基于细菌共培养策略提升啤酒糟半纤维素水解液中2,3-丁二醇和乙偶姻的生物合成效率

本研究针对啤酒糟(BSG)半纤维素水解液毒性抑制微生物发酵的难题，创新性地采用Paenibacillus polymyxa与Rhodococcus sp.共培养策略，通过微生物原位解毒作用有效去除酚类、呋喃醛等抑制物，在34°C条件下使2,3-丁二醇(2,3-BDO)产量提升48%，为木质纤维素资源高值化利用提供了新思路。

　　

在啤酒工业蓬勃发展的背后，每年产生约2000万吨啤酒糟(BSG)这一棘手副产品。这种富含半纤维素的农业废弃物含水量高达80%，既难以储存又容易腐败，目前主要作为低价值的动物饲料或直接填埋处理。然而，BSG中蕴含的丰富戊糖和己糖，使其成为生产高附加值化学品2,3-丁二醇(2,3-BDO)和乙偶姻的理想原料。这两种平台化合物在化工、食品、医药等领域具有广泛应用，但传统石油基生产路线面临环境压力和成本上涨的挑战。

利用微生物发酵转化BSG面临关键瓶颈：酸预处理过程中产生的酚类、羟甲基糠醛(HMF)、糠醛和乙酸等抑制物会严重干扰微生物代谢。常规的物理化学解毒方法不仅增加成本，还会造成糖分损失。来自西班牙的研究团队创新性地提出细菌共培养策略，通过Paenibacillus polymyxa与具有解毒能力的Rhodococcus sp.协同作用，实现抑制物原位降解与产物合成的双赢。

研究采用德国微生物保藏中心(DSMZ)提供的三株菌种：2,3-BDO生产菌Paenibacillus polymyxa DSM 365，以及具有降解能力的Pseudomonas alloputida DSM 6125和Rhodococcus sp. DSM 43001。通过生长曲线分析结合HPLC检测，系统评估了不同温度(30/34/37°C)和接种比例(OD₆₀₀
0.05/0.1)下，菌株在合成培养基和BSG水解液中的代谢表现。关键技术包括：使用Parr反应器进行稀酸预处理、Growth Profiler 960实时监测发酵过程、HPLC定量分析底物与产物动态变化。

在合成培养基测试中，研究团队发现温度对代谢产物分布具有决定性影响。37°C时P. polymyxa单菌培养在葡萄糖培养基(G-SM)中获得最高产量(2,3-BDO 12.6 g/L，乙偶姻13.3 g/L)。值得注意的是，在混合糖培养基(XAG-C-SM)中共培养P. polymyxa与Rhodococcus sp.展现出惊人协同效应，使2,3-BDO和乙偶姻产量分别提升至15 g/L和28.7 g/L，较单菌培养提高146%和128%。

当转向真实的BSG水解液(BSG-H)发酵时，研究揭示了关键发现：共培养体系展现出卓越的解毒能力。在34°C条件下，P. polymyxa与Rhodococcus sp.共培养使2,3-BDO产量达到3.7 g/L，较单菌培养提升48%。代谢分析显示，该组合能高效去除多种抑制物：24小时内完全降解HMF和糠醛，对酚类化合物的去除率达29%，乙酸去除率高达100%。这种解毒能力直接转化为发酵效率的提升，共培养体系的糖消耗速率达1.01 g/L·h，显著高于单菌培养的0.88 g/L·h。

研究同时发现了浓度效应的临界点。当使用三倍浓缩水解液(BSG-CH)时，酚类物质浓度升至3.24 g/L，导致所有测试菌株生长完全抑制。这一现象强调了原料预处理强度与微生物耐受性之间的平衡重要性，为后续工艺优化提供了明确方向。

这项发表于《New Biotechnology》的研究具有多重创新价值：首次证实了细菌共培养在BSG水解液发酵中的解毒增效作用；建立了Rhodococcus sp.与P. polymyxa的最佳协同培养参数；为木质纤维素生物炼制提供了免解毒处理的绿色工艺方案。从应用角度看，该技术既能降低生产成本，又能提高资源利用率，使啤酒糟这一大宗废弃物的价值提升成为可能。未来研究可进一步优化菌株比例和发酵条件，并探索该策略在其他农林废弃物转化中的普适性，推动生物制造产业的可持续发展。