解脂耶氏酵母在木质纤维素水解模拟培养基中脂质与柠檬酸生产的培养模式优化研究

本研究针对木质纤维素水解液成分复杂性及微生物转化效率问题，探讨了解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）在不同培养模式下生产微生物脂质和柠檬酸的潜力。通过比较分批、补料分批和重复分批培养策略，发现两阶段重复分批培养可使NCYC 2904菌株获得最高生物量（66 g·L-1）和脂质浓度（25 g·L-1），而W29菌株在浓缩培养基中实现最高柠檬酸产量（44 g·L-1）。该研究为木质纤维素生物精炼提供了高效的菌株筛选和工艺优化策略，对促进可持续生物燃料和化学品生产具有重要意义。

　　

随着全球对可持续能源和绿色化学品需求的日益增长，微生物脂质作为一种可替代植物油的可再生资源，在生物燃料、食品和化妆品等领域展现出巨大潜力。解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为一类重要的产油酵母，不仅能够高效积累脂质，还能生产高附加值的柠檬酸。然而，如何利用廉价底物（如木质纤维素水解液）并通过工艺优化提高产物产量，仍是当前微生物制造领域面临的关键挑战。木质纤维素水解液成分复杂且多变，含有葡萄糖、木糖、乙酸、甲酸和5-羟甲基糠醛（5-HMF）等多种化合物，这些成分对微生物生长和代谢可能产生抑制或促进的不同影响。此外，不同的培养模式（如分批、补料分批和重复分批）对细胞代谢导向（脂质合成或柠檬酸积累）具有显著调控作用，但其在解脂耶氏酵母中的具体效应尚不明确。

为系统评估菌株性能和培养策略的协同作用，来自葡萄牙米尼奥大学的研究团队在《Process Biochemistry》发表了一项研究，比较了解脂耶氏酵母W29和NCYC 2904两株菌在模拟桉树皮水解液培养基（EH-MM）中生产脂质和柠檬酸的能力，并重点探究了不同操作模式（分批、补料分批、重复分批及两阶段重复分批）对产物合成的影响。

研究采用的主要技术方法包括：使用3.7升生物反应器进行可控发酵实验，通过静态排气法测定体积氧传递系数（k_La），利用高效液相色谱（HPLC）定量分析底物消耗和产物生成，通过磷酸-香草醛比色法测定微生物脂质含量，并采用气相色谱分析脂肪酸甲酯（FAMEs）以解析脂质组成。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验。

研究结果部分如下：

3.1. 分批实验

结果表明，葡萄糖浓度对两株菌的生长和代谢具有显著影响。在100 g·L^-1葡萄糖条件下未观察到生长抑制，但脂质积累在50 g·L^-1时最高。W29菌株表现出较高的葡萄糖摄取速率和木糖利用能力，而NCYC 2904则未代谢木糖。提高培养基浓度（EH-MM2）导致W29的脂质积累减少但柠檬酸产量增加，NCYC 2904则保持较高的脂质合成能力。降低工作体积（提高k_La值至24 h^-1）显著促进了两株菌的生物量积累和脂质生产率，说明充足的氧气供应对脂质合成途径的关键酶（如ATP-柠檬酸裂解酶和苹果酸酶）具有激活作用。

3.2. 补料分批实验

在补料分批模式下，W29菌株能够维持较低的残糖水平，但生物量增长受限；NCYC 2904则因较低的糖摄取速率导致葡萄糖和木糖积累。脂质产率未显著提高，可能与补料中氮源的添加有关，因氮源存在时会抑制脂质积累而促进非脂质生物量合成。

3.3. 重复分批实验

重复分批操作明显缩短了适应期，并提高了生物量和脂质产量。在RB-B条件下（残葡萄糖＜2 g·L^-1时收获细胞），NCYC 2904的脂质浓度达到13.9 g·L^-1，显著高于其他组。两阶段重复分批培养（TSRB）进一步优化了过程：第一阶段采用C/N=10的条件促进生物量生长，第二阶段切换为C/N=75的条件诱导脂质合成，使NCYC 2904的生物量和脂质浓度分别达到66 g·L^-1和25 g·L^-1，脂质生产率提高至69.7 mg·L^-1·h^-1。

3.4. 整体对比与脂质组成分析

在所有培养模式中，NCYC 2904均显示出比W29更高的脂质积累能力，而W29则更适合柠檬酸生产。脂质中的脂肪酸以油酸（C18:1）、棕榈油酸（C16:1）和棕榈酸（C16:0）为主，总不饱和脂肪酸比例超过80%，其组成与植物油相似，表明这些微生物脂质适合用于生物柴油或航空生物燃料的生产。

本研究得出结论：解脂耶氏酵母的脂质和柠檬酸生产高度依赖于菌株特性和培养策略的匹配。NCYC 2904菌株在两阶段重复分批模式下表现出最优的脂质生产性能，而W29菌株在高糖浓度的分批培养中能实现最高柠檬酸产量。研究强调了在木质纤维素生物精炼过程中整合菌种筛选与工艺优化的重要性，为未来开发高效、可持续的微生物细胞工厂提供了理论依据和实践范例。该成果不仅有助于降低微生物脂质的生产成本，也符合联合国可持续发展目标（SDG 7、12、13）及欧洲绿色协议中对清洁能源和气候行动的战略要求。