过工艺参数调控C. oleaginosus脂肪酸组成的理论框架，证明无需基因改造即可生产适用于生物燃料、功能性油脂及食品工业的定制化油脂。温度主导饱和度调控，pH调控C16/C18比例，该策略显著降低了微生物油脂的生产成本与应用门槛，为循环生物经济提供了技术支撑。

结论表明，通过响应面法优化培养参数可同步提升C. oleaginosus的脂质产率并精准调控脂肪酸组成，突破微生物油脂生产的经济性与功能性瓶颈。该方法为替代植物油脂和化石油脂提供了可持续、高效的微生物制造路径，对推动生物基产业转型具有重要意义。