《Bioresource Technology Reports》：Next-generation strategies for rhamnolipid biosurfactant production: Metabolic optimization and sustainable process development
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拉曼醇脂（RLs）作为可降解的糖脂表面活性剂，在化妆品、农业和石油开采等领域有广阔应用前景，但其工业生产受限于原生产菌株如铜绿假单胞菌产量低（<15g/L）、竞争代谢通路、辅因子失衡及胞内积累抑制等问题。本文系统综述了代谢网络优化、底盘微生物工程（如P. putida和E. coli改造）、异源表达平台改进及过程强化技术（如高密度培养、胞内产物移除），提出整合系统生物学与下游工艺创新的发展路线，并分析了产业化中的技术经济壁垒与市场潜力。
作者：Yashika Raheja, Satish Kumar Ainala, Tayyab Islam, Pallavi Gupta, Ajay Kumar, Vivek Kumar Gaur, Janmejai Kumar Srivastava
印度旁遮普邦阿姆利则古鲁·纳纳克·德夫大学微生物学系，邮编143005
摘要
鼠李糖脂（Rhamnolipids，RLs）是一种可生物降解的糖脂表面活性剂，具有出色的乳化、发泡和抗菌性能，使其成为化妆品、农用化学品和增强石油回收领域中替代石化衍生表面活性剂的理想选择。尽管具有这些潜力，但由于依赖天然生产菌株（如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的影响，其工业应用受到限制，这种菌株通常产生的鼠李糖脂浓度低于15克/升。本文综述了提高鼠李糖脂产量、生产速率和产率的最新策略。文章重点介绍了支持RL生物合成的复杂代谢网络，以及通过消除竞争途径、增强辅因子再生系统和优化输出机制来重新定向代谢流向产品形成的底盘工程方法。同时，详细探讨了异源生产平台的进展、现有系统的局限性及仍需研究的领域。最后，本文还对工艺规模示范、市场潜力及关键技术经济障碍进行了全面分析，并提出了一个完整的未来发展方向，包括整合系统生物学、生物工艺开发和下游加工创新，以实现具有成本竞争力的大规模鼠李糖脂生产。
引言
鼠李糖脂（RLs）是一种两亲性糖脂，具有极低的临界胶束浓度、强的乳化和发泡能力以及内在的抗菌活性，这些特性使其在多个行业中具有广泛应用潜力（Sikandar等人，2024年）。根据这一广泛的应用前景，2024年全球鼠李糖脂市场价值为26.4亿美元，预计到2025年将达到29.1亿美元（年复合增长率10.2%），长期来看到2032年市场规模将增长至40.4亿美元（年复合增长率6.74%）。从区域上看，亚太地区需求最大，主要受农业、石油和天然气以及个人护理行业的推动；而欧洲市场则因日益严格的可持续性法规而成为增长最快的市场（Randhawa和Rahman，2014年）。在过去十年中，铜绿假单胞菌一直是鼠李糖脂生物合成的主要微生物平台，这得益于其明确的群体感应调控网络以及RhlA、RhlB和RhlC酶的协同作用。基础遗传学和酶学研究定义了rhlAB和rhlC操纵子，并阐明了每个催化步骤，使得实验室产量可提升至约15克/升（Chauhan等人，2025年）。然而，这一生产系统仍存在诸多固有缺陷：首先，大量前体物质被分流到其他代谢途径，减少了用于鼠李糖脂合成的流量；其次，细胞内辅因子不平衡限制了催化效率和总体产量；第三，细胞质中的鼠李糖脂积累会对关键合成酶产生反馈抑制，需要昂贵的下游提取或原位去除技术；最后，铜绿假单胞菌的致病性给工业生产带来了生物安全、控制和管理方面的挑战。这些限制凸显了开发非致病性微生物底盘和靶向代谢工程以实现经济可行鼠李糖脂生产的必要性。目前的研究重点在于通过优化微生物底盘和代谢途径及工艺条件来充分发挥RL的商业潜力（Pang等人，2025年）。