基于细菌共培养与发酵策略优化的啤酒糟可持续生产2,3-丁二醇研究

本研究针对木质纤维素生物质预处理产生的抑制物影响微生物性能的问题，开发了利用GRAS菌株Paenibacillus polymyxa与Pseudomonas putida共培养发酵啤酒糟(BSG)生产2,3-丁二醇(2,3-BDO)的可持续工艺。通过比较SHF、SSF和SSCF三种工艺，发现SSCF结合共培养策略可实现20.94 g/L的2,3-BDO产量，为木质纤维素水解液抑制问题提供了微生物共培养解决方案。

　　

在追求绿色化学和可持续发展的背景下，利用可再生资源生产高附加值化学品成为研究热点。2,3-丁二醇(2,3-BDO)作为一种重要的C4平台化合物，在燃料添加剂、有机溶剂等领域具有广泛应用价值。然而，传统石油基合成路线存在环境负担，而微生物发酵法又面临木质纤维素原料预处理抑制物影响发酵效率的难题。特别是啤酒糟(BSG)这类富含纤维素但商业价值低的农业副产品，其高木质素含量导致预处理过程中产生大量酚类化合物和呋喃醛类抑制物，严重影响微生物生长和产物合成。

针对这一瓶颈问题，来自丹麦技术大学等机构的研究团队在《Environmental Technology》发表了一项创新研究。该工作聚焦于开发基于GRAS(公认安全)菌株Paenibacillus polymyxa的共培养发酵策略，通过结合基因工程改造的Pseudomonas putida KT2440的抑制物降解能力，建立从啤酒糟高效生产2,3-BDO的可持续工艺。研究团队系统比较了分步糖化发酵(SHF)、同步糖化发酵(SSF)和同步糖化共发酵(SSCF)三种工艺路线，最终证明SSCF结合共培养策略能显著提升2,3-BDO产量并克服抑制物障碍。

研究采用了多项关键技术：稀酸预处理优化(1.25% H₂SO₄，155°C，17分钟)、工程菌株构建(ΔPP_0652等基因缺失的P. putida KT2440)、三阶段发酵策略设计(单独/同步/共培养)、高效液相色谱(HPLC)代谢产物分析等。实验使用来自Carlsberg啤酒厂的啤酒糟原料，通过NREL标准方法进行组分分析。

研究结果部分：

1. BSG表征与预处理：原料含16.14%纤维素和14.20%半纤维素，稀酸预处理后水解液含32.46 g/L总糖(50.5%为木糖)及2.41 g/L酚类化合物。
2. 合成培养基验证：在含28 g/L葡萄糖和8 g/L阿拉伯糖的培养基中，P. polymyxa单培养实现13.4 g/L 2,3-BDO产量，碳摩尔分配率达40.6%。
3. 两步共培养策略：含酚类抑制物的培养基中，P. putida在20小时内降解43.1%酚类(特别是将香草醛从219.4降至16.5 mg/L)，使后续P. polymyxa能产生6.14-7.68 g/L 2,3-BDO。
4. 工艺比较：SSF和SHF在单/共培养中无显著差异，但SSCF共培养表现突出，2,3-BDO产量达20.94 g/L，产率0.44 g/L·h，显著高于单培养的乳酸积累(44.4 g/L)。

结论与讨论部分指出，该研究首次将工程化P. putida的抑制物降解能力与P. polymyxa的2,3-BDO生产能力相结合，通过微生物群落互作成功解决了木质纤维素水解液的毒性问题。SSCF共培养策略不仅将2,3-BDO产量提升56%，还避免了传统化学解毒法带来的成本和环境问题。特别值得注意的是，研究揭示了碳源耗尽时2,3-BDO会通过可逆的乙酰乳酸还原酶/2,3-BDO脱氢酶(AR/2,3-BDH)途径重新转化为乙偶姻的代谢规律，为后续代谢工程改造提供了靶点。这项工作为农业废弃物的高值化利用提供了范例，推动