基于多组学技术的低泡沫丛苏云金酵母（Yarrowia lipolytica）工程改造，以实现从木质纤维素水解物中可持续生产赤藓糖醇

《Food Bioscience》：Multi-omics guided engineering of a low-foaming Yarrowia lipolytica for sustainable erythritol production from lignocellulosic hydrolysates

　　

摘要

赤藓糖醇作为一种重要的零卡路里甜味剂，被广泛应用于食品、制药和日用化学工业。然而，其工业生产长期以来面临着两大挑战：高昂的原材料成本以及发酵过程中严重的起泡现象，这大大复杂化了工艺控制并增加了运营成本。为了解决这些问题，本研究筛选出一种天然低起泡性的赤藓糖醇生产菌株——Yarrowia lipolytica 167，并证明了该菌株能够利用低成本的木质纤维素生物质高效合成赤藓糖醇。我们建立了一个高效的基因操作平台，实现了对该野生型菌株的多轮基因编辑。通过整合基因组重测序、比较转录组学和代谢组学分析，系统地阐明了167菌株在赤藓糖醇生物合成途径中的关键代谢瓶颈。基于多组学分析提供的机制洞察，对167菌株进行了精准的代谢工程改造，使其赤藓糖醇产量提高了2.3倍。随后，在5升生物反应器中以小麦秸秆衍生的木质纤维素水解物作为替代碳源进行 Fed-batch 发酵实验，结果表明该工程菌株的赤藓糖醇产量、得率和生产率为214.2克/升、0.60克/克和2.23克/升·小时。这是迄今为止报道的由Yarrowia lipolytica利用木质纤维素水解物生产赤藓糖醇的最高水平。这项研究不仅提供了一种适用于木质纤维素资源增值利用的低起泡工程菌株，还为包括优良菌株筛选、基因工具开发、多组学驱动的代谢工程以及可再生原料应用在内的研究方法提供了借鉴。

引言

随着全球对健康饮食和减少糖摄入需求的增长，零卡路里甜味剂的市场持续扩大（Deshpande等人，2022年；Moon等人，2010年）。赤藓糖醇是一种天然存在的四碳糖醇，由于其独特的性质（如零卡路里、高甜度、非致龋性以及对血糖的中性影响），已在食品、制药和日用化学工业中得到广泛应用（Rywińska等人，2024年；Wang等人，2017年）。它的代谢过程不依赖于胰岛素，并且可以通过肾脏直接排出体外，因此是糖尿病患者的理想糖替代品。此外，它还获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的“普遍认为安全”（GRAS）认证（Liu等人，2024年；Mart?u等人，2020年；Mirończuk等人，2018年；Munro等人，1998年）。因此，开发高效、经济且可持续的赤藓糖醇生产生物技术已成为满足全球市场需求的重点研究方向。

目前，工业上赤藓糖醇的生产主要依赖于微生物发酵，而Yarrowia lipolytica因其独特的生理和代谢优势而被认为是理想的发酵菌株（Da Silva等人，2018年）。这种酵母能够高效利用多种低成本碳源，包括葡萄糖、甘油（包括粗甘油）、脂肪酸和废弃食用油（Hapeta等人，2017年；Liu等人，2019年；Papanikolaou等人，2002年；Yang等人，2016年）。此外，它具有极强的耐受性，能够适应高渗透压和宽pH范围内的极端工业发酵条件（Chen等人，2024年；Ledesma-Amaro和Nicaud，2016年）。值得注意的是，Y. lipolytica中的赤藓糖醇生物合成会受到渗透压的显著诱导。为了实现这一目标，现有研究通常采用高浓度碳源策略，例如添加250克/升的甘油或300-330克/升的葡萄糖（Xu等人，2024年；Li等人，2024年；Liu等人，2024年）。我们之前的实验也证实，当葡萄糖浓度增加到300克/升时，Po1f、167和F4菌株的赤藓糖醇产量分别提高了115.1%、124.5%和79.8%（Nie等人，2025年）。考虑到这种权衡，本研究采用了高葡萄糖浓度（300克/升）来激活Y. lipolytica中的赤藓糖醇生物合成，从而突出了167菌株与F4菌株之间的表型差异，使得多组学比较更具意义。