首先，利用基因组规模的代谢模型、高分辨率组学数据和宿主比较筛选进行菌株诊断和底盘定制，以识别生产瓶颈并指导宿主的选择或改造（Raheja等人，2022年；Zehetner等人，2025年）；其次，通过合成生物学手段调整基因拷贝数、优化启动子强度和选择最佳核糖体结合位点，实现对转录和翻译的精确控制（Islam等人，2023年）；再次，通过平衡辅因子、引导前体物质流向和引入异源转运蛋白等策略，不仅可以缓解细胞内反馈抑制，还能促进产物输出，简化下游回收过程（Zhao等人，2025年）；最后，通过高细胞密度批量培养或灌注培养结合原位产物去除技术，提高体积生产力并简化纯化步骤。多轮适应性实验室改进和系统生物学指导的优化使鼠李糖脂的产量逐步接近商业化阈值（Irorere等人，2017年）。
本文旨在全面理解鼠李糖脂的生产过程，综合了天然微生物系统和异源表达平台的最新进展。与以往仅关注铜绿假单胞菌生产菌株、异源宿主或单独工艺优化的研究不同，本文整合了代谢途径和调控工程、辅因子平衡、分泌系统优化以及技术经济因素。通过比较天然宿主和重组宿主在产量、生物安全性、法规可行性和下游负担方面的表现，本文揭示了整个生产过程中的共性和宿主特异性瓶颈。本文的创新之处在于对不同微生物宿主的详细分析，批判性地评估了现有研究的局限性，并提出了一种结合流量导向和生长-生产平衡的系统级方法，为设计更高效的代谢工程策略奠定了基础。
关键基因
鼠李糖脂由一个或两个L-鼠李糖单元和β-羟基脂肪酸组成。机会主义病原菌铜绿假单胞菌是主要的生产菌株，可合成两种形式的鼠李糖脂：单鼠李糖脂（如Rha-C10-C10，含一个鼠李糖单元）和双鼠李糖脂（如Rha-Rha-C10-C10，含两个鼠李糖单元）。鼠李糖脂的生物合成包括三个主要步骤：第一步是由rhlA基因编码的RhlA酶催化合成过程。
天然鼠李糖脂生产菌株与重组菌株
鼠李糖脂在生物修复、制药和农业领域具有广泛应用，主要由几种细菌产生，尤其是铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和泰国伯克霍尔德菌（Burkholderia thailandensis）。然而，这些天然生产菌株的致病性和较低的产量限制了其安全、大规模生产。因此，研究人员开发了重组菌株（如工程化的大肠杆菌（P. putida）和大肠埃希菌（E. coli）以提高生产效率。
鼠李糖脂生产的代谢工程
尽管经过60多年的研究和优化，经济障碍仍未完全消除。高昂的生产成本限制了其商业可行性。为解决这一问题，研究人员强调需要基因改良的菌株以及对鼠李糖脂合成代谢和调控网络的更深入理解（Jimoh等人，2021年）。目前主要有两条研究方向：代谢工程和...
当前工业可行性
包括鼠李糖脂在内的全球表面活性剂市场约占整个表面活性剂行业的5%，预计到2025年的复合年增长率将达到5.6%。特别是在食品加工和化妆品等高价值领域，基于鼠李糖脂的产品预计将从2020年到2026年实现16.5%的显著复合年增长率（Fig. 3），这得益于对可持续、环保替代品需求的增加（Randhawa和Rahman，2014年）。
挑战与未来研究方向
尽管对环保型表面活性剂的需求不断增长，但工业生产在经济上仍面临诸多挑战。合成表面活性剂的成本约为1-3美元/千克，而鼠李糖脂的成本则在20-25美元/千克之间，这主要取决于发酵过程的体积生产力。成本较高的一个主要原因是碳源的选择，因为通常使用疏水性底物来实现高产...
CRediT作者贡献声明
Yashika Raheja：撰写初稿、数据分析。
Satish Kumar Ainala：撰写初稿、数据分析。
Tayyab Islam：撰写初稿、数据分析。
Pallavi Gupta：撰写初稿、数据分析。
Ajay Kumar：撰写初稿、方法学设计。
Vivek Kumar Gaur：审稿与编辑、验证、监督、概念构思。
Janmejai Kumar Srivastava：审稿与编辑、监督。
资金情况
本项工作未获得任何资助。
未引用的参考文献
Evonik公司从世界上首个工业规模的鼠李糖脂生物表面活性剂工厂生产出首批产品，2024年
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
无。
