基于质量守恒模型的Sporidiobolus salmonicolor CBS 2636批次培养类胡萝卜素合成动力学研究

为解决传统Monod和Levenspiel模型无法解释类胡萝卜素合成过程中底物残留的问题，研究人员开发了整合残余葡萄糖方程的质量守恒模型，预测Sporidiobolus salmonicolor CBS 2636在批次反应器中的类胡萝卜素合成动力学。该模型通过Maple软件实现参数优化，准确预测了最高3418.9 μg/L的类胡萝卜素产量及残余底物动态，揭示酵母可能利用肽胨/麦芽提取物等替代碳源，为生物过程优化提供新策略。

　　

随着全球对天然色素需求的激增，类胡萝卜素作为食品和保健品领域的重要活性成分，其生物合成技术成为研究热点。红酵母Sporidiobolus salmonicolor因其高效的类胡萝卜素合成能力备受关注，但传统动力学模型如Monod和Levenspiel在描述其代谢行为时存在显著缺陷——无法解释高浓度葡萄糖残留现象，这严重限制了工业化生产的精准调控。

针对这一瓶颈，中国的研究团队通过整合残余底物微分方程，构建了改进的质量守恒模型。研究采用批次培养体系，以80 g/L高浓度葡萄糖为碳源，监测了S. salmonicolor CBS 2636在90小时内的生长曲线（25°C，pH_initial 4.0）。模型通过Maple软件进行参数拟合，首次实现了对类胡萝卜素产量（峰值3418.9 μg/L）和残余葡萄糖（35 g/L）的双重准确预测。关键发现表明，尽管存在充足葡萄糖，酵母可能转向利用培养基中的肽胨和麦芽提取物进行类胡萝卜素合成，这一发现为理解酵母代谢灵活性提供了新视角。

技术方法上，研究结合了分批培养实验（初始条件：77.46 g/L葡萄糖+15 g/L肽胨+5 g/L麦芽提取物）、高效液相色谱（HPLC）分析类胡萝卜素含量，以及基于Monod/Levenspiel理论的模型改进，特别增加了残余底物动态方程。

【Microorganism】部分证实CBS 2636菌株经YM培养基活化后，在YMA平板上呈现典型红色色素积累。【Kinetics of carotenoid production】数据显示比产量（Y_P/X）达390 μg/g细胞，但葡萄糖消耗停滞现象暗示碳源代谢转换。【Conclusion】强调模型改进使预测误差降低42%，但需进一步验证替代碳源的作用机制。

这项发表于《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》的研究，其核心价值在于：1）首次建立适用于S. salmonicolor的动力学模型，突破传统模型对底物残留的忽略；2）揭示高糖环境下酵母可能启动"代谢逃逸"策略；3）为生物反应器智能控制提供数学框架。作者Eunice Valduga团队特别指出，未来需结合¹³C标记实验验证碳源分配假说。该工作不仅推动类胡萝卜素生产工艺优化，其建模思路更可拓展至其他次级代谢产物的生物合成研究。