尽管Y. lipolytica在工业赤藓糖醇生产中具有巨大潜力，但其大规模发酵过程仍面临多个技术瓶颈，严重限制了生产效率和经济效益。首先，发酵过程中普遍会出现严重起泡现象。这不仅减少了发酵罐的有效工作体积并增加了污染风险，还显著影响了氧气传递效率及细胞生理稳定性，进而干扰了目标产物的合成（Xu等人，2024年）。虽然适当的消泡剂添加可以缓解由严重起泡引起的溶解氧限制，但过量或长期积累消泡剂会对生产菌株造成生理压力并阻碍其生长和底物吸收（Nielsen等人，2017年）。此外，消泡剂残留物会显著影响下游分离和纯化步骤（包括膜过滤、溶剂萃取和产品结晶），从而增加整个工艺的复杂性和成本。综上所述，迫切需要开发低起泡性的菌株。其次，高昂的原材料成本也是另一个关键限制因素。目前工业赤藓糖醇生产主要依赖高纯度葡萄糖作为碳源，其成本占总生产支出的约40-60%（Mart?u等人，2020年）。葡萄糖主要来自有限的耕地中玉米、小麦等谷物的淀粉水解，这不仅因原料限制和价格波动提高了生产成本，还引发了关于与人类食物资源竞争的伦理问题（Meng等人，2025年；Rzechonek等人，2017年；Sheng等人，2021年）。尽管一些研究探索了低成本替代碳源（如海带水解物（Zhang等人，2023年）、二氧化碳（van der Woude等人，2016年）、甲醇（Wang等人，2025年）和废弃食用油（Xiaoyan等人，2017年），但所得赤藓糖醇的产量通常较低。木质纤维素是地球上最丰富的可再生碳源，全球每年产生大量农业和林业废弃物，其水解物可作为可持续的非食品可发酵糖来源（Li等人，2024年）。近年来，利用木质纤维素水解物生产琥珀酸、ectoine和α-胡萝卜素等高附加值化学品取得了显著进展（Cui等人，2023年；Feng等人，2025年；Li等人，2024年），显示出替代传统谷物基原料的巨大潜力。然而，关于Y. lipolytica利用木质纤维素水解物高效生产赤藓糖醇的研究较少，其技术可行性仍有待验证。总之，泡沫控制和原材料成本是工业赤藓糖醇生产的主要瓶颈。因此，筛选或合理构建具有低起泡特性、高赤藓糖醇产量以及能够高效利用木质纤维素等非食品原料的优良菌株具有重要的科学意义和应用价值，有助于推动赤藓糖醇行业的绿色、高效和可持续发展。

章节片段

培养条件和培养基

LB培养基：tryptone 10克/升，yeast extract 5克/升，NaCl 10克/升，用于Escherichia coli培养。YPD固体培养基：葡萄糖20克/升，yeast extract 10克/升，tryptone 20克/升，agar 20克/升，用于Yarrowia lipolytica培养。合成定义（SD）培养基：不含氨基酸的酵母氮源6.7克/升，葡萄糖20克/升，根据需要添加适当的氨基酸或5-氟-orotic酸用于转化体筛选。种子培养基：葡萄糖20克/升，yeast extract 5克/升，corn steep liquor 5克/升，MgSO₄ 0.5克/升：

非起泡Yarrowia lipolytica 167菌株的发酵特性

Yarrowia lipolytica 167是一种从高渗透压环境中分离出的野生型赤藓糖醇生产菌株，其最显著的特点是在发酵过程中不产生泡沫（Nie等人，2025年）。为了系统评估其发酵性能，本研究将其与另一种野生型菌株F4进行了对比实验，F4具有较高的赤藓糖醇产量但发酵过程中起泡严重。如图1a和1b所示，在相同的发酵条件下……

结论

本研究通过构建一个工程化的Yarrowia lipolytica菌株，解决了工业赤藓糖醇生产中的两个关键问题：发酵泡沫控制和原材料成本。通过系统的代谢工程改造，该菌株兼具低起泡特性和高效的木质纤维素利用能力。本研究选择了一种天然低起泡的野生菌株167，并建立了一个高效的CRISPR-Cas9基因编辑平台，为基础后续改造奠定了基础。

CRediT作者贡献声明

yupeng nie：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，数据可视化，实验研究。Xuebing Ren：监督，概念设计。Jiaxiang Zhang：数据可视化，实验研究。Zhiqiang Xiong：监督，概念设计。Lianzhong Ai：资金获取，概念设计。yanjun tian：监督，概念设计。Mingjing Yao：实验研究。Jiayuan Liang：数据可视化，实验研究。Guozhi Ye：数据可视化，实验研究。Ruiguo Li：数据可视化，实验研究

Li等人，2024年；Rzechonek等人，2018年；Liu等人，2017年。

数据可用性

数据可应要求提供。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金（编号：U23A20261）的支持。

Yupeng Nie|Xuebing Ren|Mingjing Yao|Jiayuan Liang|Guozhi Ye|Ruiguo Li|Jiaxiang Zhang|Zhiqiang Xiong|Lianzhong Ai|Yanjun Tian上海科学技术大学健康科学与工程学院，中国上海 200093