微生物发酵新突破：酵母菌生产奇数链脂肪酸的潜力挖掘

为优化奇数链脂肪酸（OCFAs）生产，研究人员筛选 19 种酵母，发现多种菌株有潜力，为可持续生产提供方向。

　　在医学和营养领域，奇数链脂肪酸（OCFAs）正逐渐崭露头角。像十五烷酸（C₁₅:0）、十七烷酸（C₁₇:0）等，它们不仅与人体健康息息相关，缺乏时可能增加肥胖、慢性炎症、心血管疾病、2 型糖尿病以及某些癌症的患病风险，还能作为合成大脑中重要信号转导和细胞黏附分子的前体，甚至在农药、香料、化妆品、涂料和生物燃料制造中也发挥着关键作用。然而，目前 OCFAs 的生产却面临着诸多困境。传统的从植物材料中提取和化学合成方法，成本高、效率低，还会对环境造成不良影响。在此背景下，微生物发酵成为了极具潜力的替代方案，尤其是产油酵母，它们能够积累占自身总干重 20% 以上的脂质，不过，通常情况下，OCFAs 在这些酵母产生的总脂肪酸中仅占一小部分。为了突破现有生产瓶颈，深入了解酵母代谢并开发更高效的生产菌株和工艺迫在眉睫。

为此，查尔姆斯理工大学生命科学系工业生物技术部门等机构的研究人员 Veronica Bonzanini、Majid Haddad Momeni、Kim Olofsson 等人开展了一项关于 “葡萄糖和丙酸对产油酵母奇数和偶数链脂肪酸谱影响” 的研究，相关成果发表在《BMC Microbiology》上。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先，采用气相色谱 - 质谱联用（GC/MS）技术对脂肪酸进行定性和定量分析，通过将脂肪酸转化为相应的甲酯，从而准确测定不同脂肪酸的含量。其次，利用高效液相色谱（HPLC）来测量发酵液中葡萄糖和丙酸的残留浓度，以此了解底物的消耗情况。此外，通过测定细胞干重（CDW）来评估酵母的生长情况，为研究酵母的生长和代谢提供了重要的数据支持。

研究人员的首要工作是精心挑选了 19 种酵母菌株。这些菌株的选择基于多个标准：一是有文献记载能在糖基培养基中产生 OCFAs；二是具备利用丙酸（PA）或不同短链脂肪酸（SCFAs）混合物生长并生产 OCFAs 的能力；三是作为产油酵母，此前未针对上述能力进行过测试。这一全面的筛选标准确保了研究对象的多样性和代表性，为后续研究奠定了坚实基础。

在以葡萄糖为碳源的培养基研究中，研究人员在 96 孔板中对所有菌株在不同碳氮比（C/N）的葡萄糖培养基中的生长能力进行评估。结果显示，C/N 比为 9 时，所有菌株生长特性相似，但在 C/N 比为 50 时，不同菌株呈现出显著差异。部分菌株如 Barnettozyma californica 等生长曲线与 C/N 比为 9 时相似，只是减速期更明显；而 Blastobotrys adeninivorans 等菌株则出现双相生长，最大比生长速率降低，达到相同最终光密度所需时间延长；Cutaneotrichosporon cutaneum 等菌株呈非双相生长，最大比生长速率低，且无法在实验时间内达到 C/N 比为 9 时的最终光密度。这表明 C/N 比对酵母生长的影响因菌株而异。在脂肪酸谱分析方面，研究人员在 C/N 比为 50、含 20g/L 葡萄糖的培养基中培养酵母，结果发现偶数链脂肪酸（ECFAs）占主导地位，占总脂肪酸的 95.0 - 99.5%。不同酵母的特定脂肪酸占比有所不同，大多数酵母中棕榈酸（C₁₆:0）、棕榈油酸（C₁₆:1）、硬脂酸（C₁₈:0）、油酸（C₁₈:1）和亚油酸（C₁₈:2）含量较高。OCFAs 产量较低，仅占总脂肪酸的 0.5 - 5%，其中 Metschnikowia pulcherrima 产生的 OCFAs 比例最高，约为 5%。在脂肪酸产量上，Rhodosporidiobolus fluvialis、Rhodotorula toruloides、Cutaneotrichosporon oleaginosus 和 Yarrowia lipolytica 表现较为突出。

针对丙酸的研究中，研究人员评估了 19 种酵母菌株在不同浓度 PA 培养基中的生长能力。结果发现，只有 8 种菌株（B. adeninivorans、B. raffinosifermentans 等）能在 PA 浓度高达 24g/L 的培养基中生长。其中，Y. lipolytica 在 PA 培养基上生长态势最佳，具有短的延迟期和高的最终光密度；B. californica 和 C. oleaginosus 虽然延迟期较长，但最终也能达到与 19g/L PA 培养基中相同的光密度。当在 PA（5 - 10g/L）中添加 2g/L 葡萄糖时，所有菌株都能生长，但部分菌株无法达到仅含 2g/L 葡萄糖时的最终光密度，说明这些菌株对 PA 更为敏感。在脂肪酸谱分析中，研究人员在 C/N 比为 50、含 15g/L PA 的培养基中培养 8 种能在 PA 上生长的酵母，发现所有酵母的脂肪酸谱中 OCFAs 含量丰富，但不同菌株的 OCFAs 占总脂肪酸的比例差异显著。R. toruloides 和 B. californica 的 OCFAs 占比接近 90%，C. oleaginosus 约为 80%。C. oleaginosus 和 R. toruloides 的 OCFAs 产量较高，分别为 0.07g/g 和 0.05g/g，且 C. oleaginosus、Y. lipolytica 和 B. californica 对 PA 的利用效率较高。

综合比较葡萄糖和丙酸培养基中酵母的脂肪酸生产能力，研究发现，PA 培养基中酵母的脂肪酸谱更为多样，同时含有 OCFAs 和 ECFAs。不同碳源下，酵母产生的脂肪酸种类和含量存在差异，但 C₁₆:0 和 C₁₈:1 在两种培养基中均有较高产量，这可能与它们在细胞膜结构中的重要性有关。R. toruloides 和 C. oleaginosus 在两种碳源下都表现出较强的产油能力，而 B. californica 在 PA 培养基中每克消耗碳产生的总脂肪酸更多，表明 PA 更有利于其脂质积累。

研究结论和讨论部分指出，产油酵母在 OCFAs 生产方面展现出巨大潜力，但目前人们对 OCFAs 生物合成的理解仍存在诸多空白，需要进一步开展基础和应用研究。研究中不同酵母对氮饥饿、PA 代谢和脂肪酸生产的反应差异显著，深入研究关键 OCFAs 生产菌株（如 C. oleaginosus、Y. lipolytica 和 R. toruloides）的生理和代谢机制，有助于优化生产工艺，提高 OCFAs 产量和生产效率。此外，明确 PA 转化为 OCFAs 的代谢途径和调控机制，以及酵母对高浓度 PA 耐受性的遗传基础，将为有针对性的菌株工程改造和适应性实验室进化提供理论依据，推动微生物细胞工厂生产 OCFAs 的可持续发展进程，为利用工业废物流生产有价值的微生物脂质开辟新途径。