利用木质纤维素水解物和鱼油副产物尿素增强红酵母胞外生物聚合物与胞内脂质的共生产

本研究针对微生物生物精炼技术中高效转化废弃资源的关键需求，揭示了红酵母（Rhodotorula）通过代谢调控同时合成胞外多糖（EPS）和多元醇脂肪酸酯（PEFA）的创新机制。研究人员通过优化木质纤维素水解物与鱼油副产物尿素培养基，首次发现Mn2+ 可触发Rhodotorula graminis CCY 20-2-47的EPS合成"代谢开关"，实现EPS产量达13.1 g L-1 和脂质含量50% w/w的共生产，为废弃资源高值化利用提供了可持续解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，如何将农业和工业废弃物转化为高附加值产品成为科学界的重要命题。微生物生物精炼技术因其环境友好性和资源高效性备受关注，而红酵母（Rhodotorula）因其独特的代谢能力——既能积累脂质和类胡萝卜素，又能分泌胞外生物聚合物——被视为理想的细胞工厂。然而，现有研究多聚焦于单一产物生产，且对红酵母胞外聚合物合成的调控机制认识不足，特别是如何利用复杂废弃物基质实现多产物联产仍存在重大技术瓶颈。

挪威生命科学大学的研究团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表的研究中，首次揭示了红酵母通过环境信号调控实现代谢通路切换的分子机制。通过系统比较五种红酵母菌株在十种培养基中的表现，发现Rhodotorula graminis CCY 20-2-47能根据培养基成分差异选择性地分泌EPS或PEFA。当使用木质纤维素水解物（含Mn²⁺
）时，EPS产量提升至13.1 g L^-1
；而在纯葡萄糖培养基中则转向合成7.4 g L^-1
的PEFA。这种"代谢开关"现象的发现，为定向调控微生物代谢流提供了新思路。

研究采用多组学联用策略：通过微孔板高通量筛选系统（Duetz-MTPS）优化培养条件；利用傅里叶变换红外/拉曼光谱（FT-IR/FT-Raman）快速表征代谢产物；结合3-L生物反应器放大验证。特别值得注意的是，研究团队创新性地将鱼油工业副产物尿素与木质纤维素水解物配伍，既降低了生产成本，又实现了废弃物资源化。

主要研究发现

1. 底物诱导的代谢转换
   木质纤维素水解物使R. graminis CCY 20-2-47的EPS产量达到葡萄糖培养基的5倍（7.2 vs 1.3 g L^-1
   ），首次证实该菌株能根据底物类型在EPS和PEFA合成间切换。

2. Mn²⁺
   的关键调控作用
   添加Mn²⁺
   使EPS产量从0.84 g L^-1
   跃升至4.5 g L^-1
   ，而Ca²⁺
   和Fe³⁺
   无此效应。光谱分析显示Mn²⁺
   可能通过激活糖基转移酶促进多糖链延伸。

3. 规模化生产的可行性
   在3-L生物反应器中，使用废弃物基质的组合使生物量达19 g L^-1
   （含50% w/w脂质），EPS生产率0.109 g/(L h)，显著优于传统培养基。

4. 产物的多功能性
   FT-IR证实EPS含糖醛酸结构（1733 cm^-1
   特征峰），PEFA具有典型酯基（1750-1745 cm^-1
   ），两者分别具备增稠剂和生物表面活性剂的应用潜力。

这项研究的突破性在于揭示了环境因子（特别是Mn²⁺
）对红酵母代谢网络的调控机制，建立了废弃资源→高值产物的转化范式。通过将木质纤维素和鱼油加工副产物"变废为宝"，不仅降低了生物精炼成本，还实现了EPS、脂质和色素的三联产，使整体过程经济性提升约30%。该成果为发展下一代微生物细胞工厂提供了理论依据和技术支撑，对推动循环经济发展具有重要意义。