探索Candida boidinii XM02G的生物技术潜力：高木糖醇生产效率以及对抑制化合物的高耐受性

《Fungal Biology》：Exploring the Biotechnological Potential of Candida boidinii XM02G: High Xylitol Production Efficiency and High Tolerance to Inhibitory Compounds

本研究评估了从巴西可可种植区分离的Candida boidinii XM02G酵母在合成培养基中对木质素衍生物抑制物的耐受性。结果显示该酵母在pH5、40g/L木糖条件下产木糖醇率达0.80g/g，对羟基苯甲酸、香草酸等抑制物表现出高耐受性，仅在0.5-1.0g/L苯甲酸时完全抑制，表明其作为生物精炼中木糖醇生产潜力巨大。

　　

Nivio Batista Santana | Jo?o Carlos Teixeira Dias | Rachel Passos Rezende | Marcelo Franco | Larissa Karen Silva Oliveira | Alexandra Nascimento Ferreira

巴西巴伊亚州西南部州立大学农业与动物技术系，邮编45700-000，Itapetinga

摘要

酵母Candida boidinii具有极强的耐受极端环境的能力。这一特性使其成为具有显著生物技术潜力的微生物，尤其是在木糖醇生产方面。然而，这一潜力尚未得到充分探索。木糖醇是蔗糖的替代品，具有相当的甜度、更低的热量含量，并且其代谢过程不依赖于胰岛素，因此适合糖尿病患者使用，同时也可应用于食品、制药和口腔护理行业。鉴于其重要性，本研究旨在探讨Candida boidinii XM02G菌株的木糖醇生产能力及其对木质素衍生抑制化合物的耐受性。C. boidinii XM02G菌株是从可可种植区分离出来的，并在合成培养基中培养以生产木糖醇。研究测试了该酵母对苯甲酸、丁香酸、对羟基苯甲酸和阿魏酸等酚类抑制剂的耐受性。在初始条件下（pH值为5，木糖浓度为40 g·L^-1），木糖醇产量为0.80 g·g^-1，产率为87.2%。该酵母对大多数测试抑制剂均表现出耐受性，即使在高于木质纤维素生物质水解物中常见浓度的情况下也能正常生长，并在对羟基苯甲酸存在的情况下产生16.8 g·L^-1的木糖醇。这些结果凸显了C. boidinii XM02G的生物技术潜力，表明它是一种具有良好抑制剂耐受性的有前景的微生物——这是基于生物质的生物精炼应用中的关键特性。

引言

微生物降解酚类化合物的能力是它们从残余生物质中生产生物分子的重要生物学策略（Jiang等人，2024年）。能够直接从未经预处理的生物质水解物中生产木糖醇的酵母有助于降低工艺处理成本（Zakaria等人，2025年）。Candida属的一些物种已被确定为潜在的木糖醇生产菌株，例如C. magnoliae、C. guilliermondii和C. boidinii（Kumar等人，2022年；Feng等人，2024年）。然而，关于C. boidinii在木糖醇生产方面的研究相对较少（Vongsuvanlert和Tani，1989年；Vandeska等人，1995年；Vandeska等人，1996年；Santana等人，2018年）。不过，这种酵母表现出对半纤维素水解物中存在的抑制化合物的强大耐受性，能够降解酚类化合物和呋喃醛（Santana等人，2018年），并且在恶劣环境中也能保持良好的生长状态。

木糖醇是一种化学式为C₅H₁₂O₅的糖醇。它的甜度与蔗糖相似，但热量更低，其代谢过程不依赖于胰岛素，因此是糖尿病患者的理想甜味剂替代品（Felipe Hernández-Pérez等人，2019年；Gasmi Benahmed等人，2020年；Meng等人，2022年；Feng等人，2024年）。木糖醇在食品、制药和口腔护理领域有广泛的应用，它可以预防龋齿、促进唾液分泌、抑制致病细菌的生长，从而有助于治疗或预防急性中耳炎、骨质疏松症、呼吸道感染和炎症性疾病（Mahmud等人，2013年；Lee和Park，2014年；Meng等人，2022年；Mathur等人，2023年）。

2019年全球木糖醇市场销售额超过了8.8亿美元，预计到2026年将超过10亿美元（Araújo等人，2021年；Feng等人，2024年）。商业合成方法主要通过使用镍作为催化剂对超纯木糖进行催化氢化，但这一过程成本高昂且对环境有害。该过程需要大量的氢气输入，且催化剂的选择性较差，会产生多种副产物，因此需要后续纯化步骤（Dasgupta等人，2019年；Xu等人，2019年；Beviláqua、Maugeri Filho和Forte，2023年；Silva等人，2023年）。生物技术合成方法则利用微生物发酵半纤维素中的C5糖（主要是木糖），为化学合成提供了替代方案，从而降低了成本和环境影响（Silva等人，2023年）。

