利用大肠杆菌对酒糟进行发酵增值的新途径

《Bioresource Technology Reports》：New avenues for fermentative valorization of vinasse with Escherichia coli

　　

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  甜菜糖蜜酒精废液含有许多可供大肠杆菌生长利用的化合物。
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  基于已鉴定化合物构建的合成酒精废液能够重现生长行为，并可解释酒精废液生物质产率的72%。
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  专用大肠杆菌菌株可从酒精废液中生产衣康酸，达到最大产率的68%。
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  在酒精废液中重组酶的生产性能与在复合培养基中相当。
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  乳酸抑制大肠杆菌厌氧条件下甘油转化为乙醇的过程；讨论了可能的解决方案。

引言

在向循环和可持续经济转型的过程中，利用工业废物流和副产品作为资源来合成有价值的化合物是一个关键概念（Aschemann-Witzel和Stangherlin，2021；Sadh等，2023）。这一概念与工业生物技术尤为相关，因为工业生物技术明显倾向于使用更可持续的碳源进行发酵过程，例如使用生物源残留物替代纯葡萄糖或其他糖类。这减少了与食品生产的竞争，避免因大规模作物种植导致的森林砍伐，并可降低生物生产过程的成本。

糖蜜是甘蔗或甜菜提取糖（蔗糖）的副产品，是生物源残留物的一个例子。由于其蔗糖含量高，糖蜜具有显著的经济价值和多种应用。最值得注意的是，它被用作微生物发酵过程中的碳原料，用于生产生物乙醇、酵母、柠檬酸和其他化合物（El Asri和Farag，2023；Zhang等，2021）。糖蜜发酵后剩余的液体即为酒精废液（也称蒸馏残液）。因此，酒精废液是制糖业的另一个（次级）副产品。酒精废液的化学组成因植物来源和糖蜜发酵工艺而异（Christofoletti等，2013），但通常仅含极微量的糖类。相反，酒精废液富含甘油、有机酸（尤其是乳酸）、含氮分子（如蛋白质和游离氨基酸）以及矿物质（如钾和磷，以及微量的镁、钠、钙和硫）（Christofoletti等，2013；Parnaudeau等，2008；Suhaili等，2019）。酒精废液还具有高电导率、高浓度悬浮固体和低pH值的特征（Ahmed等，2018；Christofoletti等，2013）。平均每生产1升蒸馏生物乙醇会产生10–15升酒精废液，导致大量需要处置的残留物（Hoarau等，2018）。由于其高营养密度，酒精废液目前主要用作农业肥料（Christofoletti等，2013；Santos等，2020）。然而，将酒精废液用于施肥灌溉引发了一些潜在的环境问题（Trapé等，2021），例如氮对地下水的污染、土壤荒漠化和钾饱和（Fuess等，2018）、对土壤微生物生物量和组成的干扰（Alves等，2025；Carpanez等，2022；Tejada等，2007）以及土壤和地下水pH值的改变（Alves等，2025；Yin等，2019）。因此，应建立酒精废液的替代用途，以处置这一副产品，并在可能的情况下同时创造增值产品。

迄今为止，酒精废液唯一达到工业规模的替代用途是作为厌氧消化的原料生产沼气（Vandenberghe等，2022）。已有若干学术研究以利用微生物系统（如藻类、真菌和细菌）对酒精废液进行增值和/或处理为目标。其中一些研究中，酒精废液被用作生产真菌或藻类生物质的培养基，通常侧重于所产生物质中的有价值成分，如蛋白质、脂质或色素（Aguiar等，2023；Ahmed等，2018；Borges等，2025a；Condori等，2023；Condori等，2025；Hashemi等，2022；Nair和Taherzadeh，2016；Trevisan等，2020）。例如，Silva等（2024）评估了微藻在酒精废液初步处理中去除营养物（磷和铵）和有机物的效率。此外，将生活污水与酒精废液混合已被用于增强微藻生物质和脂质的生产（Mamani Condori等，2025；Condori等，2025）。细菌对酒精废液的增值也在一些研究中得到证实。例如，基于酒精废液的培养基和各种细菌物种已被用于生产生物塑料，如聚羟基丁酸酯（Pramanik等，2012；Trapé等，2021；Zanfonato等，2018）或细菌纤维素（Barshan等，2019）。

