综述：近期发酵技术改进提高鼠李糖脂产量的研究进展

这篇综述系统评述了2020-2024年间通过微生物生产者改良（如Pseudomonas aeruginosa/P. putida基因编辑）、培养基优化（碳氮源选择及乳化剂添加）和发酵工艺设计（分批补料、连续发酵及原位泡沫分离）提升鼠李糖脂（RL）产量（最高达120 g/L）的研究进展，强调了提高发酵效价（titer）、产率（yield）和生产率（productivity）对RL商业化竞争力和技术经济可行性的关键作用。

　　

引言

鼠李糖脂（RL）是由假单胞菌（Pseudomonas）等微生物产生的两亲性分子，其亲水头部含1-2个鼠李糖，疏水尾部为β-羟基脂肪酸链（碳数8-24）。作为绿色表面活性剂，RL在传统清洁剂、生物修复和生物医学领域（如免疫调节、伤口愈合）具有替代石油基产品的潜力。尽管Evonik公司已建成首座商业化RL工厂（产能1150 m³
），但低产量和高成本仍是产业化的主要瓶颈。

新型RL生产菌株开发

代谢通路强化：

• 强化rhlAB基因表达：Feng等将P. aeruginosa WJ的rhlAB启动子替换为强效PoprL启动子，使RL效价提升91%至57.83 g/L，生产率达0.402 g/L/h。
• 阻断竞争途径：敲除P. aeruginosa SG的pslAB（胞外多糖合成）和phaC1DC2（聚羟基脂肪酸酯合成）基因，RL产量提升69.7%。

氮代谢调控：
Zhou等发现一氧化氮（NO）信号通路调控RL合成。敲除NO降解酶基因fhp后，菌株KT1115ΔpaeKIΔfhpΔnirB的RL生产率提高2.3倍（0.25 g/L/h）。

非致病性宿主改造：

• P. putida KT2440通过引入rhlAB基因和强化前体供应（dTDP-l-鼠李糖），RL效价达19.77 g/L。
• 表面修饰减少泡沫吸附：删除鞭毛和藻酸盐合成基因的P. putida GR20_RL菌株，在泡沫分离系统中生产率提升41%（0.24 g/L/h）。

培养基优化策略

碳源选择：

• 混合碳源优势：葡萄糖与粗甘油（各1% w/v）联用使RL效价提升至2.5 g/L，较单一碳源提高85%。
• 废食用油利用：添加2%废食用油并辅以Tween 20乳化，RL效价翻倍至24 g/L。

多参数统计优化：
Alcalde等通过Box-Behnken设计优化C/N比（21.17）和C/P比（16.28），RL效价达35.12 g/L，较基准提升23.4%。

发酵工艺创新

高密度培养技术：

• Invally等采用两阶段氮源补料策略（生长阶段高氮，生产阶段维持15%氮供应），实现120 g/L RL效价和0.839 g/L/h生产率。
• Jiang等通过序列分批发酵（40 g/L细胞密度），累计RL产量达665 g/L，生产率突破1.54 g/L/h。

原位分离技术：

• 泡沫分离耦合系统：Liu等设计的发酵-泡沫分馏联用装置，RL回收率提升35%。
• 膜分离除抑制剂：Zhang等采用膜渗透汽化移除挥发性有机物，RL产量提升134%。

反应器设计：
Bongartz等开发膜搅拌系统（氧传递率175 mmol/L/h），解决传统曝气泡沫问题，使P. putida Δflag SK4菌株RL产量提高4.5倍。

产业化与技术经济挑战

规模放大瓶颈：
目前中试数据（表2）显示，多数案例RL效价<10 g/L，显著低于实验室水平（如Diba连续发酵达201 g/L）。质量传递（尤其是高粘度 broth）和剪切力控制是放大关键。

成本分析：
Noll等 techno-economic 模型指出，以硬脂酸为底物时RL最低售价可降至10 USD/kg（图3），但传统碳源（如甘油）方案仍高达59 USD/kg。提高产率（>0.5 g/g）和生产率（>3 kg/m³
/day）是降低成本的核心。

未来展望

整合基因组规模代谢模型与计算流体力学（CFD）模拟，将加速从菌株改造到反应器设计的全链条优化。同时，开发低成本原料（如棕榈油副产物PFAD）和连续化生产平台，有望推动RL在40亿美元表面活性剂市场中占据生态位。