共培养与酶催化酯化联用技术：利用酿酒酵母和酪丁酸梭菌高效生产生物基丁酸乙酯

本研究针对传统化学合成法生产丁酸乙酯(ethyl butyrate)的环境污染问题，创新性地建立了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)与酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)的共培养体系，通过优化接种时序和补料策略实现丁酸(13.98±3.06 g L-1)和乙醇(21.43±1.66 g L-1)的协同生产，并采用南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)催化酯化反应，最终获得23.93±0.68 g L-1的丁酸乙酯，为生物基香料生产提供了绿色新途径。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，生物基香料的生产正面临重大挑战。作为具有果香特征的短链酯类，丁酸乙酯(ethyl butyrate)广泛应用于食品、香料和生物燃料领域，目前全球年产量达数百万吨，但主要依赖化石原料的化学合成法生产。这种传统方法不仅加剧温室气体排放，还面临消费者对"天然"产品日益增长的需求压力。尽管微生物直接合成酯类具有环保优势，但天然菌株的产量普遍偏低，且产物谱系受限。如何建立高效、可持续的生物合成体系，成为当前生物制造领域亟待突破的瓶颈问题。

针对这一挑战，Katharina Oehlenschlager等研究者在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表的研究中，开创性地将微生物共培养与酶催化酯化技术相结合。研究团队采用三种关键技术：(1)建立厌氧共培养体系，通过时序调控解决酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae DSM 3799)与酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum DSM 2637)的生长条件冲突；(2)开发补料分批培养策略，将丁酸产量提升至45.62±3.82 g L^-1；(3)构建两相反应系统，利用固定化南极假丝酵母脂肪酶B(Candida antarctica lipase B, CALB)直接催化发酵液中的底物酯化，实现产物的原位分离。

共培养条件的优化突破

研究首先通过单培养实验揭示了关键限制因素：酪丁酸梭菌在pH<6时丁酸产量骤降90%，而酿酒酵母在丁酸浓度>10 g L^-1时即受显著抑制。通过系统优化，确定pH 6和37℃为最佳折中条件。创新性地采用延时接种策略（先接种酵母，24h后接入梭菌），成功实现两种微生物的协同生长，乙醇和丁酸产量分别达到21.43±1.66 g L^-1和13.98±3.06 g L^-1。

补料策略提升生产效率

为解决分批培养中甘油副产物积累（高达18 g L^-1）的问题，研究团队开发了补料分批工艺。在24h和48h分两次补加葡萄糖（终浓度50 g L^-1），不仅将甘油产量降低至12.17±0.91 g L^-1，更使丁酸浓度提升3.3倍至45.62±3.82 g L^-1，混合产物得率达到0.50±0.04 g g^-1，显著优于分批培养。

两相系统实现高效酯化

研究突破性地采用未处理发酵液直接酯化，通过添加十六烷形成有机相（水相:有机相=2:1），利用CALB催化反应。发现pH 4时酯化效率最佳（丁酸乙酯23.93±0.68 g L^-1），此时87%的丁酸以质子化形式存在，更利于酶催化。产物的分配系数达25.34±5.81，实现酯类的原位分离纯化。

这项研究通过创新的共培养-酯化联用策略，成功建立了丁酸乙酯的绿色生产体系。其科学价值体现在三方面：首先，时序接种策略巧妙解决了微生物生长条件冲突，为不同生理特性菌株的共培养提供范例；其次，补料工艺显著提升了产物浓度，证明工程优化对代谢通量调控的重要性；最后，直接利用发酵液进行酶催化反应，简化了下游处理步骤。该技术路线不仅适用于丁酸乙酯生产，还可拓展至其他短链酯类的生物制造，为替代化石基香料合成提供了切实可行的解决方案。未来通过优化酯化转化率（当前25%）和开发连续生产工艺，有望进一步提升该技术的经济可行性。这项成果标志着微生物共培养技术在精细化学品生产中的应用迈出重要一步，对推动生物制造产业可持续发展具有积极意义。