上述研究证明了酒精废液作为生物技术过程廉价底物的潜力，超越了厌氧消化中的沼气生产。2024年，仅巴西就利用甘蔗生产了约3000万吨生物乙醇，产生约3–4.5亿吨酒精废液作为残留物。到2030年，该市场可能增长至每年6700万吨生物乙醇（Pazuch等，2017）。虽然酒精废液的市场价格波动，但通常远低于每吨50美元，有时甚至低于每吨10美元。然而，将酒精废液用作发酵底物存在挑战（Borges等，2025b；Pérez-Contreras等，2025），包括：（i）酒精废液成分复杂且多变，可能含有问题组分如多酚、有机酸、糠醛和硫化物（Borges等，2025b；Trapé等，2021）；（ii）可发酵糖浓度相对较低；以及（iii）根据所计划的生产过程，可能需要进行繁琐的预处理。

值得注意的是，尽管大肠杆菌是研究最深入的细菌，也是生物技术生产过程中最成熟的细菌宿主，具有广泛的底物利用能力（包括甘油和乳酸，即酒精废液中最主要的碳源），但我们仅找到一项研究涉及大肠杆菌对酒精废液的利用：作为概念验证，Suhaili等（2019）使用大肠杆菌菌株在基于甜菜酒精废液的培养基中生产重组蛋白CV2025 ω-转氨酶。在本研究中，我们旨在测试和展示甜菜酒精废液作为廉价碳源和氮源在以大肠杆菌为宿主的发酵中的新应用。作为增值产品的第一个实例，我们使用本实验室先前构建的生产菌株将酒精废液转化为衣康酸（Harder等，2016；Harder等，2018）。接下来，我们研究了基于酒精废液的基本培养基是否可用于生产无细胞多酶级联反应合成UDP-N-乙酰半乳糖胺（UDP-GalNAc；Hoang等，2025）所需的一种异源蛋白。最后，我们分析了先前构建的大肠杆菌菌株是否能在厌氧条件下利用酒精废液中的甘油生产乙醇，并借助少量乙酸盐的共摄取来促进这一过程（Boecker等，2022）。在我们的研究中，我们采用了合成酒精废液培养基作为参考培养基的概念。该合成培养基含有我们能够在常规酒精废液中检测到的最相关的碳化合物，有助于重现和更好地理解大肠杆菌在常规酒精废液中观察到的生长行为。

章节摘要

酒精废液样品及制备

浓缩酒精废液，来源于酵母发酵甜菜糖蜜生产乙醇的过程，购自德国Klein Wanzleben的糖厂和生物乙醇设施（Nordzucker AG）。由于甜菜酒精废液含有大量不溶性组分且未经灭菌，因此对其进行处理以用于细菌培养，从而避免污染以及有害不溶性有机和无机组分的干扰。原料酒精废液最初

所用酒精废液的组成及大肠杆菌的初步生长实验

酒精废液的组成可能因来源工艺不同而有所差异。在本研究中，我们使用了一份浓缩酒精废液样品，来源于酵母发酵甜菜糖蜜生产乙醇的过程（样品由德国Klein Wanzleben的Nordzucker AG提供）。为了初步评估其作为微生物发酵和增值碳源的潜力，我们通过HPLC测量和酶法

讨论与结论

酒精废液具有作为微生物发酵过程廉价原料的显著潜力，并有助于循环和可持续生物经济的发展，然而，这一潜力迄今在很大程度上尚未被利用。特别是，尽管大肠杆菌是生物技术生产过程中最成熟的细菌宿主，具有广泛的底物范围，但其在酒精废液增值方面的应用仍未得到充分探索。除Suhaili等（2019）外，该研究侧重于

CRediT作者贡献声明

Jonas Frohwitter：写作–审阅与编辑、写作–初稿、可视化、验证、方法学、调查、数据管理。Ruxandra Rehner：写作–审阅与编辑、验证、调查、数据管理。Tuan Son Hoang：写作–审阅与编辑、验证、方法学、调查、数据管理。Gerrich Behrendt：写作–审阅与编辑、可视化、方法学。Axel von Kamp：写作–审阅与编辑、调查、正式分析。Nicolas Huber：写作

关于在写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用ChatGPT 5.4（OpenAI）进行拼写和语法检查，并提高语言清晰度。使用Consensus（Consensus NLP）来查找有关酒精废液研究的相关出版物。在使用这些工具/服务后，作者根据需要审查并编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢< span id="gts0005">欧洲区域发展基金（ERDF）在研究与创新计划下的资助（资助编号ZS/2023/12/182138和ZS/2023/12/182462）。我们感谢Elmar Lampe（Klein Wanzleben，Nordzucker AG）提供酒精废液样品以及宝贵的见解和讨论。

Jonas Frohwitter|Ruxandra Rehner|Tuan Son Hoang|Gerrich Behrendt|Axel von Kamp|Nicolas Huber|Katja Bettenbrock|Steffen Klamt