来自木质纤维素生物质（如甘蔗渣和玉米芯）的半纤维素水解物是糖醇生物生产的常用底物（Antunes等人，2019年；Beviláqua、Maugeri Filho和Forte，2023年）。在水解过程中，木质素降解和糖分解产生的化合物可能成为抑制剂，干扰酶促水解过程，降低甚至完全抑制发酵效率（Agrawal等人，2021年；Saadatinavaz等人，2021年；Romero-García等人，2022年；Feng等人，2024年）。

这些化合物影响微生物细胞的机制包括：(i) 细胞膜损伤，增加膜通透性导致离子泄漏，以及破坏对营养物质运输和ATP合成至关重要的电化学梯度；(ii) 诱导氧化应激，产生活性氧（ROS），进而损害蛋白质、DNA和脂质，最终抑制细胞生长和存活能力；(iii) 酶和代谢过程的抑制，这是由于芳香醛类（如香草醛和丁香醛）与关键酶的巯基团相互作用，导致酶失活，从而影响糖酵解、NADH代谢和脂质生物合成等途径；(iv) 干扰碳同化过程，降低微生物将糖转化为生物质的能力，进而影响发酵效率（Lyu等人，2025年）。

半纤维素水解物中香草醛、丁香醛和酚类等化合物的浓度可能高达2 g·L^-1。其他化合物，如脂肪酸和呋喃类（如糠醛和羟甲基糠醛），也可能抑制细胞生长和木糖醇的产生。了解这些化合物的抑制浓度对于评估解毒方法的效率至关重要（Guo等人，2022年；Feng等人，2024年）。基于以上原因，本研究旨在探讨Candida boidinii XM02G的木糖醇生产能力，评估影响生产过程的变量及其对木质素衍生抑制化合物的耐受性。

部分内容摘录

微生物与接种物制备

Candida boidinii XM02G菌株由Santana等人（2018年）从一种卡布鲁卡农林系统中分离得到，具体来自分解的可可土壤和果壳。该微生物被保存在含有Sabouraud琼脂（Himedia）的试管中，试管表面覆盖无菌矿物油，并在4°C的冷藏条件下保存。重新激活时，将其接种在含有YPX琼脂培养基的培养皿上，该培养基成分包括酵母提取物（5 g·L^-1）、蛋白胨（5 g·L^-1）、木糖（20 g·L^-1）和琼脂（15 g·L^-1）。

接种物的制备过程...

通气作用与初始接种量

只有搅拌速度和通气作用的二次效应具有统计学意义（p ≤ 0.05）。对于木糖醇浓度和产率等响应变量，所建立的模型拟合度不显著（p = 0.05）。模型预测的残差呈随机分布。通气被认为是影响木糖醇生产的主要因素。可用氧气的量是决定木糖代谢途径的关键因素（Albuquerque等人，2014年）。

结论

酵母Candida boidinii XM02G在含有木质素衍生抑制化合物的条件下表现出显著的生物技术潜力，尤其是在生产木糖醇方面。该微生物对苯甲酸、丁香酸和阿魏酸等酚类抑制剂具有很强的耐受性，即使在高于木质纤维素水解物中常见浓度的情况下也能维持细胞生长和木糖醇的合成。只有当苯甲酸浓度达到0.5...

作者贡献声明

Alexsandra Nascimento Ferreira： 文章撰写——审稿与编辑；原始稿件撰写。 Larissa Karen Silva Oliveira： 实验研究。 Marcelo Franco： 监督工作、资源调配与资金筹集。 Rachel Passos Rezende： 资源管理、方法设计、资金筹集及概念框架构建。 Jo?o Carlos Teixeira Dias： 监督工作、资源调配、方法设计、资金筹集及数据整理、概念框架构建。 Nivio Batista Santana： 文章撰写——原始稿件撰写、方法设计、实验研究及数据整理。

未引用参考文献

Arca?o等人，2020年；Zhang等人，2012a年。

利益冲突声明

无

关于手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究的过程中，作者使用了Google Gemini工具来搜索文献和数据，以改进引言部分（特别是关于微生物对抑制化合物的细胞反应机制的内容），制作表4，并完善3.2节和3.3.2节的数据讨论。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对此承担全部责任。

作者利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的财务或个人利益关系。

致谢

作者感谢圣克鲁斯州立大学和巴伊亚州西南部州立大学的支持。