《Bioresource Technology Reports》：Effective simultaneous production of yeast oil and β-carotene from biodiesel-based crude glycerol in a cell-recycled continuous fermentation system producing bio-polyurethane and encapsulated β-carotene
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本研究利用细胞循环连续发酵（CR-CF）策略，从生物柴油粗甘油（BCG）中高效生产酵母油和β-胡萝卜素，并分别转化为生物可降解泡沫和稳定化包埋产物，验证了BCG作为可持续生物基源的潜力及CR-CF系统在提升产物得率中的应用价值。
萨西托恩·坤通（Sasitorn Khuntong）| 帕里查特·科埃德普拉松（Parichat Koedprasong）| 彭斯里·普兰克兰（Pensri Plangklang）| 蒂达拉特·萨姆兰里特（Thidarat Samranrit）| 维萨努·斯里拉（Witsanu Srila）| 苏拉柴·特查奥伊（Surachai Techaoei）| 阿皮南·万拉帕（Apinan Wanlapa）| 卡努尼德·布萨拉克姆（Kanungnid Busarakam）| 阿特萨达武特·阿里斯里斯库（Atsadawut Areesirisuk）
泰国帕图姆塔尼（Pathum Thani）拉贾曼加拉理工大学（Rajamangala University of Technology Thanyaburi，简称RMUTT）科学技术学院生物系，邮编12110
摘要
对高价值产品需求的增加激发了人们对生产微生物油脂和β-胡萝卜素的兴趣。同时，微生物加工技术的进步加速了替代可再生资源的利用。基于生物柴油的粗甘油（BCG）通过酵母培养被转化为生物聚氨酯（BPU）和β-胡萝卜素。在连续发酵过程中，当稀释率为0.005 h?1时，甘油消耗量、生物量、酵母油（YO）和胡萝卜素的产量均达到最高值。与传统的连续发酵（CF）相比，细胞回收连续发酵（CR-CF）策略使酵母生物量的体积产率（QX）提高了1.81倍，酵母油（QYO）提高了2.36倍，β-胡萝卜素（QC）提高了1.07倍，甘油利用效率达到了76.6%。酵母油成功转化为半刚性的BPU，其密度为0.98 g/cm3，吸水率为47.60%。用阿拉伯胶和麦芽糊精喷雾干燥法封装的β-胡萝卜素具有高溶解度、光稳定性和抗菌活性。这些结果表明，BCG是一种有效且可持续的原料，可用于协同生产有价值的微生物产品。CR-CF系统在提高生产效率方面具有潜力。此外，对酵母油和β-胡萝卜素的增值处理是一种环保且可持续的生物产品生产方法。
引言
全球生物柴油产业产生了大量的粗甘油，每生产100公斤生物柴油大约会产生10公斤粗甘油（Augusto等人，2025年）。基于生物柴油的粗甘油（BCG）是一种丰富的副产品，但往往未被充分利用。BCG的过剩供应降低了价格，并带来了处理难题，扰乱了传统市场（Da Silva Ruy等人，2025年；Zhao等人，2025年）。BCG含有甲醇、盐类和游离脂肪酸等杂质，在高价值应用之前需要对其进行纯化（Zhao等人，2025年）。对BCG的增值利用可以减少其对环境的影响，并提高生物柴油产业的经济可行性。
微生物油脂，也称为单细胞油脂（SCOs），被视为替代植物油脂（VOs）的原料（Caporusso等人，2025年）。微生物油脂的脂肪酸组成与植物油脂相似。产油酵母可以在干细胞重量的20%以上积累油脂。某些菌株，特别是来自Yarrowia、Cryptococcus、Trichosporon、Lipomyces、Pseudozyma和Rhodotorula属的菌株，可以产生高达70%的细胞内油脂（Caporusso等人，2025年；Ngernsombat等人，2024年）。与植物油脂不同，酵母油的生产不受季节、土地或天气条件的影响。然而，当用于制造化学品和生物燃料时，酵母油的生产成本高于植物油脂（Caporusso等人，2022年）。最近的研究集中在使用低成本碳源（包括农业工业废弃物和有机废物）来降低生产成本并提高酵母油的经济可行性（Broos等人，2024年；Samranrit等人，2024年；Khuntong等人，2025年；Singh等人，2020年）。
β-胡萝卜素是一种类胡萝卜素分子（Majumdar等人，2020年），被用作食品和化妆品中的天然色素（Robles-Iglesias等人，2024年），其抗菌、抗氧化和抗癌特性在制药工业中也有应用（Numan等人，2018年）。全球对β-胡萝卜素的需求每年增长10-15%（Majumdar等人，2020年）。研究人员已经发现多种产油酵母具有合成β-胡萝卜素的能力，包括Rhodotorula属、Rhodosporidium属、Sporobolomyces属和Xanthophylomyces属的菌株（Igreja等人，2021年；Khuntong等人，2025年）。
Rhodotorula属菌株具有同时生产油脂和类胡萝卜素的双重能力，包括torularhodin、虾青素和β-胡萝卜素（Dias等人，2016年）。Rhodotorula toruloides（俗称粉红酵母）产生的酵母油和β-胡萝卜素可作为油化学产品、天然色素和水生生物活性成分的可再生原料（Thumkasem等人，2024年）。酵母油和β-胡萝卜素的协同生产是一种有效的发酵过程，可以提高生产率和原材料的利用效率（Khuntong等人，2025年；Robles-Iglesias等人，2023年）。
连续发酵（CF）过程比传统的批次发酵具有更多优势（Liu，2017年；Schroedter等人，2025年），能够延长操作时间并减少设备清洗周期。在细胞回收连续发酵（CR-CF）系统中可以获得高细胞密度，从而提高生产率（Schroedter等人，2025年）。CR-CF系统可以在发酵罐中保持高细胞浓度并增加细胞内产物的产量。
然而，关于将高密度CR-CF与酵母油和β-胡萝卜素的后续增值相结合的综合生物精炼策略的信息有限。本研究探讨了一种从BCG这种低价值副产品中协同生产酵母油和β-胡萝卜素的CR-CF系统，并对其进行了优化以提高发酵效率。随后，酵母油被用作生产可持续生物聚氨酯（BPU）泡沫的原料，并通过封装技术提高了其稳定性和性能。
酵母菌株和起始培养物的制备
Rhodotorula toruloides（旧称Rhodosporidium toruloides）TISTR 5186菌株来自泰国科学技术研究院（TISTR），并在75%（v/v）甘油中保存为母株。酵母起始培养物通过将1毫升母株接种到250毫升Erlenmeyer烧瓶中的30毫升酵母麦芽培养基（YM broth）中制备，然后在30°C下以200 rpm的转速进行轨道搅拌（NB-205 V，N-Biotek，韩国）培养24小时。
批次发酵和连续发酵
Khuntong等人的先前研究表明，R. toruloides TISTR 5186菌株在15–30 g/L的BCG浓度下能够生长并协同生产酵母油和β-胡萝卜素（Khuntong等人，2025年）。因此，本研究中将培养基中的初始甘油浓度设定为30 g/L，以提高底物利用效率并减少发酵结束时的残留甘油量。
结论
CR-CF策略在提高产油红酵母的发酵效率方面表现出色，与传统CF相比，能够生产出更多的酵母油和β-胡萝卜素。酵母油成功转化为半刚性的BPU泡沫，证明了其在特定工业应用中的可行性。封装后的β-胡萝卜素具有高溶解度、光稳定性和抗菌活性。从工业角度来看，使用部分纯化的甘油是可行的。
CRediT作者贡献声明
萨西托恩·坤通（Sasitorn Khuntong）：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、数据整理。帕里查特·科埃德普拉松（Parichat Koedprasong）：撰写——审稿与编辑、数据分析。彭斯里·普兰克兰（Pensri Plangklang）：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、研究、数据分析。蒂达拉特·萨姆兰里特（Thidarat Samranrit）：撰写——审稿与编辑、数据分析。维萨努·斯里拉（Witsanu Srila）：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。苏拉柴·特查奥伊（Surachai Techaoei）：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：阿特萨达武特·阿里斯里斯库（Atsadawut Areesirisuk）表示获得了泰国科学研究与创新机构的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了泰国国家科学与研究创新基金（National Science, Research and Innovation Fund）和泰国科学研究与创新机构（TSRI）的支持，通过拉贾曼加拉理工大学（Rajamangala University of Technology Thanyaburi，简称RMUTT）（项目编号FRB67E0612[Grant no-->FRB670027/0168-->）。作者感谢RMUTT科学技术学院的生物系提供的实验室设施。
